资源描述
第十五章,相对论简介,情 景 切 入 地球上有一对孪生兄弟，哥哥乘飞船遨游太空，弟弟仍留在地球上。相对论告诉我们，当哥哥返回到地球时，遨游太空的哥哥会更年轻！这就是有趣的“双生子佯谬”，它展示了一个全新的时空观。 知 识 导 航 本章只是对相对论做了一个简单的介绍，在学习时可以主要了解以下内容：狭义相对论的两个基本假设，时间和空间的相对性，狭义相对论的其他结论 ，广义相对论简介等知识。本章内容绝大多数是要求同学们了解或知道，更深的内容要到以后继续学习。,学 法 指 导 学习本章前应先复习、了解在前面学习过的有关经典力学的局限性内容，在学习中要注意相对论时空观的学习。本章的学习应采用独立思考和交流讨论相结合方法。在学习本章的过程中，还应注意相对论的全面阐述，这要用到较多的高等数学知识，在这里做到了解即可，不必深入探究。,第一节 相对论的诞生 第二节 时间和空间的相对性,课 前 预 习,1惯性系 如果_定律在某个参考系中成立，这个参考系就叫惯性系。 2经典相对性原理 表述一：力学规律在任何_中都是相同的。 表述二：在一个惯性参考系内进行的任何力学实验都_判断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做_运动。 表述三：任何惯性系都是_的。,经典的相对性原理,牛顿运动,惯性系,不能,匀速直线,平权,1实验基础 不论光源与观测者做怎样的相对运动，光速都是_。 2两个基本假设,狭义相对论的两个基本假设,一样的,惯性,物理,相同,1“同时”的相对性 (1)经典的时空观：在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察_。 (2)相对论的时空观：“同时”具有_性，即在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察_。 2“长度”的相对性 (1)经典的时空观：一条杆的长度不会因为观察者是否与杆做_而不同。,时间和空间的相对性,也是相同的,相对,不一定同时,相对运动,(2)相对论的时空观：“长度”也具有_性，一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比_时的长度小。 设相对于静止的观察者认为杆的长度为l0，与杆有相对运动的人认为杆的长度为l，杆相对于观察者的速度为v，则l，l0，v的关系是：l_。,相对,静止,3时间间隔的相对性 (1)经典的时空观：某两个事件，在不同的惯性系中观察，它们的时间间隔总是_。 (2)相对论的时间观：某两个事件，在不同的惯性参考系中观察，它们的时间间隔是_的。 设表示相对事件发生地静止的惯性系中观测的时间间隔，t表示相对事件发生地以v高速运动的参考系中观察同样两事件的时间间隔，则它们的关系是：t_。,相同的,不同,4相对论时空观 (1)经典时空观：空间和时间是脱离物质存在的，是_的，空间和时间之间也是_联系的。 (2)相对论时空观：空间和时间与物质的_有关。,绝对,没有,运动状态,判一判 (1)牛顿运动定律在任何情况下都成立。() (2)狭义相对论的两个基本假设仅仅是猜想而已，没有任何依据。() (3)匀加速运动的参考系可以看作惯性系。() (4)在地面上的人看来，高速运行的动车组在运动方向上会变短，而车中的乘客却感觉到地面上的人看起来扁一些。() (5)相对论时空观认为空间和时间与物质的运动状态无关。(),选一选 如图所示，沿平直铁路线有间距相等的三座铁塔A、B和C。假想有一列车沿AC方向以接近光速行驶，当铁塔B发出一个闪光，列车上的观测者测得A、C两铁塔被照亮的顺序是() A同时被照亮 BA先被照亮 CC先被照亮 D无法判断 解析：列车上的观察者看到的是由B发出后经过A和C反射的光，由于列车在这段时间内向C运动，而远离A，所以C的反射光先到达列车上的观察者，看到C先被照亮，故只有C正确。,C,想一想 假设地面上有一火车以接近光速的速度运行，车内站立着一个中等身材的人，站在路旁边的人观察车里的这个人是什么体形？ 答案：是一个中等个子的瘦人 解析：人是站着的，路旁的人观察到的车内的人沿车运动的方向上的长度(决定胖瘦)变短了，所以人变瘦。但人在垂直于车运动方向上的长度(决定身高)不变。,课 内 探 究,考虑几个问题： (1)如图所示，参考系O相对于参考系O静止时，人看到的光速应是多少？ (2)参考系O相对于参考系O以速度v向右运动，人看到的光速应是多少？ (3)参考系O相对于参考系O以速度v向左运动，人看到的光速又是多少？ 提示：根据狭义相对论理论知，光速是不变的，各种情况下光的速度都是c。,探究一经典的相对性原理与狭义相对性原理,1对惯性系和非惯性系的认识 (1)惯性系 牛顿运动定律能够成立的参考系称为惯性参考系。相对于这个参考系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性参考系。 (2)非惯性系 牛顿定律不能成立的参考系称为非惯性参考系。例如：我们坐在加速的车厢里，以车厢为参考系观察路边的树木房屋向后方加速运动，根据牛顿第二定律，房屋和树木应该受到不为零的合力作用，但事实上没有，也就是牛顿定律不成立，这里的加速车厢就是非惯性参考系。,2伽利略相对性原理： 力学规律在任何惯性系中都是相同的。 3相对性原理与电磁规律： (1)根据麦克斯韦的电磁理论，真空中的光速在任何惯性系中都是一个常量，但是按照伽利略的相对性原理，在不同惯性系中的光速应是各不相同的。 (2)迈克耳孙莫雷实验证明：不论光源与观察者做怎样的相对运动，光速都是相同的。 4爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设： (1)在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的； (2)真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的。,特别提醒：如何判断一个参考系是惯性参考系还是非惯性参考系？我们通常选大地为惯性参考系，相对于地面静止或做匀速运动的物体都是惯性参考系；相对于地面做变速运动的物体都是非惯性参考系。,(多选)关于狭义相对论的两个假设，下列说法正确的是( ) A在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的 B在不同的惯性参考系中，力学规律都一样，电磁规律不一样 C真空中的光速在不同的惯性参考中都是相同的 D真空中的光速在不同的惯性参考系中是有差别的 解题指导：爱因斯坦的狭义相对性原理是伽利略力学相对性原理的推广，不仅包含了力学规律，也包含了电磁规律。 解析：狭义相对论的两个基本假设分别是狭义相对性原理和光速不变原理，选项A、C正确。,AC,对点训练1如图所示，强强乘坐速度为0.9c(c为光速)的宇宙飞船追赶正前方的壮壮，壮壮的飞行速度为0.5c，强强向壮壮发出一束光进行联络，则壮壮观测到该光束的传播速度为 () A0.4c B0.5c C0.9c Dc 解析：由狭义相对论的基本假设：光速不变原理，真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，可知D正确。,D,世界上各式各样的钟：砂钟、电钟、机械钟、光钟和生物钟。既然运动可以使某一种钟变慢，它一定会使所有的钟都一样变慢。这种说法对吗？ 提示：对,探究二动尺变短和动钟变慢,3分析时间间隔和长度变化时应注意的问题 (1)时间间隔、长度的变化，都是由于物质的相对运动引起的一种观测效应，它与所选取的参考系有关，物质本身的结构并没有变化。 (2)两个事件的时间间隔和物体的长度，必须与所选取的参考系相联系，如果在没有选取参考系的情况下讨论时间的长短及空间的尺寸，是没有任何意义的。,特别提醒：不管是“动尺变短”还是“动钟变慢”都是相对观察者的测量结果而言，而尺子和钟本身的结构并不发生变化。,如图，假设一根10 m长的梭镖以光速穿过一根10 m长的管子，它们的长度都是在静止状态下测量的。以下叙述中最好的描述了梭镖穿过管子的情况的是() A梭镖收缩变短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它 B管子收缩变短，因此在某些位置上，梭镖从管子的两端伸出来 C两者都收缩，且收缩量相等，因此在某个位置，管子恰好遮住梭镖 D所有这些都与观察者的运动情况有关,D,解析：如果你是在相对于管子静止的参考系中观察运动着的梭镖，那么梭镖看起来就比管子短，在某些位置梭镖会完全在管子内部，然而当你和梭镖一起运动时，你看到的管子就缩短了，所以在某些位置，你可以看到梭镖两端都伸出管子。,对点训练2如图所示，在一个高速转动的巨大转盘上，放着A、B、C三个时钟，下列说法正确的是() AA时钟走得最慢，B时钟走得最快 BA时钟走得最慢，C时钟走得最快 CC时钟走得最慢，A时钟走得最快 DB时钟走得最慢，A时钟走得最快,C,素 养 提 升,1经典时空观 经典物理学认为空间和时间是脱离物质而存在的，是绝对的，空间与时间也是没有联系的。 2相对论时空观 相对论则认为空间和时间与物质的运动状态有关。前面已经看到，在一个确定的参考系中观察，运动物体的长度(空间距离)和它上面物理过程的快慢(时间进程)都跟物体的运动状态有关。,(多选)如图所示，你站在水平木杆AB的中央附近，并且看到木杆落在地面上时是两端同时着地的，所以，你认为这木杆是平着落到了地面上；若此时飞飞小姐正以接近光速的速度从你前面掠过，她看到B端比A端先落地，因而她认为木杆是向右倾斜着落地的。她的看法是() A对的 B错的 C她应感觉到木杆在朝她运动 D她应感觉到木杆在远离她运动,AC,解析：当飞飞小姐掠过木杆时，在她看来，木杆不仅在下落，而且还在朝她运动，正好象星体朝你的飞船运动一样。因此，在你看来同时发生的两个事件， 在飞飞小姐看来首先在B端发生；到底在A和B处的两个事件是同时发生，还是在B处先发生？这一问题是没有意义的。因为运动是相对的，对运动的描述取决于选择的参考系。对于你来说木杆是平着下落的，对飞飞小姐来说木杆是向右斜着下落的，虽然难以置信，但你和她都是正确的。,
展开阅读全文