高一物理狭义相对论基本原理课件

62狭狭义义相相对论对论的基本原理的基本原理 核心要点突破核心要点突破课堂互动讲练课堂互动讲练课前自主学案课前自主学案知能优化训练知能优化训练6.2课标定位课标定位学学习目目标：1.知知道道牛牛顿对物物理理学学发展展的的巨巨大大贡献献和和经典力学的重要典力学的重要历史地位史地位2理理解解经典典力力学学方方法法论的的意意义和和经典典力力学学的的时空空观3掌握狭掌握狭义相相对论基本原理的内容及其意基本原理的内容及其意义重重点点难点点：重重点点：1.经典典力力学学的的重重大大成成就就和和方方法法论的意的意义2相相对论的基本原理的理解的基本原理的理解难点：点：经典力学的局限性及相典力学的局限性及相对论基本原理提出基本原理提出的背景理解的背景理解课标课标定位定位定位定位课前自主学案课前自主学案一、一座永垂不朽的一、一座永垂不朽的纪念碑念碑1自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理的的产生：英国科学家生：英国科学家_的代表作，成的代表作，成书于于1686年年2自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理介介绍：全：全书共分两个共分两个部分第一部分是部分第一部分是“定定义和注和注释”“”“运运动的基本原的基本原理理”第二部分是定律的第二部分是定律的应用，其内容包括：万有用，其内容包括：万有引力定律和行星的运引力定律和行星的运动；流体力学的开；流体力学的开创性研究；性研究；天体力学和宇宙系天体力学和宇宙系统的开拓性研究的开拓性研究(行星的运行星的运动，卫星的运星的运动，地面上的落体运，地面上的落体运动，抛体运，抛体运动，彗星，彗星轨道，道，岁差以及潮汐差以及潮汐现象等象等)牛牛顿全全书贯穿穿了了牛牛顿和和莱莱布布尼尼兹分分别独独立立发明明的的数数学学方方法法微微积分分它它在在科科学学史史上上占占有有非非常常重重要要的的地地位，因位，因为它它标志着志着_的建立的建立二、二、经典力学的巨大成就典力学的巨大成就1把把_运运动与与_物物体体的的运运动统一一起起来了来了2由由经典典力力学学为基基础发展展起起来来了了天天体体力力学学、材材料料力学力学3力学与力学与热学学结合引合引发了了_工工业革命革命4经典力学是航天的理典力学是航天的理论基基础经典力学典力学天体天体地上地上第一次第一次三、三、经典力学方法典力学方法论的意的意义经典力学的研究方法以伽利略和牛典力学的研究方法以伽利略和牛顿最最为典型典型伽利略：理想伽利略：理想实验法法牛牛顿：归纳演演绎法，建立理法，建立理论体系体系四、四、经典力学的局限性典力学的局限性1经典力学典力学对时间和空和空间的的认识(1)把一切自然把一切自然现象都象都归结为_(2)把把_、_割裂开来，割裂开来，认为它它们与物与物质运运动无关无关机械决定机械决定论时间空空间2经典力学的适用范典力学的适用范围(1)只适用于只适用于_速运速运动，不适用于，不适用于_速运速运动(2)只适用于只适用于_世界，不适用于世界，不适用于_世界世界(3)只适用于弱引力只适用于弱引力环境，不适用于境，不适用于强强引力引力环境境五、五、经典力学的典力学的时空空观1概述：概述：绝对的空的空间，就其本性而言，是与外界，就其本性而言，是与外界任何事物无关，而永任何事物无关，而永远相同和不相同和不动的，的，绝对的的时间自身在不停地流逝着自身在不停地流逝着这就是就是经典力学的典力学的时空空观，也称，也称为_时空空观低低高高宏宏观微微观绝对2绝对时空空观的的特特点点：时间和和空空间是是_的的，时间尺尺度度和和空空间尺尺度度与与物物质的的运运动无无关关，都都是是绝对的的六、狭六、狭义相相对论的基本公的基本公设1惯性系与非性系与非惯性系性系牛牛顿运运动定律成立的参考系，称定律成立的参考系，称为惯性参考系，性参考系，简称称惯性系如研究地面上物体的运性系如研究地面上物体的运动时，地面，地面就是就是惯性参考系，相性参考系，相对于地面做匀速直于地面做匀速直线运运动的的参考系，也是参考系，也是惯性参考系性参考系分离分离2伽利略的相伽利略的相对性原理性原理(1)概述：概述：对于所有的于所有的惯性系，力学性系，力学规律都是相律都是相同的，或者同的，或者说一切一切惯性系都是等效的性系都是等效的(2)两个要点：两个要点：如果牛如果牛顿运运动定律在某个参考定律在某个参考系中成立，系中成立，这个参考系叫做个参考系叫做惯性系，相性系，相对于一于一个个惯性系做匀速直性系做匀速直线运运动的另一个参考系也是的另一个参考系也是惯性系；性系；力学力学规律在任何律在任何惯性系中都是相同的，或者性系中都是相同的，或者说，任何，任何惯性系都是等效的性系都是等效的3两条基本公两条基本公设(1)_ 原理：在不同的原理：在不同的惯性参考系中，性参考系中，一切物理一切物理规律都是律都是_的的(2)_ 原理：真空中的原理：真空中的_在在不同的不同的惯性参考系中都是性参考系中都是_的的这是是爱因斯坦在前人的因斯坦在前人的实验基基础上提出的假上提出的假设，这两个假两个假设就是狭就是狭义相相对论的基的基础相相对性性相同相同光速不光速不变光速光速相同相同核心要点突破核心要点突破一、一、经典力学的成就与局限性典力学的成就与局限性1经典力学的研究方法典力学的研究方法归纳比比较亚里士里士多德多德Aristotle前前384前前322简介介世界古代史上最世界古代史上最伟大的古希腊大的古希腊哲学家、科学家和教育家哲学家、科学家和教育家方法方法论以人的感以人的感觉经验和和逻辑理性来理性来研究物体的运研究物体的运动意意义开辟了探索自然界奥秘的一条开辟了探索自然界奥秘的一条新路新路观察察科学科学成就成就提出力的合成概念，提出力的合成概念，创建了建了视觉、色彩、色彩视觉等原始学等原始学说，尝试从物从物质本身来本身来说明自然，把明自然，把科学从宗教和神科学从宗教和神话中解放出来，中解放出来，推断地球是一个球体推断地球是一个球体伽利伽利略略Galilei 15641642简介介意大利物理学家，开意大利物理学家，开创近代自然科学近代自然科学研究方法的第一位学者研究方法的第一位学者方法方法论观察提察提问、合理假、合理假设、数学、数学变换、实验验证意意义提出了新的研究方法提出了新的研究方法数学推理和数学推理和科学科学实验科学科学成就成就建立了建立了摆的定律、的定律、惯性定律、自由落性定律、自由落体定律，提出伽利略相体定律，提出伽利略相对性原理，奠性原理，奠定了牛定了牛顿第一定律和第二定律的基本第一定律和第二定律的基本思想和思想和经典力学的基典力学的基础，他的工作使，他的工作使物理学成物理学成为独立的知独立的知识体系并从哲学体系并从哲学中分化出来中分化出来牛牛顿Newton 16421727简介介英国科学家，英国科学家，17世世纪最最伟大的科大的科学巨匠学巨匠方法方法论重在分析与重在分析与综合、合、归纳与演与演绎，强强调论证要用要用实验验证意意义更更为深刻地深刻地实现了科学方法的丰了科学方法的丰富、富、发展与展与变革革科学成科学成就就澄清了力和运澄清了力和运动的的观念，念，总结出出万有引力定律和牛万有引力定律和牛顿运运动三定律，三定律，建立起完整的建立起完整的经典力学体系，从典力学体系，从伽利略伽利略时代以来一个世代以来一个世纪的物理的物理学工作，在牛学工作，在牛顿手里得到了手里得到了综合合2.经典力学的成就典力学的成就(1)经典力学的建立典力学的建立标志着近代自然科学的志着近代自然科学的诞生，它生，它把天上物体和地上物体的运把天上物体和地上物体的运动统一起来，从力学上一起来，从力学上证明了自然界的多明了自然界的多样性的性的统一，一，实现了人了人类对自然自然界界认识的第一次理的第一次理论大大综合合(2)经典力学和以典力学和以经典力学典力学为基基础发展起来的天体力展起来的天体力学、材料力学和学、材料力学和结构力学等得到了广泛的构力学等得到了广泛的应用，并用，并取得了巨大的成就取得了巨大的成就.18世世纪60年代，力学和年代，力学和热力学的力学的发展及其与生展及其与生产相相结合，使机器和蒸汽机得到改合，使机器和蒸汽机得到改进和推广，引和推广，引发了第一次工了第一次工业革命革命由牛由牛顿运运动定律定律导出的出的动量守恒定律、机械能守量守恒定律、机械能守恒定律等，是航空航天技恒定律等，是航空航天技术的理的理论基基础，火箭、，火箭、人造人造卫星、航天星、航天飞机、宇宙机、宇宙飞船、空船、空间探探测器等器等航天器的航天器的发射，都是射，都是经典力学典力学规律的具体律的具体应用用3经典力学的局限性典力学的局限性(1)从低速到高速从低速到高速日常生活中日常生活中见到的物体的运到的物体的运动，速度都，速度都远小于光小于光速，速，经典力学完全适用典力学完全适用.20世世纪初，著名物理学家初，著名物理学家爱因斯坦建立的狭因斯坦建立的狭义相相对论阐述了物体在以接近述了物体在以接近光速运光速运动时所遵从的所遵从的规律，得到了一些不同于律，得到了一些不同于经典力学的典力学的观念和念和结论例如在例如在经典力学中，典力学中，认为质量是恒定不量是恒定不变的，与物的，与物体的速度或能量无关；但相体的速度或能量无关；但相对论的研究的研究则表明，物表明，物体的体的质量将随着运量将随着运动速率的增加而增大，物体的速率的增加而增大，物体的质量和能量之量和能量之间存在着密切的存在着密切的联系系(2)从宏从宏观到微到微观19世世纪和和20世世纪之交，物理学又有了三大之交，物理学又有了三大发现：X射射线、电子放射性的子放射性的发现，使物理学的研究由，使物理学的研究由宏宏观进入微入微观领域域发现的的电子、子、质子、中子等子、中子等微微观粒子，不粒子，不仅具有波具有波动性同性同时还具有粒子性，具有粒子性，它它们的运的运动规律在很多情况下不能用律在很多情况下不能用经典力学来典力学来说明明.20世世纪，量子力学的研究表明，微，量子力学的研究表明，微观粒子既粒子既表表现为粒子性又表粒子性又表现为波波动性，粒子的能量等物性，粒子的能量等物理量只能取分立的数理量只能取分立的数值，粒子的速度和位置具有，粒子的速度和位置具有不确定性，粒子的状不确定性，粒子的状态只能用粒子在空只能用粒子在空间出出现的的概率来描述概率来描述即即时应用用(即即时突破，小突破，小试牛刀牛刀)1下列属于下列属于经典力学成就的有典力学成就的有()A经典典力力学学把把天天体体的的运运动与与地地上上物物体体的的运运动统一起来，是人一起来，是人类对自然界自然界认识的第一次大的第一次大综合合B以以经典典力力学学为基基础发展展起起来来的的天天体体力力学学、材材料力学和料力学和结构力学等得到了广泛的构力学等得到了广泛的应用用C力力学学和和热力力学学的的发展展与与生生产相相结合合，引引发了了第一次工第一次工业革命革命D由由牛牛顿力力学学定定律律导出出的的动量量守守恒恒定定律律、机机械械能守恒定律等是航天技能守恒定律等是航天技术的理的理论基基础解析：解析：选ABCD.经典力学主要以牛典力学主要以牛顿运运动三三定律、万有引力定律定律、万有引力定律为基基础，适用于一切宏，适用于一切宏观、低速的物体，故、低速的物体，故A、B、C、D都正确都正确二、二、经典力学的典力学的时空空观1牛牛顿的的绝对时空空观(1)绝对的、真正的数学的、真正的数学时间，出于其本性而自行，出于其本性而自行均匀地流逝着，与外界任何事物无关或均匀地流逝着，与外界任何事物无关或绝对的的时间，就其本性而言与外界任何事物毫无关系，就其本性而言与外界任何事物毫无关系，它永它永远保持不保持不变或不或不动(2)绝对的运的运动是物体从某一是物体从某一绝对的的处所所转移到另移到另一一绝对的的处所即所即对于空于空间的运的运动存在一个存在一个绝对的参考系；的参考系；时间存在一个存在一个绝对的的计时系系统2马赫的赫的时空空观凡不能由凡不能由实验证明的概念及明的概念及陈述，都不述，都不应该在物理学理在物理学理论中占有任何的地位中占有任何的地位否否认了了绝对时空空观理由：物体的相理由：物体的相对位置和相位置和相对移移动才是可才是可测量的量的(1)空空间的位置是相的位置是相对的的(2)速度是相速度是相对的的即即时应用用(即即时突破，小突破，小试牛刀牛刀)2经典力学的典力学的时空空观认为()A时间使物使物质运运动而存在而存在B时间是永是永远的流逝，与任何外界无关的流逝，与任何外界无关C空空间与物与物质运运动状状态有关有关D物体的物体的质量随物体运量随物体运动的速度的速度变化而化而变化化解析：解析：选B.经典力学的典力学的时空空观认为：时间和空和空间是分离的，是分离的，时间尺度和空尺度和空间尺度与物尺度与物质运运动无关，都是无关，都是绝对的，故的，故B正确正确三、狭三、狭义相相对论基本公基本公设的提出的提出1伽利略相伽利略相对性原理性原理(1)惯性系性系(inertial frame)与非与非惯性系：性系：在在经典力学中，牛典力学中，牛顿运运动定律是力学定律是力学规律的基律的基础，如果牛，如果牛顿运运动定律在某个参考系中成立，定律在某个参考系中成立，这个参考系就叫做个参考系就叫做惯性系如果牛性系如果牛顿运运动定律定律在某个参考系中不成立，在某个参考系中不成立，这个参考系就叫做非个参考系就叫做非惯性系性系注意：相注意：相对于一个于一个惯性系做匀速直性系做匀速直线运运动的另的另一个参考系也是一个参考系也是惯性系性系(2)伽利略相伽利略相对性原理性原理如果在不同的如果在不同的惯性系中性系中测物体自由下落的物体自由下落的时间，测一个一个单摆的周期，研究平抛运的周期，研究平抛运动的的规律，或研律，或研究牛究牛顿第二定律的第二定律的实验，就会，就会发现，所有的，所有的实验现象和象和实验结论，都不会因，都不会因惯性系的不同而有所性系的不同而有所不同，也就是不同，也就是说，各个，各个惯性系都是等价的性系都是等价的这个个观点叫做伽利略相点叫做伽利略相对性原理性原理2狭狭义相相对论的两条基本公的两条基本公设(1)爱因斯坦相因斯坦相对性原理：性原理：对于描述一切物理于描述一切物理过程程(包括物体位置包括物体位置变动、电磁以及原子磁以及原子过程程)的的规律，律，所有所有惯性系都是等价的，性系都是等价的，这里的物理里的物理过程包括光程包括光在内在内爱因斯坦把伽利略的力学相因斯坦把伽利略的力学相对性原理推广性原理推广到了到了电磁物理磁物理规律和一切其他律和一切其他规律，成律，成为第一个第一个公公设(2)光速不光速不变原理：在所有相原理：在所有相对光源静止或做匀光源静止或做匀速直速直线运运动的的惯性系中性系中观察，真空中的光速都相察，真空中的光速都相同，与光源的运同，与光源的运动和和观察者的运察者的运动没有关系没有关系这一条公一条公设使我使我们看到一幅与看到一幅与传统观念截然不同的念截然不同的物理物理图像像设想从一点光源想从一点光源发出一光脉冲，如人出一光脉冲，如人从光源在其中保持静止的参考系中从光源在其中保持静止的参考系中观察，波前察，波前为以光源以光源为中心的球面；如从相中心的球面；如从相对于光源做匀速直于光源做匀速直线运运动的另一参考系的另一参考系观察，波前将同察，波前将同样是以光源是以光源为中心的球面中心的球面这预示着与伽利略示着与伽利略变换不同的不同的时空空观即即时应用用(即即时突破，小突破，小试牛刀牛刀)3关关于于狭狭义相相对论的的两两个个基基本本公公设，下下列列说法法中中正确的是正确的是()A物物体体的的位位移移、速速度度具具有有相相对性性，所所以以在在不不同同惯性系中，它性系中，它们所遵循的物理所遵循的物理规律不同律不同B在在惯性性参参考考系系中中可可以以通通过实验的的方方法法证实该系系统是静止的是静止的还是匀速运是匀速运动的的C选不同的不同的惯性参考系，光的性参考系，光的传播速度不同播速度不同D以上以上说法都不正确法都不正确解析：解析：选D.根据狭根据狭义相相对论的两个基本公的两个基本公设可可知，在不同的知，在不同的惯性参考系中，一切物理性参考系中，一切物理规律都律都是相同的，故是相同的，故A错；在；在惯性参考系中无法通性参考系中无法通过实验的方法确定的方法确定这一系一系统本身的运本身的运动情况，故情况，故B错；真空中的光速在不同的；真空中的光速在不同的惯性参考系中都性参考系中都是相同的，故是相同的，故C错，正确答案，正确答案为D.课堂互动讲练课堂互动讲练对牛顿第二定律受参考系限制的认识对牛顿第二定律受参考系限制的认识例例例例1 1如如图611所示，在列所示，在列车车厢的光滑水平的光滑水平面上有一个面上有一个质量量为m5 kg的小球，正随的小球，正随车厢一起一起以以20 m/s的速度匀速前的速度匀速前进现在在给小球一个水平小球一个水平向前的向前的F5 N的拉力作用，求的拉力作用，求经过10 s时，车厢里的里的观察者和地面上的察者和地面上的观察者看到小球的速度分察者看到小球的速度分别是多少？是多少？图【答案答案】10 m/s30 m/s【方法方法总结】在两个在两个惯性系中，性系中，虽然然观察到察到的的结果并不相同，一个是果并不相同，一个是10 m/s，另一个是，另一个是30 m/s，但我，但我们却却应用了同用了同样的运的运动规律和律和速度合成法速度合成法则也就是也就是说，力学，力学规律在任何律在任何惯性系中都是相同的性系中都是相同的狭义相对论原理的应用狭义相对论原理的应用例例例例2 2火箭以火箭以0.75 c的速度离开地球，从火箭上的速度离开地球，从火箭上向地球向地球发射一个光信号火箭上射一个光信号火箭上测得光离开的得光离开的速度是速度是c，根据，根据过去熟悉的速度合成法去熟悉的速度合成法则，光到，光到达地球达地球时测得的光速是多少？根据狭得的光速是多少？根据狭义相相对论原理，原理，测得的光速是多少呢？得的光速是多少呢？【精精讲精精析析】根根据据过去去熟熟悉悉的的速速度度合合成成法法则，光相光相对于地球的速度是于地球的速度是vc0.75 c0.25 c.根根据据狭狭义相相对论原原理理，光光速速与与光光源源、观测者者之之间的相的相对运运动没有关系，光速仍没有关系，光速仍为c.【答案答案】0.25 cc【方法方法总结】在一切在一切惯性系中，光在真空中性系中，光在真空中传播的速度都等于播的速度都等于c，跟光源的运，跟光源的运动情况无关此公情况无关此公设与与经典物理学中的速度合成法典物理学中的速度合成法则相矛盾相矛盾本部分内容讲解结束本部分内容讲解结束按按按按ESCESC键键退出全屏播放退出全屏播放退出全屏播放退出全屏播放谢谢使用使用