高二物理课件 15.1 《相对论的诞生》 15.2 时间和空间的相对性 （人教选修3-4）

欢迎进入物理课堂 一 经典的相对性原理与狭义相对性原理 1 惯性系和非惯性系牛顿运动定律能够成立的参考系 相对于这个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系 牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系 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 即任何惯性参考系都是平权的 3 相对性原理与电磁规律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 迈克耳孙 莫雷实验证明 不论光源和观察者做怎样的相对运动 光速都是相同的 4 迈克耳孙 莫雷实验 1 实验背景根据麦克斯韦的电磁理论可以直接得到真空中电磁波的速度 并不需要初始条件 也就是说 电磁波的速度是c 这本身就是电磁规律的一部分 而不是电磁规律应用于某个具体事物的结论 于是 问题出现了 麦克斯韦的电磁理论相对哪个参考系成立 如果它相对参考系S是正确的 另外还有一个参考系S S 相对于S以速度v运动 那么光相对于S 的速度应该是 c v 而不是c 好像电磁规律不是对任何惯性系都一样 2 实验结论不论光源与观察者做怎样的相对运动 光速都是一样的 狭义相对论认为 光速c是宇宙中的最大速度 实际物体无论怎样加速 其速度只能接近而不能超越光速c 典例1 2010 北京高考 属于狭义相对论基本假设的是 在不同的惯性系中 A 真空中光速不变B 时间间隔具有相对性C 物体的质量不变D 物体的能量与质量成正比 解题指导 解答本题的关键是牢记狭义相对论基本假设 要与时间间隔的相对性 相对论质量等区分开来 标准解答 选A 狭义相对论基本假设 一是在不同的惯性参考系中 一切物理规律都是相同的 二是真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的 即光速不变原理 由此可知A属于狭义相对论基本假设 故A正确 B C D错误 变式训练 下列关于经典力学的时空观 正确的是 A 在经典力学的时空观中 同时是绝对的 即在一个参考系中的观察者在某一时刻观察到的两个事件 对另一参考系中的观察者来说也是同时发生的B 在经典力学的时空观中 时间间隔是绝对的 即任何事件 或物体的运动 所经历的时间 在不同的参考系中测量都是相同的 而与参考系的选取无关 C 在经典力学的时空观中 空间距离是绝对的 即如果各个参考系中用来测量长度的标准相同 那么空间两点距离是绝对不变的量值 而与参考系的选取无关D 经典力学的时空观就是一个绝对的时空观 时间 空间与物体的运动无关 解析 选A B C D 经典的时空观认为 时间 空间均是绝对的 与物体的运动状态无关 同时也是绝对的 即在一个参考系中同时发生的两个事件 在不同参考系中观察也是同时发生的 故A B C D均正确 变式备选 下列说法正确的是 A 在以竖直方向升空的火箭上向前发出的光 对地速度一定比c大B 在以竖直方向升空的火箭上向后发出的光 对地速度一定比c小C 在以竖直方向升空的火箭上沿水平方向发出的光 对地速度为cD 在以竖直方向升空的火箭上向任一方向发出的光 对地速度都为c 解析 选C D 根据狭义相对论的基本假设 光速不变原理可知 真空中的光速相对于火箭的速度为c 相对于地面的速度也为c 对不同的惯性系是相同的 因此C D正确 A B错误 二 怎样理解 动尺变短 和 动钟变慢 1 怎样理解 动尺变短 狭义相对论中的长度公式 中 l0是相对于杆静止的观察者测出的杆的长度 而l可以认为是杆沿自己的长度方向以速度v运动时 静止的观察者测量的长度 还可以认为是杆不动 而观察者沿杆的长度方向以速度v运动时测出的杆的长度 2 怎样理解 动钟变慢 时间间隔的相对性公式 中 是相对事件发生地静止的观察者测量同一地点的两个事件发生的时间间隔 而 t是相对于事件发生地以速度v运动的观察者测量同一地点的同样两个事件发生的时间间隔 也就是说 在相对运动的参考系中观测 事件变化过程的时间间隔变大了 这叫做狭义相对论中的时间膨胀 3 理解要点 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 以上结论是狭义相对论的必然结论 而狭义相对论的正确性已被实验证实 所以以上结论是高速世界中必然发生的现象 是客观存在的事实 绝不是人们的主观臆造 人们之所以平常观察不到这些现象 是因为我们生活在低速运动的世界里 典例2 地面上长100km的铁路上空有一火箭沿铁路方向以30km s的速度掠过 则火箭上的人看到铁路的长度应该为多少 如果火箭的速度达到0 6c 则火箭上的人看到的铁路的长度又是多少 解题指导 动尺变短只有在高速 接近光速 情况下才能发生 标准解答 当火箭速度较低时 长度基本不变 还是100km 当火箭的速度达到0 6c时 由相对论长度公式代入相应的数据解得 l 100 km 80km 答案 100km80km 规律方法 应用相对论 效应 解题的一般步骤首先 应该通过审题确定研究对象及研究对象的运动速度 其次 明确求解的问题 即明确求解静止参考系中的观察结果 还是运动参考系中的观察结果 最后 应用 尺缩效应公式 或 时间延缓效应公式 进行计算 变式训练 介子是一种不稳定粒子 平均寿命是2 6 10 8s 在自己的参考系中测得 1 如果此粒子相对于实验室以0 8c的速度运动 那么在实验室坐标系中测量的 介子寿命多长 2 介子在衰变前运动了多长距离 解析 1 介子在实验室中的寿命为 2 该粒子在衰变前运动的距离为x v t 0 8 3 108 4 3 10 8m 10 32m 答案 1 4 3 10 8s 2 10 32m 典例 如图所示 在列车车厢的光滑水平面上有一质量为m 5kg的小球 正随车厢一起以20m s的速度匀速前进 现在给小球一个水平向前的FT 5N的拉力作用 求经10s时间 车厢里的观察者和地面上的观察者看到小球的速度分别是多少 标准解答 对车上的观察者 小球的初速度为0 加速度a 1m s2 10s末小球的速度v1 at 10m s 对地上的观察者 小球的初速度v0 20m s 加速度仍为a 1m s2 10s末小球的速度v2 v0 at 30m s 一 选择题1 根据伽利略相对性原理 可以得到下列结论 A 任何力学规律在惯性系中都是相同的B 同一力学规律在不同的惯性系中可能不同C 在一个惯性参照系里不能用力学实验判断该参照系是否在匀速运动D 在一个惯性参照系里可以用力学实验判断该参照系是否在匀速运动 解析 选A C 伽利略的相对性原理是 力学规律在任何惯性系中都是相同的 故选项A正确 B错误 根据伽利略相对性原理的另一种表述 选项C正确 D错误 2 在一惯性系中观测 有两个事件同时不同地 则在其他惯性系中观测 结果是 A 一定同时B 可能同时C 不可能同时 但可能同地D 不可能同时 也不可能同地 解析 选B 根据 同时 的相对性 故选项B正确 A C D错误 3 2011 滨州高二检测 用相对论的观点判断 下列说法不正确的是 A 时间和空间都是绝对的 在任何参考系中一个事件发生的时间和一个物体的长度总不会改变B 在地面上的人看来 以10km s的速度运动的飞船中的时钟会变慢 但是飞船中的宇航员却看到时钟是准确的C 在地面上的人看来 以10km s的速度运动的飞船在运动方向上会变窄 而飞船中的宇航员却感觉到地面上的人看起来比飞船中的人扁一些D 当物体运动的速度vc时 时间膨胀 和 长度收缩 效果可忽略不计 解析 选A 时间和空间都是相对的 故选项A的说法错误 根据 时间膨胀 和 长度收缩 效应 选项B C的说法正确 当速度v c时 1 2 1 所以 时间膨胀 和 长度收缩 效应可忽略不计 故选项D说法正确 4 2011 苏州高二检测 下列说法中正确的是 A 一条杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同 这是经典物理学家的观点B 一条沿自身长度方向运动的杆 其长度总比杆静止时的长度小C 一条杆的长度静止时为l0 不管杆如何运动 杆的长度均小于l0D 如果两条平行的杆在沿自己的长度方向上做相对运动 与它们一起运动的两位观察者都会认为对方的杆缩短了 解析 选A B D 根据经典物理学可知 选项A正确 根据 长度收缩 效应 故选项B D正确 只有在运动方向上才有 长度收缩 效应 若杆沿垂直杆的方向运动 则杆的长度不变 故选项C错误 5 下列说法中正确的是 A 相对性原理能简单而自然地解释电磁学的问题B 在真空中 若物体以速度v背离光源运动 则光相对物体的速度为c vC 在真空中 若光源向着观察者以速度v运动 则光相对于观察者的速度为c vD 迈克耳孙 莫雷实验得出的结论是 不论光源与观察者做怎样的相对运动 光速都是一样的 解析 选D 相对性原理简单而自然 但在电磁学的领域里 涉及到相对哪个参考系才成立的问题 故选项A错误 根据狭义相对论的光速不变原理 故选项B C错误 D正确 6 2011 朝阳区高二检测 某宇航员要到离地球5光年的星球上去旅行 如果希望把这段路程缩短为3光年 则他所乘飞船相对地球的速度为 A 0 5cB 0 6cC 0 8cD 0 9c 解析 选C 由故选项C正确 方法技巧 尺缩效应 在解题中的应用方法1 尺缩效应 只有在高速运动的情况下 才有明显的显现 2 尺缩效应 中长度的变化是沿运动方向上的长度变化效应 这种长度的变化仅仅是一种观察结果 绝不是物质各组成部分的空间尺度变化 3 在与运动方向垂直的方向上没有 尺缩效应 7 2011 江苏高考 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B A先被照亮C C先被照亮D 无法判断 解析 选C 列车上的观察者看到的是由B出发后经过A和C反射的光 由于列车在这段时间内向C运动靠近C 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 二 非选择题8 爱因斯坦狭义相对论的两个假设 1 爱因斯坦相对性原理 2 光速不变原理 解析 1 在不同惯性参考系中 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 9 用加速器对电子进行加速 当把电子加速到运动时的质量是静止质量的三倍时 求电子获得的速度大小是多少 解析 由题意知 m 3m0 代入质速方程 2 83 108m s答案 2 83 108m s 10 假如一对孪生兄弟A和B 其中B乘坐速度为v 0 9c的火箭飞往大角星 而后又飞回地球 根据A在地球上的观测 大角星离地球有40万光年 这次B往返飞行经历时间为80 8年 如果B在离开地球时 他们的年龄都为20岁 试问当B回到地球时 他们的年龄各有多大 解析 设B在飞船惯性系中经历的时间为t 根据钟慢效应得 解得t 35 2年 所以B回到地球时的年龄为20 35 2 55 2年 A的寿命为100 8岁 答案 A 100 8岁B 55 2岁 Thankyou 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全