高中物理 第5章 新时空观的确立 5_1 电磁场理论引发的怪异问题 5_2 狭义相对论的基本原理教师用书 沪科版选修3-4

5.1电磁场理论引发的怪异问题5.2狭义相对论的基本原理学 习 目 标知 识 脉 络1.知道经典的相对性原理，知道狭义相对论的实验基础和它的两个基本假设.(重点)2.知道狭义相对论的几个主要结论.(重点)3.了解经典时空观与相对论时空观的主要区别，体会相对论的建立对人类认识世界的影响.4.狭义相对论两个基本假设的理解与应用.(难点)电磁场理论引发的怪异问题1.迈克耳孙莫雷实验(1)经典物理的速度合成公式Vuv.(2)1886年迈克耳孙和莫雷利用可自由转动的实验台等装置，在水平面内不同的方位观察干涉条纹并没有预期的移动.“以太漂移的零结果”表明：光在任何方向上传播时相对地球的速度都是相同的.即光速是不变的.2.伽利略相对性原理(1)内容：力学规律在任何惯性系中都是等价的.(2)在一个惯性参考系内进行的任何力学实验都不能判断这个惯性参考系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动.1.牛顿定律在惯性系中都成立.()2.经典物理学认为，时间和空间是不能脱离物质而存在的.()3.迈克耳孙莫雷实验寻找“以太”取得了成功.()牛顿定律在任何参考系中都成立吗？【提示】不一定.在惯性系中都成立，在非惯性系中牛顿运动定律不成立.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.1.下列说法正确的是()A.物理基本规律在所有惯性系中都是等价的B.在真空中，光的速度与光源的运动状态无关C.在不同的惯性系中，在不同方向上光速大小不同D.在所有惯性系中，光在真空中沿任何方向传播的速度都相同E.经典力学规律适用于高速运动的物体【解析】根据相对性原理知，物理规律在所有惯性系中都是等价的，A正确；根据光速不变原理知，B、D正确；根据迈克耳孙莫雷实验结果，C错误；经典力学只适用于低速和宏观物体，E错误.【答案】ABD2.如图511所示，在列车车厢的光滑水平面上有一个质量为m5 kg的小球，正随车厢一起以20 m/s的速度匀速前进，现在给小球一个水平向前的F5 N的拉力作用，求经10 s时，车厢里的观察者和地面的观察者看到小球的速度分别是多少？图511【解析】对于车上的观察者：小球的初速度v00，加速度a1 m/s210 s时速度v1at10 m/s.对于地上的观察者：方法一：小球初速度v020 m/s加速度a1 m/s210 s末速度v2v0at30 m/s.方法二：根据速度合成法则v2v1v0(1020) m/s30 m/s.【答案】10 m/s30 m/s惯性系与非惯性系的区分1.牛顿运动定律能够成立的参考系叫惯性系.以匀速直线运动的汽车、轮船等作为参考系就是惯性系.2.牛顿运动定律不能成立的参考系称为非惯性系.例如，我们坐在加速的车厢里时，以车厢为参考系观察路边的树木、房屋，它们向后方加速运动，根据牛顿运动定律，房屋树木应该受到不为零的合外力作用，但事实上却没有，也就是说牛顿运动定律不成立.这里加速的车厢就是非惯性系.狭义相对论基本原理1.狭义相对论的两个基本假设(1)狭义相对性原理：在所有相互做匀速直线运动的惯性参考系中，物理规律都是相同的.(2)光速不变原理：在所有相互做匀速直线运动的惯性参考系中，光在真空中的速度都是相等的.2.“同时”的相对性(1)绝对时空观：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也是同时的，即时间是绝对的.(2)相对论的时空观：“同时”具有相对性，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可能是不同时的.1.静止或匀速直线运动的参考系是惯性系.( )2.由于在任何惯性系中力学规律都是相同的，因此，研究力学问题时可以选择任何惯性系.( )3.在不同的惯性系中，光速是不相同的.()飞船在高空以0.1c的速度向目标飞行，在飞船上向目标方向发射一个光信号，则在地面的观察者看来光信号的速度是1.1c吗？【提示】由经典力学的相对性原理可知，光信号相对地面的速度vc0.1c1.1c，但这一结论是错误的.根据狭义相对论的假设，真空中的光速相对于飞船为c，相对于地面也为c，对不同惯性参考系是相同的.1.狭义相对论的两个基本假设(1)第一个假设：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的，即自然界不存在特殊的惯性参考系，对于一切物理现象的描述来说，所有惯性系都是等效的.(2)第二个假设：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，与光源的运动和观察者的运动无关.2.对狭义相对论两个假设的理解(1)爱因斯坦提出了两条基本假设是相对论的基础，对同时的相对性等经典力学所无法解决的问题，应紧紧地抓住两条基本假设这一关键点.(2)真空中对不同的惯性参考系来说，光速都是相同的.(3)经典力学的结论是有一定局限性的，一般只适用于宏观物体的低速运动.3.经典理论与相对论的比较力学的相对性原理指的是力学现象对一切惯性系来说，都遵从同样的规律；或者说，在研究力学规律时，一切惯性系都是等价的、平权的.因此，无法借助力学实验的手段确定惯性系自身的运动状态.而狭义相对论指的是物理定律在所有惯性系中都是相同的，因此，各个惯性系都是等价的，不存在特殊的绝对的惯性系.因此，狭义相对论原理所指范围更大，内容更丰富.3.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系中都是相同的D.真空中的光速在不同的惯性参考系中是有差别的E.光速的大小与光源的运动和观察者的运动无关【解析】狭义相对论的基本假设有两个，分别是爱因斯坦相对性原理和光速不变原理.选项A、C正确.根据光速不变原理，E正确.【答案】ACE4.火箭以0.75c的速度离开地球，从火箭上向地球发射一个光信号.火箭上测得光离开的速度是c，根据过去熟悉的速度合成法则，光到达地球时地球上测得的光速是多少？根据狭义相对性原理呢？【解析】根据过去熟悉的速度合成法则，光相对于地球的速度是：vc0.75c0.25c.而根据狭义相对性原理，光速与光源、观察者之间的相对运动没有关系，光速仍为c.【答案】0.25cc求解狭义相对论有关问题的技巧1.爱因斯坦相对性原理：对不同的惯性系，物理规律(包括力学、电磁学、光学等)都是一样的.2.光速不变原理：在任何惯性系中，光在真空中的速度恒为c，与光源的运动和观测者的运动无关.在此基础上相关问题就会迎刃而解了.