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第十五章 相对论简介,1 相对论的诞生 2 时间和空间的相对性,填一填,练一练,1.经典的相对性原理与狭义相对论的两个基本假设(见课本第96页) (1)经典的相对性原理: 惯性系:牛顿运动定律能够成立的参考系。相对一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系。 伽利略相对性原理:力学规律在任何惯性系中都是相同的。 (2)狭义相对论的两个基本假设: 实验基础:不论光源与观测者做怎样的相对运动,光速都是一样的。 两个基本假设:,填一填,练一练,2.时间和空间的相对性(见课本第98页) (1)“同时”的相对性: 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也是同时的。 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不一定是同时的。 (2)长度的相对性: 经典的时空观: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。 相对论的时空观:长度也具有相对性,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。设相对于杆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=,填一填,练一练,(3)时间间隔的相对性: 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相同的。 相对论的时空观:某两个事件,在不同的惯性参考系中观察,它们的时间间隔是不同的。 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 (4)相对论时空观: 经典时空观:空间和时间是脱离物质存在的,是绝对的,空间和时间之间也是没有联系的。 相对论时空观:空间和时间与物质的运动状态有关。,填一填,练一练,2015年4月25日,尼泊尔发生8.1级强地震,中国武警总队特派一飞机前往,飞机在某高空做匀速直线运动,投放一包救急物品,灾民看到物品做曲线运动,飞行员看到物品做自由落体运动,物品刚好落在灾民救济处,根据经典时空观,则下列说法正确的是( ) A.飞机为非惯性参考系 B.飞机为惯性参考系 C.灾民为非惯性参考系 D.灾民为惯性参考系 解析:物品投放后,仅受重力作用,飞行员看物品是初速度为零的自由落体运动,符合牛顿运动定律,故飞机为惯性参考系,B对;而地面上的人员看物品做初速度不为零的抛体运动,也符合牛顿运动定律,D也对。 答案:BD,探究一,探究二,探究一经典的相对性原理与狭义相对性原理 问题导引 根据图示考虑以下几下问题,(1)如图所示,参考系O相对于参考系O静止时,人测得的光速应是多少? (2)参考系O相对于参考系O以速度v向右运动,人测得的光速应是多少? (3)参考系O相对于参考系O以速度v向左运动,人测得的光速又是多少?,探究一,探究二,探究一,探究二,名师精讲 1.惯性系和非惯性系 (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。牛顿定律成立的这个参考系是惯性参考系,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。,探究一,探究二,2.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: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。,探究一,探究二,典例剖析 【例题1】 关于经典力学的时空观与相对论的时空观,下列说法正确的是( ) 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,对另一个参考系中的观察者来说也是同时的 B.在相对论的时空观中,时间间隔是绝对的,即任何事件(或物体运动)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,那么空间两点的距离是绝对的不变的量值,而与参考系的选取无关 D.相对论的时空观就是一个绝对的时空观,时间与空间物体的运动无关,探究一,探究二,探究一,探究二,解析:在经典力学的时空观中,同时是绝对的,选项A对;在相对论的时空观中,时间间隔是相对的,选项B错误;在经典力学的时空观中,空间距离是绝对的,选项C对;相对论的时空观是一个相对的时空观,选项D错误。 答案:AC,探究一,探究二,变式训练1 导学号38190142以下说法中,正确的是 ( ) A.经典物理中的速度合成公式在任何情况下都是适用的 B.经典物理规律也适用于高速运动的物体 C.力学规律在一个静止的参考系和一个匀速运动的参考系中是不等价的 D.力学规律在任何惯性系里都是等价的 解析:在所有惯性系中,一切力学规律都是等价的,故D正确,C错误;经典物理规律是狭义相对论在低速状态下的一个近似,所以经典物理规律只适用于低速运动的物体,而经典物理中的速度合成公式也只适用于低速情况,故A、B均错误。 答案:D,探究一,探究二,探究一,探究二,探究二动尺变短和动钟变慢 问题导引 一架飞机在上海杨浦大桥上空匀速飞过,飞机飞行方向与大桥平行,问飞机上的乘客看到的大桥长度与静止观察时相比有什么变化?,探究一,探究二,名师精讲 1.动尺变短 狭义相对论中的长度公式: ,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.动钟变慢 时间间隔的相对性公式: ,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,这叫作狭义相对论中的时间膨胀。,探究一,探究二,3.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。 4.经典时空观和狭义相对论时空观 (1)经典时空观:空间和时间脱离物质而存在,是绝对的,空间和时间没有联系,即与物质的运动无关。 (2)狭义相对论时空观:空间和时间与物质运动状态有关。,探究一,探究二,典例剖析 【例题2】 当火车速度非常接近光速时,相对地面的参考系来说,火车和它里面的一切物体沿运动方向将缩短得像薄纸片一样。火车上的人也认为地面上的一切物体都沿火车运动的方向变薄了。 一列匀速直线前进的火车,车厢地板上A处有一盏灯,在灯的正上方车厢顶B处有一面镜子,AB的高为h。现在我们要完成一个光学实验:打开灯的开关,光信号从A到B,再由镜面反射回到A处。车厢里站着一个观测者小明;站台上站着一个观测者小芳,如图所示。,探究一,探究二,探究一,探究二,探究一,探究二,故光信号往返的时间,地面上的人(小芳)和车厢里的人(小明)测量的结果不一样,地面上的人测得的时间(t)要比车厢里的人测得的时间()长些。,探究一,探究二,探究一,探究二,探究一,探究二,1 2 3 4 5,1.如果牛顿定律在参考系A中成立,而参考系B相对于A做匀速直线运动,则在参考系B中( ) A.牛顿定律也同样成立 B.牛顿定律不能成立 C.A和B两个参考系中,一切物理定律都是相同的 D.参考系B也是惯性参考系 解析:根据狭义相对性原理,在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的,则选项A、C、D正确,B错误。 答案:ACD,1 2 3 4 5,2.下面的说法中正确的是( ) A.因为时间是绝对的,所以我们在不同的参考系中观察到的时间进程都是相同的 B.空间与时间之间是没有联系的 C.有物质才有空间和时间 D.在一个确定的参考系中观察,运动物体的空间距离和时间进程跟物体的运动状态有关 解析:经典物理学认为空间和时间是脱离物质存在的,是绝对的,空间和时间之间也没有联系,其实是错误的,故选项A、B错误;因为相对论中空间和时间与物质的运动状态有关,选项C、D正确。 答案:CD,1 2 3 4 5,3.根据狭义相对论,以下说法正确的是( ) A.在不同的惯性系中,真空中光速不变 B.在不同的惯性系中,物理规律具有不同的形式 C.“同时”具有绝对意义 D.物体的长度是绝对的 解析:在不同的惯性系中,真空中的光速不变,一切物理规律都具有相同的形式,选项A正确,B错误;“同时”是相对的,物体的长度也是相对的,选项C、D错误。 答案:A,1 2 3 4 5,4.用狭义相对论的观点判断,下列说法中不正确的是 ( ) 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10 km/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10 km/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,1 2 3 4 5,5.导学号38190144(选做题) 如图所示,某车沿水平方向高速行驶,车厢中央的光源发出一个闪光,闪光照到了车厢的前、后壁,则地面上的观察者认为该闪光 (选填“先到达前壁”“先到达后壁”或“同时到达前后壁”),同时他观察到车厢的长度比静止时变 (选填“长”或“短”)了。 解析:地面上的观察者认为地面是一个惯性系,闪光向前、后传播的速度相对地面是相同的,但是在闪光飞向两壁的过程中,车厢向前行进了一段距离,所以向前的光传播的路程长些,到达前壁的时间也就晚些,即地面上的观察者认为该闪光先到达后壁。根据长度的相对性可知: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。故可以得出观察者观察到车厢的长度比静止时变短。 答案:先到达后壁 短,1 2 3 4 5,
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