高中物理 第15章 相對論簡介 1-2 相對論的誕生 時(shí)間和空間的相對性課件 新人教版選修3-4.ppt

第十五章 相對論簡介,1 相對論的誕生 2 時(shí)間和空間的相對性,填一填,練一練,1.經(jīng)典的相對性原理與狹義相對論的兩個(gè)基本假設(shè)(見課本第96頁) (1)經(jīng)典的相對性原理: 慣性系:牛頓運(yùn)動(dòng)定律能夠成立的參考系。相對一個(gè)慣性系做勻速直線運(yùn)動(dòng)的另一個(gè)參考系也是慣性系。 伽利略相對性原理:力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的。 (2)狹義相對論的兩個(gè)基本假設(shè): 實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ):不論光源與觀測者做怎樣的相對運(yùn)動(dòng),光速都是一樣的。 兩個(gè)基本假設(shè):,填一填,練一練,2.時(shí)間和空間的相對性(見課本第98頁) (1)“同時(shí)”的相對性: 經(jīng)典的時(shí)空觀:在同一個(gè)慣性系中不同地點(diǎn)同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件,在另一個(gè)慣性系中觀察也是同時(shí)的。 相對論的時(shí)空觀:“同時(shí)”具有相對性,即在同一個(gè)慣性系中不同地點(diǎn)同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件,在另一個(gè)慣性系中觀察不一定是同時(shí)的。 (2)長度的相對性: 經(jīng)典的時(shí)空觀:一條桿的長度不會(huì)因?yàn)橛^察者是否與桿做相對運(yùn)動(dòng)而不同。 相對論的時(shí)空觀:長度也具有相對性,一條沿自身長度方向運(yùn)動(dòng)的桿,其長度總比桿靜止時(shí)的長度小。設(shè)相對于桿靜止的觀察者認(rèn)為桿的長度為l0,與桿有相對運(yùn)動(dòng)的人認(rèn)為桿的長度為l,桿相對于觀察者的速度為v,則l、l0、v的關(guān)系是l=,填一填,練一練,(3)時(shí)間間隔的相對性: 經(jīng)典的時(shí)空觀:某兩個(gè)事件,在不同的慣性系中觀察,它們的時(shí)間間隔總是相同的。 相對論的時(shí)空觀:某兩個(gè)事件,在不同的慣性參考系中觀察,它們的時(shí)間間隔是不同的。 設(shè)表示相對事件發(fā)生地靜止的慣性系中觀測的時(shí)間間隔,t表示相對事件發(fā)生地以v高速運(yùn)動(dòng)的參考系中觀察同樣兩事件的時(shí)間間隔,則它們的關(guān)系是 (4)相對論時(shí)空觀: 經(jīng)典時(shí)空觀:空間和時(shí)間是脫離物質(zhì)存在的,是絕對的,空間和時(shí)間之間也是沒有聯(lián)系的。 相對論時(shí)空觀:空間和時(shí)間與物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。,填一填,練一練,2015年4月25日,尼泊爾發(fā)生8.1級強(qiáng)地震,中國武警總隊(duì)特派一飛機(jī)前往,飛機(jī)在某高空做勻速直線運(yùn)動(dòng),投放一包救急物品,災(zāi)民看到物品做曲線運(yùn)動(dòng),飛行員看到物品做自由落體運(yùn)動(dòng),物品剛好落在災(zāi)民救濟(jì)處,根據(jù)經(jīng)典時(shí)空觀,則下列說法正確的是( ) A.飛機(jī)為非慣性參考系 B.飛機(jī)為慣性參考系 C.災(zāi)民為非慣性參考系 D.災(zāi)民為慣性參考系 解析:物品投放后,僅受重力作用,飛行員看物品是初速度為零的自由落體運(yùn)動(dòng),符合牛頓運(yùn)動(dòng)定律,故飛機(jī)為慣性參考系,B對;而地面上的人員看物品做初速度不為零的拋體運(yùn)動(dòng),也符合牛頓運(yùn)動(dòng)定律,D也對。 答案:BD,探究一,探究二,探究一經(jīng)典的相對性原理與狹義相對性原理 問題導(dǎo)引 根據(jù)圖示考慮以下幾下問題,(1)如圖所示,參考系O'相對于參考系O靜止時(shí),人測得的光速應(yīng)是多少? (2)參考系O'相對于參考系O以速度v向右運(yùn)動(dòng),人測得的光速應(yīng)是多少? (3)參考系O'相對于參考系O以速度v向左運(yùn)動(dòng),人測得的光速又是多少?,探究一,探究二,探究一,探究二,名師精講 1.慣性系和非慣性系 (1)慣性系:牛頓運(yùn)動(dòng)定律能夠成立的參考系稱為慣性參考系。牛頓定律成立的這個(gè)參考系是慣性參考系,相對于這個(gè)參考系做勻速直線運(yùn)動(dòng)的另一個(gè)參考系也是慣性參考系。 (2)非慣性系:牛頓定律不能成立的參考系稱為非慣性參考系。例如:我們坐在加速的車廂里,以車廂為參考系觀察路邊的樹木、房屋向后方加速運(yùn)動(dòng),根據(jù)牛頓第二定律,房屋和樹木應(yīng)該受到不為零的合力作用,但事實(shí)上沒有,也就是牛頓定律不成立,這里的加速車廂就是非慣性參考系。,探究一,探究二,2.伽利略相對性原理:力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的。 3.相對性原理與電磁規(guī)律:根據(jù)麥克斯韋的電磁理論,真空中的光速在任何慣性系中都是一個(gè)常量,但是按照伽利略的相對性原理,在不同慣性系中的光速應(yīng)是各不相同的。邁克耳孫莫雷實(shí)驗(yàn)證明:不論光源與觀察者做怎樣的相對運(yùn)動(dòng),光速都是相同的。 4.愛因斯坦狹義相對論的兩個(gè)基本假設(shè) (1)在不同的慣性參考系中,一切物理規(guī)律都是相同的。 (2)真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的。,探究一,探究二,典例剖析 【例題1】 關(guān)于經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀與相對論的時(shí)空觀,下列說法正確的是( ) A.在經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀中,同時(shí)是絕對的,即在一個(gè)參考系中的觀察者在某一時(shí)刻觀察到的兩個(gè)事件,對另一個(gè)參考系中的觀察者來說也是同時(shí)的 B.在相對論的時(shí)空觀中,時(shí)間間隔是絕對的,即任何事件(或物體運(yùn)動(dòng))所經(jīng)歷的時(shí)間,在不同的參考系中測量都是相同的,而與參考系的選取無關(guān) C.在經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀中,空間距離是絕對的,即如果各個(gè)參考系中用來測量長度的標(biāo)準(zhǔn)相同,那么空間兩點(diǎn)的距離是絕對的不變的量值,而與參考系的選取無關(guān) D.相對論的時(shí)空觀就是一個(gè)絕對的時(shí)空觀,時(shí)間與空間物體的運(yùn)動(dòng)無關(guān),探究一,探究二,探究一,探究二,解析:在經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀中,同時(shí)是絕對的,選項(xiàng)A對;在相對論的時(shí)空觀中,時(shí)間間隔是相對的,選項(xiàng)B錯(cuò)誤;在經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀中,空間距離是絕對的,選項(xiàng)C對;相對論的時(shí)空觀是一個(gè)相對的時(shí)空觀,選項(xiàng)D錯(cuò)誤。 答案:AC,探究一,探究二,變式訓(xùn)練1 導(dǎo)學(xué)號38190142以下說法中,正確的是 ( ) A.經(jīng)典物理中的速度合成公式在任何情況下都是適用的 B.經(jīng)典物理規(guī)律也適用于高速運(yùn)動(dòng)的物體 C.力學(xué)規(guī)律在一個(gè)靜止的參考系和一個(gè)勻速運(yùn)動(dòng)的參考系中是不等價(jià)的 D.力學(xué)規(guī)律在任何慣性系里都是等價(jià)的 解析:在所有慣性系中,一切力學(xué)規(guī)律都是等價(jià)的,故D正確,C錯(cuò)誤;經(jīng)典物理規(guī)律是狹義相對論在低速狀態(tài)下的一個(gè)近似,所以經(jīng)典物理規(guī)律只適用于低速運(yùn)動(dòng)的物體,而經(jīng)典物理中的速度合成公式也只適用于低速情況,故A、B均錯(cuò)誤。 答案:D,探究一,探究二,探究一,探究二,探究二動(dòng)尺變短和動(dòng)鐘變慢 問題導(dǎo)引 一架飛機(jī)在上海楊浦大橋上空勻速飛過,飛機(jī)飛行方向與大橋平行,問飛機(jī)上的乘客看到的大橋長度與靜止觀察時(shí)相比有什么變化?,探究一,探究二,名師精講 1.動(dòng)尺變短 狹義相對論中的長度公式: ,l0是相對于桿靜止的觀察者測出的桿的長度,而l可以認(rèn)為是桿沿自己的長度方向以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí),靜止的觀察者測量的長度,還可以認(rèn)為桿不動(dòng),而觀察者沿桿的長度方向以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)測出的桿的長度。 2.動(dòng)鐘變慢 時(shí)間間隔的相對性公式: ,是相對事件發(fā)生地靜止的觀察者測量同一地點(diǎn)的兩個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間間隔,而t是相對于事件發(fā)生地以速度v運(yùn)動(dòng)的觀察者測量同一地點(diǎn)的同樣兩個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間間隔。也就是說:在相對運(yùn)動(dòng)的參考系中觀測,事件變化過程的時(shí)間間隔變大了,這叫作狹義相對論中的時(shí)間膨脹。,探究一,探究二,3.分析時(shí)間間隔和長度變化時(shí)應(yīng)注意的問題 (1)時(shí)間間隔、長度的變化,都是由于物質(zhì)的相對運(yùn)動(dòng)引起的一種觀測效應(yīng),它與所選取的參考系有關(guān),物質(zhì)本身的結(jié)構(gòu)并沒有變化。 (2)兩個(gè)事件的時(shí)間間隔和物體的長度必須與所選取的參考系相聯(lián)系,如果在沒有選取參考系的情況下討論時(shí)間的長短及空間的尺寸,是沒有任何意義的。 4.經(jīng)典時(shí)空觀和狹義相對論時(shí)空觀 (1)經(jīng)典時(shí)空觀:空間和時(shí)間脫離物質(zhì)而存在,是絕對的,空間和時(shí)間沒有聯(lián)系,即與物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)無關(guān)。 (2)狹義相對論時(shí)空觀:空間和時(shí)間與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。,探究一,探究二,典例剖析 【例題2】 當(dāng)火車速度非常接近光速時(shí),相對地面的參考系來說,火車和它里面的一切物體沿運(yùn)動(dòng)方向?qū)⒖s短得像薄紙片一樣。火車上的人也認(rèn)為地面上的一切物體都沿火車運(yùn)動(dòng)的方向變薄了。 一列勻速直線前進(jìn)的火車,車廂地板上A處有一盞燈,在燈的正上方車廂頂B處有一面鏡子,AB的高為h。現(xiàn)在我們要完成一個(gè)光學(xué)實(shí)驗(yàn):打開燈的開關(guān),光信號從A到B,再由鏡面反射回到A處。車廂里站著一個(gè)觀測者小明;站臺上站著一個(gè)觀測者小芳,如圖所示。,探究一,探究二,探究一,探究二,探究一,探究二,故光信號往返的時(shí)間,地面上的人(小芳)和車廂里的人(小明)測量的結(jié)果不一樣,地面上的人測得的時(shí)間(t)要比車廂里的人測得的時(shí)間()長些。,探究一,探究二,探究一,探究二,探究一,探究二,1 2 3 4 5,1.如果牛頓定律在參考系A(chǔ)中成立,而參考系B相對于A做勻速直線運(yùn)動(dòng),則在參考系B中( ) A.牛頓定律也同樣成立 B.牛頓定律不能成立 C.A和B兩個(gè)參考系中,一切物理定律都是相同的 D.參考系B也是慣性參考系 解析:根據(jù)狹義相對性原理,在不同的慣性參考系中,一切物理規(guī)律都是相同的,則選項(xiàng)A、C、D正確,B錯(cuò)誤。 答案:ACD,1 2 3 4 5,2.下面的說法中正確的是( ) A.因?yàn)闀r(shí)間是絕對的,所以我們在不同的參考系中觀察到的時(shí)間進(jìn)程都是相同的 B.空間與時(shí)間之間是沒有聯(lián)系的 C.有物質(zhì)才有空間和時(shí)間 D.在一個(gè)確定的參考系中觀察,運(yùn)動(dòng)物體的空間距離和時(shí)間進(jìn)程跟物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān) 解析:經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為空間和時(shí)間是脫離物質(zhì)存在的,是絕對的,空間和時(shí)間之間也沒有聯(lián)系,其實(shí)是錯(cuò)誤的,故選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤;因?yàn)橄鄬φ撝锌臻g和時(shí)間與物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān),選項(xiàng)C、D正確。 答案:CD,1 2 3 4 5,3.根據(jù)狹義相對論,以下說法正確的是( ) A.在不同的慣性系中,真空中光速不變 B.在不同的慣性系中,物理規(guī)律具有不同的形式 C.“同時(shí)”具有絕對意義 D.物體的長度是絕對的 解析:在不同的慣性系中,真空中的光速不變,一切物理規(guī)律都具有相同的形式,選項(xiàng)A正確,B錯(cuò)誤;“同時(shí)”是相對的,物體的長度也是相對的,選項(xiàng)C、D錯(cuò)誤。 答案:A,1 2 3 4 5,4.用狹義相對論的觀點(diǎn)判斷,下列說法中不正確的是 ( ) A.時(shí)間和空間都是絕對的,在任何參考系中一個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間和一個(gè)物體的長度總不會(huì)改變 B.在地面上的人看來,以10 km/s的速度運(yùn)動(dòng)的飛船中的時(shí)鐘會(huì)變慢,但是飛船中的宇航員卻看到時(shí)鐘是準(zhǔn)確的 C.在地面上的人看來,以10 km/s的速度運(yùn)動(dòng)的飛船在運(yùn)動(dòng)方向上會(huì)變窄,而飛船中的宇航員卻感覺到地面上的人看起來比飛船中的人扁一些 D.當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)的速度vc時(shí),“時(shí)間膨脹”和“長度收縮”效果可忽略不計(jì),1 2 3 4 5,5.導(dǎo)學(xué)號38190144(選做題) 如圖所示,某車沿水平方向高速行駛,車廂中央的光源發(fā)出一個(gè)閃光,閃光照到了車廂的前、后壁,則地面上的觀察者認(rèn)為該閃光 (選填“先到達(dá)前壁”“先到達(dá)后壁”或“同時(shí)到達(dá)前后壁”),同時(shí)他觀察到車廂的長度比靜止時(shí)變 (選填“長”或“短”)了。 解析:地面上的觀察者認(rèn)為地面是一個(gè)慣性系,閃光向前、后傳播的速度相對地面是相同的,但是在閃光飛向兩壁的過程中,車廂向前行進(jìn)了一段距離,所以向前的光傳播的路程長些,到達(dá)前壁的時(shí)間也就晚些,即地面上的觀察者認(rèn)為該閃光先到達(dá)后壁。根據(jù)長度的相對性可知:一條沿自身長度方向運(yùn)動(dòng)的桿,其長度總比桿靜止時(shí)的長度小。故可以得出觀察者觀察到車廂的長度比靜止時(shí)變短。 答案:先到達(dá)后壁 短,1 2 3 4 5,