高中物理 第五章 相對(duì)論 第一節(jié) 狹義相對(duì)論的基本原理 第二節(jié) 時(shí)空相對(duì)性學(xué)案（含解析）粵教版選修3-4

《高中物理 第五章 相對(duì)論 第一節(jié) 狹義相對(duì)論的基本原理 第二節(jié) 時(shí)空相對(duì)性學(xué)案（含解析）粵教版選修3-4》由會(huì)員分享，可在線(xiàn)閱讀，更多相關(guān)《高中物理 第五章 相對(duì)論 第一節(jié) 狹義相對(duì)論的基本原理 第二節(jié) 時(shí)空相對(duì)性學(xué)案（含解析）粵教版選修3-4（6頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 第一節(jié)　狹義相對(duì)論的基本原理 第二節(jié)　時(shí)空相對(duì)性 學(xué)習(xí)目標(biāo) 重點(diǎn)難點(diǎn) 1．能說(shuō)出相對(duì)論誕生的歷史背景． 2．能說(shuō)出經(jīng)典的相對(duì)性原理及其與電磁規(guī)律之間的矛盾． 3．能記住狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)的內(nèi)容，能說(shuō)出愛(ài)因斯坦建立相對(duì)論的科學(xué)探究思想和邏輯推理方法． 重點(diǎn)：狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)． 難點(diǎn)：對(duì)“同時(shí)”的相對(duì)性的理解．對(duì)時(shí)間間隔的相對(duì)性和長(zhǎng)度的相對(duì)性的理解． 一、伽利略相對(duì)性原理： 力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的． 二、狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)： 1．狹義相對(duì)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； 2．光速不變?cè)? 真空中的光速

2、在不同的慣性參考系中是相同的，光速與光源、觀察者間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)沒(méi)有關(guān)系． 三、時(shí)間和空間的相對(duì)性 1．“同時(shí)”的相對(duì)性 “同時(shí)”是相對(duì)的．在一個(gè)參考系中看來(lái)“同時(shí)”的，在另一個(gè)參考系中卻可能“不同時(shí)”的． 2．長(zhǎng)度的相對(duì)性 一條沿自身長(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng)的桿，其長(zhǎng)度總比靜止時(shí)的長(zhǎng)度?。磍′＝l0式中l(wèi)是沿桿運(yùn)動(dòng)方向的長(zhǎng)度，l0是桿靜止時(shí)的長(zhǎng)度． 3．時(shí)間間隔的相對(duì)性 從地面上觀察，高速運(yùn)動(dòng)的飛船上時(shí)間進(jìn)程變慢，飛船上的人則感覺(jué)地面上的時(shí)間進(jìn)程變慢． Δt′＝Δt式中Δt′是運(yùn)動(dòng)的參考系中測(cè)得的兩事件的時(shí)間間隔，Δt是靜止的參考系中測(cè)得的兩事件的時(shí)間間隔． 四、相對(duì)論的時(shí)空觀 1．經(jīng)

3、典物理學(xué)的時(shí)空觀 經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為時(shí)間和空間是脫離物質(zhì)而存在的，是絕對(duì)的，時(shí)間和空間之間也是沒(méi)有聯(lián)系的． 2．相對(duì)論的時(shí)空觀 相對(duì)論認(rèn)為有物質(zhì)才有時(shí)間和空間，時(shí)間和空間與物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，因而時(shí)間與空間并不是相互獨(dú)立的． 預(yù)習(xí)交流 學(xué)生討論：什么是慣性系？什么是非慣性系？ 答案：牛頓運(yùn)動(dòng)定律能夠成立的參考系叫慣性系，勻速運(yùn)動(dòng)的汽車(chē)、輪船等作為參考系就是慣性系．牛頓運(yùn)動(dòng)定律不成立的參考系稱(chēng)為非慣性系，例如我們坐在加速的車(chē)廂里，以車(chē)廂為參考系觀察路邊的樹(shù)木、房屋向后方加速運(yùn)動(dòng)，根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律，房屋、樹(shù)木應(yīng)該受到不為零的合外力作用，但事實(shí)上沒(méi)有，也就是牛頓運(yùn)動(dòng)定律不成立，這里加速的車(chē)廂

4、就是非慣性系． 相對(duì)于一個(gè)慣性系做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的另一個(gè)參考系也是慣性系． 一、對(duì)狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)的理解 1．如何理解經(jīng)典相對(duì)性原理？ 答案：（1）慣性系：如果牛頓運(yùn)動(dòng)定律在某個(gè)參考系中成立，這個(gè)參考系叫做慣性系，相對(duì)一個(gè)慣性系做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的另一個(gè)參考系也是慣性系． （2）這里的力學(xué)規(guī)律是指“經(jīng)典力學(xué)規(guī)律”． （3）本原理可以有不同表示，比如：在一個(gè)慣性系內(nèi)進(jìn)行的任何力學(xué)實(shí)驗(yàn)都不能判斷這個(gè)慣性系是否對(duì)于另一個(gè)慣性系做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)；或者說(shuō)，任何慣性參考系都是平權(quán)的． 2．對(duì)光速不變?cè)砣绾卫斫猓? 答案：我們經(jīng)常講速度是相對(duì)的，參考系選取不同，速度也不同，這是經(jīng)

5、典力學(xué)中速度的概念，但是1887年邁克耳孫—莫雷實(shí)驗(yàn)中證明的結(jié)論是：不論取怎樣的參考系，光速都是一樣的，也就是說(shuō)光速的大小與選取的參考系無(wú)關(guān)，光的速度是從麥克斯韋方程組中推導(dǎo)出來(lái)的，它沒(méi)有任何前提條件，所以這個(gè)速度不是指相對(duì)某個(gè)參考系的速度． 3．學(xué)生討論：試述當(dāng)經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀遇到光速不變的實(shí)驗(yàn)事實(shí)這一困難時(shí)，愛(ài)因斯坦是如何解決的，它的意義如何． 答案：愛(ài)因斯坦提出了兩條基本假設(shè)即愛(ài)因斯坦相對(duì)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．“光速不變?cè)怼保翰还茉谀膫€(gè)慣性系中，測(cè)得的真空中的光速都相同．兩條基本假設(shè)的提出解決了光速不變的困難．同時(shí)為狹義相對(duì)論的建立奠定了基礎(chǔ)，使得人們

6、的時(shí)空觀發(fā)生了重大的變革，使得看似毫無(wú)聯(lián)系的時(shí)間與空間緊密地聯(lián)系在了一起． 分析下列幾種說(shuō)法： （1）所有慣性系統(tǒng)對(duì)物理基本規(guī)律都是等價(jià)的． （2）在真空中，光的速度與光的頻率、光源的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)． （3）在任何慣性系中，光在真空中沿任何方向的傳播速度都相同． 關(guān)于上述說(shuō)法（　　）． A．只有（1）（2）是正確的 B．只有（1）（3）是正確的 C．只有（2）（3）是正確的 D．三種說(shuō)法都是正確的 答案：D 解析：狹義相對(duì)論認(rèn)為：物體所具有的一些物理量可以因所選參考系的不同而不同，但它們?cè)诓煌膮⒖枷抵兴駨牡奈锢硪?guī)律卻是相同的，即（1）（2）都是正確的．“光速不變?cè)?/p>

7、”認(rèn)為：在不同的慣性參考系中，光在真空中沿任何方向的傳播速度都是相同的．（3）正確． 對(duì)兩個(gè)基本原理的正確理解： 1．自然規(guī)律不僅包括力學(xué)規(guī)律，還包括電磁學(xué)規(guī)律等其他所有的物理學(xué)規(guī)律． 2．強(qiáng)調(diào)真空中的光速不變，指大小既不依賴(lài)于光源或觀察者的運(yùn)動(dòng)，也不依賴(lài)于光的傳播方向． 3．幾十年來(lái)科學(xué)家采用各種先進(jìn)的物理技術(shù)測(cè)量光速，結(jié)果都不違背光速不變?cè)恚? 二、對(duì)“同時(shí)”相對(duì)性的理解 1．怎樣理解同時(shí)的相對(duì)性？ 答案：同時(shí)是指兩個(gè)事件發(fā)生的時(shí)刻是相同的，“相同”是觀察者得出的結(jié)論，不同的觀察者觀察到的結(jié)果是不“相同”的． 2．怎樣理解時(shí)間間隔的相對(duì)性？ 答案：運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘變慢：時(shí)鐘

8、相對(duì)于觀察者靜止時(shí)，走得快；相對(duì)于觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者會(huì)看到它變慢了，運(yùn)動(dòng)速度越快，效果越明顯，即運(yùn)動(dòng)著的時(shí)鐘變慢． 3．怎樣理解經(jīng)典時(shí)空觀與相對(duì)論時(shí)空觀的區(qū)別？ 答案：經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀：絕對(duì)的真實(shí)的數(shù)學(xué)時(shí)間，就其本質(zhì)而言，是永遠(yuǎn)均勻地流逝，與任何外界無(wú)關(guān)；絕對(duì)空間就其本質(zhì)而言是與任何外界事物無(wú)關(guān)的，它從不運(yùn)動(dòng)，并且永遠(yuǎn)不變．經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀的幾個(gè)具體結(jié)論： （1）同時(shí)的絕對(duì)性：在一個(gè)參考系中的觀察者在某一時(shí)刻觀測(cè)到兩個(gè)事件．對(duì)另一參考系中的觀察者來(lái)說(shuō)是同時(shí)發(fā)生的，即同時(shí)性與觀察者做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)無(wú)關(guān)． （2）時(shí)間間隔的絕對(duì)性：任何事件所經(jīng)歷的時(shí)間，在不同的參考系中測(cè)量都是相同的，而與

9、參考系的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)． （3）空間距離的絕對(duì)性：如果各個(gè)參考系中用來(lái)測(cè)量長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)相同，那么空間兩點(diǎn)的距離也就有絕對(duì)不變的量值，而與參考系的選擇無(wú)關(guān)． 相對(duì)論時(shí)空觀：空間的大小、時(shí)間流逝的快慢都與物體運(yùn)動(dòng)的速度有關(guān)． 4．如圖所示：車(chē)廂長(zhǎng)為L(zhǎng)，正以速度v勻速向右運(yùn)動(dòng)，車(chē)廂底面光滑，兩只完全相同的小球，從車(chē)廂中點(diǎn)以相同的速率v0相對(duì)于車(chē)廂分別向前后勻速運(yùn)動(dòng)． （1）在車(chē)廂內(nèi)的觀察者看來(lái)，兩球是否同時(shí)到達(dá)兩壁？ （2）在地面上的觀察者看來(lái)，兩球是否同時(shí)到達(dá)兩壁？ 答案：（1）在車(chē)廂內(nèi)的觀察者看來(lái)，兩球同時(shí)到達(dá)兩壁． （2）在地面上的觀察者看來(lái)，兩球不同時(shí)到達(dá)兩壁． 解析：（1）在車(chē)

10、上的觀察者看來(lái)，A球經(jīng)時(shí)間tA＝＝到達(dá)后壁，B球經(jīng)時(shí)間tB＝＝到達(dá)前壁，因此兩球同時(shí)到達(dá)前后壁． （2）在地面上的觀察者看來(lái)，A球經(jīng)時(shí)間tA′＝＝到達(dá)后壁，B球經(jīng)時(shí)間tB′＝＝到達(dá)前壁，因此兩球不同時(shí)到達(dá)前后壁． 如圖所示，在地面上M點(diǎn)固定一光源，在離光源等距離的A、B兩點(diǎn)上固定有兩個(gè)光接收器，今使光源發(fā)出一閃光，問(wèn)： （1）在地面參考系中觀測(cè)，誰(shuí)先接收到光信號(hào)？ （2）在沿AB方向高速運(yùn)動(dòng)的火車(chē)參考系中觀測(cè)，誰(shuí)先接收到光信號(hào)？ 答案：（1）同時(shí)收到　（2）B先接收到 解析：（1）因光源離A、B兩點(diǎn)等距，光向A、B兩點(diǎn)傳播的速度相等，則光到達(dá)A、B兩點(diǎn)，所需要的時(shí)間相等，即

11、在地面參考系中觀測(cè)，兩接收器同時(shí)收到光信號(hào)． （2）對(duì)于火車(chē)參考系來(lái)說(shuō)，光源和A、B兩接收器都沿BA方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)光源發(fā)出的光向A、B傳播時(shí)，A和B都沿BA方向運(yùn)動(dòng)了一段距離到達(dá)A′，B′，如圖所示，所以光到達(dá)A′的距離長(zhǎng)，到達(dá)B′的距離短，即在火車(chē)參考系中觀測(cè)，B比A先收到光信號(hào)． 1．經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為，同時(shí)發(fā)生的兩件事在任何參考系中觀察，結(jié)果都是同時(shí)的． 2．相對(duì)論觀點(diǎn)認(rèn)為，“同時(shí)”是相對(duì)的，在一個(gè)參考系中看來(lái)是“同時(shí)”的，在另一個(gè)參考系中卻可能是“不同時(shí)”的． 三、長(zhǎng)度的相對(duì)性 如圖所示，地面上的人看到桿的M、N兩端發(fā)出的光同時(shí)到達(dá)他的眼睛，他讀出N、M的坐標(biāo)之差為l，即地

12、面上的觀察者測(cè)得桿的長(zhǎng)度為l0，若在向右勻速運(yùn)動(dòng)的車(chē)上的觀察者測(cè)得的桿長(zhǎng)為l，則l和l0是否相等？為什么？ 答案：不相等，l0＞l，因?yàn)檐?chē)上的觀察者看到N端先發(fā)光，而M端后發(fā)光，車(chē)上的觀察者測(cè)得的長(zhǎng)度l比地上的觀察者測(cè)得的長(zhǎng)度l0小，這是因?yàn)橥瑫r(shí)的相對(duì)性導(dǎo)致了長(zhǎng)度的相對(duì)性．嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)告訴我們l0和l之間的關(guān)系為l＝l0，可見(jiàn)總有l(wèi)＜l0． 在一飛船上測(cè)得飛船的長(zhǎng)度為100 m，高度為10 m．當(dāng)飛船以0.60c的速度從你身邊經(jīng)過(guò)時(shí)，按你的測(cè)量，飛船有多高、多長(zhǎng)？ 答案：10 m　80 m 解析：因?yàn)殚L(zhǎng)度收縮只發(fā)生在運(yùn)動(dòng)的方向上，與運(yùn)動(dòng)垂直的方向上沒(méi)有這種效應(yīng)，故測(cè)得的飛船的

13、高度仍為原來(lái)高度10 m．設(shè)飛船原長(zhǎng)為l0，觀測(cè)到飛船的長(zhǎng)度為l，則根據(jù)尺縮效應(yīng)有l(wèi)＝l0＝100×m＝80 m 所以觀測(cè)到飛船的高度和長(zhǎng)度分別為10 m、80 m． 1．在垂直于運(yùn)動(dòng)方向上，桿的長(zhǎng)度沒(méi)有變化． 2．這種長(zhǎng)度的變化是相對(duì)的，如果兩條平行的桿在沿自己的長(zhǎng)度方向上做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，與它們一起運(yùn)動(dòng)的兩位觀察者都會(huì)認(rèn)為對(duì)方的桿縮短了． 3．由l＝l0知v越小長(zhǎng)度的變化越?。? 四、時(shí)間間隔的相對(duì)性 一列高速火車(chē)上發(fā)生兩個(gè)事件：假定車(chē)廂上安裝著一個(gè)墨水罐，它每隔一定時(shí)間滴出一滴墨水．墨水在t1、t2兩個(gè)時(shí)刻在地上形成P、Q兩個(gè)墨點(diǎn)，設(shè)車(chē)上的觀察者測(cè)得兩事件間隔為Δt，地面上的觀察

14、者測(cè)得兩事件間隔為Δt′，車(chē)廂勻速前進(jìn)的速度為v，試比較Δt′和Δt的大?。? 答案：Δt＞Δt′ 解析：車(chē)上觀察者認(rèn)為兩個(gè)事件的時(shí)間間隔：Δt＝t2－t1 地面觀察者認(rèn)為兩個(gè)事件的時(shí)間間隔：Δt′＝t2′－t1′ 根據(jù)公式l＝l0，通過(guò)一定的數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以得出：Δt′＝Δt，即Δt＞Δt′ 一對(duì)孿生兄弟，出生后甲乘高速飛船去旅行，測(cè)量出自己飛行30年回到地面上，乙在地面上生活，問(wèn)甲回來(lái)時(shí)30歲，乙這時(shí)是多少歲？（已知飛船速度v＝c） 答案：60歲 解析：飛船中的甲經(jīng)時(shí)間Δt′＝30年，地面上的乙經(jīng)過(guò)的時(shí)間為Δt＝＝年＝60年，可見(jiàn)乙這時(shí)60歲了． 1．由“同時(shí)”的相對(duì)性引起了

15、長(zhǎng)度的相對(duì)性．從而引起了時(shí)間的相對(duì)性． 2．由Δt′＝Δt知，v越大，Δt′越短． 1．某地發(fā)生洪澇災(zāi)害，災(zāi)情緊急，特派一飛機(jī)前往，飛機(jī)在某高度做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，投放一包救急品，災(zāi)民看到物品做曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，飛行員看到物品做自由落體運(yùn)動(dòng)，物品剛好落到災(zāi)民救濟(jì)處，根據(jù)經(jīng)典時(shí)空觀，則下列說(shuō)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 答案：BD 解析：物品投放后，僅受重力作用，飛行員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(duì)；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，

16、D也對(duì)． 2．如圖所示，強(qiáng)強(qiáng)乘速度為0.9c（c為真空中的光速）的宇宙飛船追趕正前方的壯壯，壯壯的飛行速度為0.5c，強(qiáng)強(qiáng)向壯壯發(fā)出一束光進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，則壯壯觀測(cè)到該光束的傳播速度為（　　）． A．0.4c B．0.5c C．0.9c D．1.0c 答案：D 解析：根據(jù)愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論，在一切慣性系中，光在真空中的傳播速度都等于c．故選項(xiàng)D正確． 3．麥克耳孫—莫雷實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了以下哪些結(jié)論（　?。? A．以太不存在 B．光速的合成滿(mǎn)足經(jīng)典力學(xué)法則 C．光速不變 D．光速是相對(duì)的，與參考系的選取有關(guān) 答案：AC 解析：麥克耳孫—莫雷實(shí)驗(yàn)證明了

17、光速不變的原理，同時(shí)也說(shuō)明以太是不存在的． 4．假設(shè)地面上有一火車(chē)以接近光速的速度運(yùn)行，車(chē)內(nèi)站立著一個(gè)中等身材的人，站在路旁的人觀察車(chē)?yán)锏娜?，觀察的結(jié)果是（　?。? A．這個(gè)人是一個(gè)矮胖子 B．這個(gè)人是一個(gè)瘦高個(gè)子 C．這個(gè)人矮但不胖 D．這個(gè)人瘦但不高 答案：D 解析：取路旁的人為慣性系，車(chē)上的人相對(duì)于路旁的人高速運(yùn)動(dòng)，根據(jù)尺縮效應(yīng)，人在運(yùn)動(dòng)方向上將變窄，但在垂直于運(yùn)動(dòng)方向上沒(méi)有發(fā)生變化，故選D． 5．以8 km/s的速度運(yùn)行的人造衛(wèi)星上一只完好的手表走過(guò)了1 min，地面上的人認(rèn)為它走過(guò)這1 min“實(shí)際”上花了多少時(shí)間？ 答案：（1＋3.6×10－10）min 解析：衛(wèi)星上觀測(cè)到的時(shí)間為Δt′＝1 min，衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的速度v＝8×103 m/s，所以地面上觀測(cè)到的時(shí)間為 Δt＝＝min ＝（1＋3.6×10－10）min． 6