粵教版選修34 狹義相對論的基本原理 第1課時(shí) 學(xué)案.docx

第一節(jié)狹義相對論的基本原理第二節(jié)時(shí)空相對性課 標(biāo) 導(dǎo) 思1.知道經(jīng)典的相對性原理，知道狹義相對論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和它的兩個(gè)基本假設(shè).2.知道狹義相對論的幾個(gè)主要結(jié)論.3.了解經(jīng)典時(shí)空觀與相對論時(shí)空觀的主要區(qū)別，體會相對論的建立對人類認(rèn)識世界的影響. 學(xué)生p62一、狹義相對論的基本原理1愛因斯坦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2光速不變原理真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的，與光源的運(yùn)動和觀察者的運(yùn)動無關(guān)二、“同時(shí)”的相對性狹義相對論的時(shí)空觀認(rèn)為：同時(shí)是相對的，即在一個(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)慣性系中不一定是同時(shí)的三、時(shí)空相對性1時(shí)間間隔的相對性在一個(gè)對速度v勻速前進(jìn)的車廂頂部有一平面鏡，正下方有一光源(閃光光源)，車頂?shù)焦庠淳嚯x為h，對火車上的人來說，光從光源經(jīng)平面鏡回到光源所經(jīng)過的時(shí)間為t.對于地面上的人來說，光通過的路程為ct，由勾股定理可得，()2()2h2，所以t，因?yàn)?t.上面的式子具有普遍意義，當(dāng)從地面觀測高速運(yùn)行的火車時(shí)，車上的時(shí)間進(jìn)程變慢了，不僅時(shí)間變慢了，物理、化學(xué)過程和生命的過程都變慢了。這就是時(shí)間間隔的相對性，也稱“時(shí)間膨脹”2空間距離的相對性當(dāng)物體在沿長度方向上的運(yùn)動速度為v時(shí)，在運(yùn)動的慣性系中測得物體的長度為l，在靜止的慣性系中測得物體的長度為l，則由狹義相對論會得出如下關(guān)系式：ll，由于1，所以總有l(wèi)l.上式表明當(dāng)物體相對于觀察者運(yùn)動時(shí)，在運(yùn)動方向上，觀察者認(rèn)為它的長度要縮短，嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)表明垂直于運(yùn)動方向的長度則不會發(fā)生變化四、相對論的時(shí)空觀相對論認(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)動狀態(tài)有關(guān)，因而時(shí)間與空間并不是相互獨(dú)立的 學(xué)生p62一、對慣性系和非慣性系的認(rèn)識1慣性系牛頓運(yùn)動定律能夠成立的參考系牛頓運(yùn)動定律在某個(gè)參考系中成立，這個(gè)參考系叫慣性系，相對于這個(gè)慣性系做勻速運(yùn)動的另一個(gè)參考系也是慣性系2非慣性系牛頓運(yùn)動定律不能成立的參考系例如我們坐在加速運(yùn)動的車廂里，以車廂為參考系觀察路邊的樹木房屋向后方加速運(yùn)動，根據(jù)牛頓運(yùn)動定律，房屋樹木應(yīng)該受到不為零的合外力作用，但事實(shí)上沒有，也就是牛頓運(yùn)動定律不成立這里加速運(yùn)動的車廂就是非慣性系二、相對性原理與電磁規(guī)律分析根據(jù)麥克斯韋的電磁場理論可以直接得到真空中電磁波的速度是光速c，那么此速度相對于哪個(gè)參考系？如果它相對于參考系s是正確的，另外還有一個(gè)參考系s，s相對于s以速度v運(yùn)動，若依據(jù)速度合成法則，光相對于s的速度應(yīng)是cv，或者是cv，而不是c，若是cv，這不是就存在“超光速”了？事實(shí)上由相對論可知，光速為極限速度，是不變的，因此伽利略速度合成法則在這里是不適用的三、對同時(shí)的相對性、時(shí)間間隔相對性和空間距離相對性的理解1“同時(shí)”的相對性理解狹義相對論的時(shí)空觀認(rèn)為：同時(shí)是相對的，即在一個(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)慣性系中不一定是同時(shí)的，用愛因斯坦列車加以說明：如圖511所示，火車以v勻速直線運(yùn)動，車廂中央有一閃光燈發(fā)出光信號，光信號到車廂前壁為事件1，到后壁為事件2；地面為s系，列車為s系圖511在s系中，a以速度v向光接近，b以速度v離開光，事件1與事件2同時(shí)發(fā)生在s系中，光信號相對車廂的速度v1cv，v2cv，事件1與事件2不是同時(shí)發(fā)生即s系中同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，在s系中觀察卻不是同時(shí)發(fā)生的，因此，“同時(shí)”具有相對性2時(shí)間延緩的理解(1)如圖512所示，k系中，a處有閃光光源及時(shí)鐘c.m為反射鏡，k系相對k系以速度v向右運(yùn)動圖512第一事件：閃光從a發(fā)出；第二事件：經(jīng)反射返回a.k系中t；k系中t；解之，可得t可見，在運(yùn)動參考系中觀測，事物變化過程的時(shí)間間隔變大了，這叫做狹義相對論中的時(shí)間膨脹(動鐘變慢)(2)時(shí)間延緩效應(yīng)的理解時(shí)間延緩效應(yīng)的來源是光速不變原理時(shí)間延緩效應(yīng)是時(shí)空的一種屬性；在運(yùn)動參考系中的時(shí)間節(jié)奏變緩慢了(一切物理過程、化學(xué)過程乃至觀察者自已的生命節(jié)奏變慢了)運(yùn)動是相對的固有時(shí)間：在某個(gè)參考系中，同一地點(diǎn)先后發(fā)生了兩個(gè)事件，用固定的該參考系中的鐘來測定兩事件的時(shí)間間隔稱為兩事件的靜止時(shí)間或固有時(shí)間，也稱原時(shí)日常生活中的時(shí)間延緩效應(yīng)可以忽略，在運(yùn)動速度接近光速時(shí)，則變得特別重要3對長度收縮的理解觀察者與被測物體有相對運(yùn)動時(shí)，長度的測量值等于其原長的 倍，即物體沿運(yùn)動方向縮短了，這就是洛倫茲收縮(長度縮短)(1)觀察運(yùn)動的物體其長度要收縮，收縮只出現(xiàn)在運(yùn)動方向固有長度值最大如圖513所示圖513(2)低速空間相對論效應(yīng)可忽略(3)長度收縮是相對的，k系認(rèn)為靜止在k系中的尺收縮，反之，k系認(rèn)為靜止在k系中的尺收縮4時(shí)空相對性的驗(yàn)證時(shí)空相對性的最早證據(jù)跟宇宙線的觀測有關(guān)如子，壽命為3.0 s，宇宙線中的子速度約為0.99 c，子生成的高度在100 km以上，雖然它只能飛行約890 m，但實(shí)際上，地面觀測到的宇宙線中有許多子，對此現(xiàn)象解釋如下：從地面觀察者來看，子在以接近光速的速度運(yùn)動，它的壽命比與子靜止的參考系中的3.0 s要長得多，在這樣長的時(shí)間內(nèi)，許多子可以飛到地面從與子一起運(yùn)動的觀察者來看，子壽命仍是3.0 s，但大地正向他撲面而來，因此大氣層的厚度不是100 km，而是比100 km薄得多，許多子在衰變?yōu)槠渌Ｗ忧翱梢燥w過這樣的距離一、對狹義相對性原理的理解及應(yīng)用下列說法中正確的是()a在以c的速度豎直向上升空的火箭上向前發(fā)出的光，對地速度一定比c大b在以c的速度豎直向上升空的火箭上向后發(fā)出的光，對地速度一定比c小c在以c的速度豎直向上升空的火箭上沿水平方向發(fā)出的光對地速度為cd在以c的速度豎直向上升空的火箭上向任一方向發(fā)出的光對地速度都為c【導(dǎo)析】根據(jù)“光速不變原理”進(jìn)行分析【解析】根據(jù)狹義相對論的基本原理中的“光速不變原理”可知，真空中的光速相對于火箭的速度為c，相對地面的速度也為c，對于不同的慣性系光速是相同的，因此，正確的選項(xiàng)為c、d.【答案】cd本題易誤選a、b，原因是按經(jīng)典力學(xué)的相對性原理分析得出的，這與狹義相對論中“光速不變原理”相矛盾. 1火箭以0.75c的速度離開地球，從火箭上向地球發(fā)射一個(gè)光信號火箭上測得光離開的速度是c，根據(jù)過去熟悉的速度合成法則，光到達(dá)地球時(shí)地球上測得的光速是多少？根據(jù)狹義相對性原理呢？【解析】根據(jù)過去熟悉的速度合成法則，光相對于地球的速度是：vc0.75c0.25c.而根據(jù)狹義相對性原理，光速與光源、觀察者之間的相對運(yùn)動沒有關(guān)系，光速仍為c.【答案】0.25cc二、對空間距離的相對應(yīng)的理解及應(yīng)用如圖516，假設(shè)一根10 m長的梭鏢以光速穿過一根10 m長的管子，它們的長度都是在靜止?fàn)顟B(tài)下測量的以下敘述中最好的描述了梭鏢穿過管子的情況的是()圖516a梭鏢收縮變短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它b管子收縮變短，因此在某些位置上，梭鏢從管子的兩端伸出來c兩者都收縮，且收縮量相等，因此在某個(gè)位置，管子恰好遮住梭鏢d所有這些都與觀察者的運(yùn)動情況有關(guān)【導(dǎo)析】“尺縮”效應(yīng)公式ll中的l和l是具有相對性的，到底是管子收縮變短還是梭鏢收縮變短，要看觀察者所處的參考系【解析】如果你是在相對于管子靜止的參考系中觀察運(yùn)動著的梭鏢，那么梭鏢看起來就比管子短，在某些位置梭鏢會完全處在管子內(nèi)部然而當(dāng)你和梭鏢一起運(yùn)動時(shí)，你看到的管子就縮短了，所以在某些位置，你可以看到梭鏢兩端都伸出管子故選d.【答案】d只有與梭鏢或管子有相對運(yùn)動的觀察者才能“觀測”到其長度的變化，這樣才能進(jìn)行判斷，所以一定不能以“長度收縮效應(yīng)”直接判斷物體變短. 2地面上長100 km的鐵道上空有一火箭沿鐵道方向以30 km/s的速度掠過，則火箭上的人看到鐵道的長度應(yīng)為多少？如果火箭的速度達(dá)到0.6c，則火箭上的人看到的鐵道的長度又是多少？【解析】當(dāng)火箭速度較低時(shí)，長度基本不變?yōu)?00 km.當(dāng)火箭速度達(dá)到0.6c時(shí)，代入ll0中，得l100 km80 km.【答案】100 km80 km三、對時(shí)間間隔相對性的理解半人馬星座a星是離太陽系最近的恒星，它距地球4.31016 m設(shè)有一宇宙飛船自地球往返于半人馬星座a星之間若宇宙飛船的速度為0.999c，按地球上的時(shí)鐘計(jì)算，飛船往返一次需多少時(shí)間？若以飛船上的時(shí)鐘計(jì)算，往返一次需要的時(shí)間又是多少？【導(dǎo)析】根據(jù)時(shí)間間隔的相對性分析、計(jì)算【解析】以地球上的時(shí)鐘計(jì)算，則t s2.87108 s.若以飛船上的時(shí)鐘計(jì)算，則tt t 1.28107 s【答案】2.87108 s1.28107 s對不同的參考系，時(shí)間間隔是不同的，利用公式tt 計(jì)算時(shí)，一定要弄清楚各量的意義，切不可亂套公式. 1下列哪些不是“相對論”的內(nèi)容()a狹義相對性原理b“尺縮效應(yīng)”c時(shí)鐘變慢d質(zhì)量不變，因?yàn)樗俏矬w的固有屬性，與運(yùn)動狀態(tài)無關(guān)【解析】d項(xiàng)內(nèi)容屬于經(jīng)典力學(xué)【答案】d2下列對經(jīng)典力學(xué)的評價(jià)，正確的是()a經(jīng)典力學(xué)揭示的自然界的運(yùn)動規(guī)律，是不正確的b經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀符合我們周圍的客觀事實(shí)，是完全正確的c經(jīng)典力學(xué)只適用于宏觀低速現(xiàn)象d經(jīng)典力學(xué)既然有誤，就不能再用來解決我們?nèi)粘Ｉ钪械膯栴}了【解析】經(jīng)典力學(xué)運(yùn)用于低速、宏觀世界，相對論運(yùn)用于高速、微觀世界日常生活中經(jīng)典力學(xué)是適用的【答案】c3下列哪些說法符合狹義相對論的假設(shè)()a在不同的慣性系中，一切力學(xué)規(guī)律都是相同的b在不