2　時(shí)間和空間的相對(duì)性.docx

相對(duì)論簡(jiǎn)介相對(duì)論的誕生 時(shí)間和空間的相對(duì)性一、相對(duì)論的誕生1經(jīng)典相對(duì)性原理(1)慣性系：_成立的參考系。相對(duì)于一個(gè)慣性系做_的另一個(gè)參考系，也是慣性系。(2)伽利略相對(duì)性原理：力學(xué)規(guī)律在任何_中都是相同的。2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_的。(2)光速不變?cè)恚赫婵罩械墓馑僭诓煌膽T性參考系中都是_的。二、時(shí)間和空間的相對(duì)性1“同時(shí)”的相對(duì)性(1)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_的。(2)相對(duì)論的時(shí)空觀：“同時(shí)”具有相對(duì)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(zhǎng)度”的相對(duì)性(1)經(jīng)典的時(shí)空觀：一條桿的長(zhǎng)度不會(huì)因?yàn)橛^察者是否與桿做_而不同。(2)相對(duì)論的時(shí)空觀：“長(zhǎng)度”也具有相對(duì)性，一條沿自身長(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng)的桿，其長(zhǎng)度總比桿靜止時(shí)的長(zhǎng)度_。設(shè)與桿相對(duì)靜止的觀察者認(rèn)為桿的長(zhǎng)度為l0，與桿有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的人認(rèn)為桿的長(zhǎng)度為l，則兩者之間的關(guān)系是：l_。3時(shí)間間隔的相對(duì)性(1)經(jīng)典的時(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)間間隔總是_的。(2)相對(duì)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_的。設(shè)表示相對(duì)事件發(fā)生地靜止的慣性系中觀測(cè)的時(shí)間間隔，t表示相對(duì)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：t 4相對(duì)論時(shí)空觀(1)經(jīng)典時(shí)空觀：空間和時(shí)間是脫離物質(zhì)存在的，是_的，空間和時(shí)間之間也是_聯(lián)系的。(2)相對(duì)論時(shí)空觀：空間和時(shí)間與物質(zhì)的_有關(guān)。嘗試想一想1如何判斷一個(gè)參考系是慣性參考系還是非慣性參考系？提示：我們通常選大地是慣性參考系，相對(duì)于地面靜止或做勻速運(yùn)動(dòng)的物體都是慣性參考系；相對(duì)于地面做變速運(yùn)動(dòng)的物體都是非慣性參考系。2光速不變已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，為何仍叫“假設(shè)”呢？提示：雖然實(shí)驗(yàn)表明了假設(shè)所說的內(nèi)容，但這終歸是有限的幾次實(shí)驗(yàn)。只有在從這兩個(gè)假設(shè)出發(fā)，經(jīng)過邏輯推理(包括數(shù)學(xué)推導(dǎo))所得出的大量結(jié)論都與事實(shí)相符時(shí)，它們才能成為真正意義上的原理。3運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘變慢是不是因?yàn)闀r(shí)鐘的構(gòu)造因運(yùn)動(dòng)而發(fā)生了改變？提示：運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘變慢是在兩個(gè)不同的慣性系中進(jìn)行時(shí)間比較的一種效應(yīng)，并非鐘的結(jié)構(gòu)因運(yùn)動(dòng)發(fā)生了改變。要點(diǎn)一相對(duì)論的誕生1.經(jīng)典的相對(duì)性原理(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)慣性系做勻速直線運(yùn)動(dòng)的另一個(gè)參考系也是慣性系。(2)相對(duì)性原理的三種表述表述一：力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的。表述二：在一個(gè)慣性參考系內(nèi)進(jìn)行的任何力學(xué)實(shí)驗(yàn)都不能判斷這個(gè)慣性系是否相對(duì)于另一個(gè)慣性系做勻速直線運(yùn)動(dòng)。表述三：任何慣性參考系都是平權(quán)的。2相對(duì)性原理與電磁規(guī)律在經(jīng)典力學(xué)中如果某一慣性系相對(duì)另一慣性系的速度為v，在此慣性系中有一物體速度為c，那么，此物體相對(duì)另一慣性系的速度是cv嗎？根據(jù)伽利略相對(duì)性原理答案是肯定的，但是這種答案被邁克耳孫莫雷的實(shí)驗(yàn)否定了。邁克耳孫莫雷實(shí)驗(yàn)證明了光速是不變的。這和傳統(tǒng)的速度合成法則是矛盾的。3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)恚赫婵罩械墓馑僭诓煌膽T性參考系中都相同。這兩個(gè)假設(shè)是邁克耳孫莫雷的直接結(jié)論，但由于是有限的幾次實(shí)驗(yàn)的結(jié)論，還要大量的實(shí)驗(yàn)來證明，還要經(jīng)過邏輯推理的大量結(jié)論來驗(yàn)證才能成為真正的原理。4兩個(gè)相對(duì)性原理的區(qū)別對(duì)于伽利略相對(duì)性原理來說，參考系中的坐標(biāo)單位與參考系的運(yùn)動(dòng)無關(guān)；參考系中的時(shí)間與參考系的運(yùn)動(dòng)無關(guān)。其速度合成規(guī)律應(yīng)滿足vvu。v是某個(gè)慣性系相對(duì)另一個(gè)慣性系的速度，u是物體相對(duì)某個(gè)慣性系的速度，那么，物體相對(duì)另一個(gè)慣性系的速度為vvu。以此類推，若u是光速c，則在某個(gè)慣性系的光速相對(duì)于另一個(gè)慣性系的速度為vvc，那么，光速是可以變大或變小的(在真空中)。對(duì)于狹義相對(duì)論的相對(duì)性原理來說，力學(xué)規(guī)律對(duì)慣性系來說都是相同的，但是光速是不變的。由于光速是不變的，造成了與經(jīng)典理論一些不同的結(jié)論。這些結(jié)論在低速的世界里是不易搞清的，但從天體的物理現(xiàn)象中卻得到了證實(shí)。探究提升1如何理解光速不變?cè)?？提示：我們?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)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：不論取什么樣的參考系，光速都是一樣的，也就是說光速的大小與選取的參考系無關(guān)，光的速度是從麥克斯韋方程組中推導(dǎo)出來的，它沒有任何前提條件，所以這個(gè)速度不是指相對(duì)某個(gè)參考系的速度。2伽利略的相對(duì)性原理與狹義相對(duì)性原理有什么不同？提示：伽利略的相對(duì)性原理認(rèn)為力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中是相同的；狹義相對(duì)性原理認(rèn)為在不同慣性系中一切物理規(guī)律都是相同的。例1下面說法正確的是()A在以c豎直方向升空的火箭上向前發(fā)出的光，對(duì)地速度一定比c大B在以c豎直方向升空的火箭上向后發(fā)出的光，對(duì)地速度一定比c小C在以c豎直方向升空的火箭上沿水平方向發(fā)出的光對(duì)地速度為cD在以c豎直方向升空的火箭上向任一方向發(fā)出的光對(duì)地速度都為c解題反思1真空中的光速相對(duì)于豎直方向升空的火箭有什么特點(diǎn)？提示：根據(jù)光速不變?cè)?，光速與參考系的選取無關(guān)。2真空中的光速相對(duì)于地面的速度與相對(duì)火箭的速度有什么關(guān)系？提示：對(duì)不同的慣性參考系光速是相同的，都為c。例2光源與參考系O相對(duì)靜止，光源發(fā)出的光向右傳播。(1)如圖所示，參考系O相對(duì)于參考系O靜止時(shí)，人看到的光速應(yīng)是多少？(2)參考系O相對(duì)于參考系O以速度v向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，人看到的光速應(yīng)是多少？(3)參考系O相對(duì)于參考系O以速度v向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，人看到的光速又是多少？類題通法光速不變?cè)淼睦斫?1)真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的。(2)邁克耳孫莫雷實(shí)驗(yàn)證明光速不變?cè)硎钦_的。要點(diǎn)二時(shí)間和空間的相對(duì)性一、時(shí)間和空間的相對(duì)性1“同時(shí)”的相對(duì)性(1)經(jīng)典的時(shí)空觀：同時(shí)是絕對(duì)的，即如果兩個(gè)事件在一個(gè)參考系中被認(rèn)為是同時(shí)的，在另一個(gè)參考系中一定也被認(rèn)為是同時(shí)的。(2)相對(duì)論的時(shí)空觀：同時(shí)是相對(duì)的，即在一個(gè)慣性系中“同時(shí)”發(fā)生的兩個(gè)事件，在另一個(gè)慣性系中可能是不同時(shí)的。2長(zhǎng)度的相對(duì)性(1)經(jīng)典的時(shí)空觀：一條桿的長(zhǎng)度不會(huì)因?yàn)橛^察者是否相對(duì)桿運(yùn)動(dòng)而不同。(2)相對(duì)論的時(shí)空觀：“長(zhǎng)度”也具有相對(duì)性，一條沿自身長(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng)的桿，其長(zhǎng)度總比靜止的長(zhǎng)度小，但在垂直于桿的運(yùn)動(dòng)方向上，桿的長(zhǎng)度沒有變化。(3)相對(duì)長(zhǎng)度公式：設(shè)相對(duì)于桿靜止的觀察者認(rèn)為桿的長(zhǎng)度為l0，與桿相對(duì)運(yùn)動(dòng)的人認(rèn)為桿的長(zhǎng)度為l，桿相對(duì)于觀察者的速度為v，則l、l0、v之間的關(guān)系為：ll0。3時(shí)間間隔的相對(duì)性(1)經(jīng)典的時(shí)空觀：兩個(gè)事件，在不同的慣性系中觀察，它們的時(shí)間間隔總相同。(2)相對(duì)論的時(shí)空觀：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，慣性系相對(duì)于觀察者的速度越大，慣性系中的時(shí)間進(jìn)程進(jìn)行得越慢。非但如此，慣性系中的一切物理、化學(xué)和生命過程都變慢了。(3)相對(duì)時(shí)間間隔公式：設(shè)表示靜止的慣性系中觀測(cè)的時(shí)間間隔，t表示以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：t。因總有vc，所以t動(dòng)鐘變慢。二、相對(duì)論時(shí)空觀及驗(yàn)證1相對(duì)論時(shí)空觀(1)時(shí)間和物質(zhì)的存在有關(guān)，它的長(zhǎng)短與物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。(2)空間也與物質(zhì)的存在有關(guān)，物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度大小使空間變了形。2相對(duì)論時(shí)空觀的驗(yàn)證時(shí)空相對(duì)性的最早證據(jù)跟宇宙射線的觀測(cè)有關(guān)。如子，壽命為3.0 s。宇宙射線中的子速度約為0.99c，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(cè)到的宇宙射線中有許多子，對(duì)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(dòng)，它的壽命比與子靜止的參考系中的3.0 s要長(zhǎng)得多，在這樣長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，許多子可以飛到地面。從與子一起運(yùn)動(dòng)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。探究提升1如何理解同時(shí)的相對(duì)性？提示：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如何理解“動(dòng)鐘變慢”？提示：運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘變慢：時(shí)鐘相對(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)鐘變慢了。t，其中t為地面觀察者測(cè)得的時(shí)間間隔，為相對(duì)觀察者靜止時(shí)測(cè)得的時(shí)間間隔。例3一張宣傳畫是邊長(zhǎng)為5 m的正方形，一高速列車以2108 m/s的速度接近此宣傳畫，在司機(jī)看來，這張宣傳畫是什么樣子？1尺沿任何方向運(yùn)動(dòng)其長(zhǎng)度都縮短嗎？提示：尺沿其長(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng)時(shí)縮短，在垂直于運(yùn)動(dòng)方向長(zhǎng)度不變。2當(dāng)發(fā)生動(dòng)尺變短時(shí)如何計(jì)算其長(zhǎng)度？提示：由相對(duì)論長(zhǎng)度公式ll0求解。例4介子與質(zhì)子相碰可產(chǎn)生其他粒子。其中有一種k0粒子，它經(jīng)d1101 m的距離便衰變成兩個(gè)具有相反電荷的介子。若k0粒子的速率為v2.24108 m/s，試求其固有壽命。應(yīng)用相對(duì)論“效應(yīng)”解題的一般步驟首先，應(yīng)該通過審題確定研究對(duì)象及研究對(duì)象的運(yùn)動(dòng)速度。其次，明確求解的問題，即明確求解靜止參考系中的觀察結(jié)果，還是運(yùn)動(dòng)參考系中的觀察結(jié)果。最后，應(yīng)用“尺縮效應(yīng)公式”或“時(shí)間延緩效應(yīng)公式”進(jìn)行計(jì)算。相對(duì)論理解的三個(gè)誤區(qū)示例用相對(duì)論的觀點(diǎn)判斷，下列說法不正確的是()A時(shí)間和空間都是絕對(duì)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(zhǎng)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，但是飛船中的航天員卻看到時(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D當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)的速度vc時(shí)，“時(shí)間膨脹”和“長(zhǎng)度收縮”效果可忽略不計(jì)誤區(qū)1：誤認(rèn)為運(yùn)動(dòng)的物體長(zhǎng)度都會(huì)有明顯的收縮其原因是不清楚長(zhǎng)度收縮的相對(duì)性，當(dāng)vc時(shí)，長(zhǎng)度收縮效應(yīng)顯著；當(dāng)vc時(shí)，長(zhǎng)度收縮效應(yīng)可忽略。誤區(qū)2：誤認(rèn)為長(zhǎng)度收縮可以發(fā)生于任何方向這是由于不理解空間的相對(duì)性、長(zhǎng)度收縮效應(yīng)只能發(fā)生在運(yùn)動(dòng)方向上。誤區(qū)3：誤用經(jīng)典力學(xué)的相對(duì)性原理分析光速問題產(chǎn)生誤區(qū)的原因是對(duì)光速不變?cè)淼睦斫獠煌笍?。真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的。如圖所示，強(qiáng)強(qiáng)乘坐速度為0.9c(c為光速)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_。(填寫選項(xiàng)前的字母)A0.4c B0.5c C0.9c D1.0c要點(diǎn)一相對(duì)論的誕生1. 關(guān)于狹義相對(duì)論的兩個(gè)假設(shè)，正確的是()A在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的B在不同的慣性參考系中，力學(xué)規(guī)律都一樣，電磁規(guī)律不一樣C真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的D真空中的光速在不同的慣性參考系中是有差別的要點(diǎn)二時(shí)間和空間的相對(duì)性2. A、B兩架飛機(jī)沿地面上一足球場(chǎng)的長(zhǎng)軸方向在其上空高速飛過，且