高中物理 15.1 相對論的誕生 15.2 時間和空間的相對性 新人教選修34

...........一、經(jīng)典的相對性原理與狹義相對性原理.1．慣性系和非慣性系牛頓運動定律能夠成立的參考系，相對于這個慣性系做勻速直線運動的另一個參考系也是慣性系.牛頓運動定律不成立的參考系稱為非慣性系.2．伽利略相對性原理力學規(guī)律在任何慣性系中都是相同的，即任何慣性參考系都是平權的..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是各不相同的.邁克耳孫-莫雷實驗證明：不論光源和觀察者做怎樣的相對運動，光速都是相同的..4．邁克耳孫-莫雷實驗(1)實驗背景根據(jù)麥克斯韋的電磁理論可以直接得到真空中電磁波的速度，并不需要初始條件，也就是說，“電磁波的速度是c”，這本身就是電磁規(guī)律的一部分，而不是電磁規(guī)律應用于某個具體事物的結論.于是，問題出現(xiàn)了：麥克斯韋的電磁理論相對哪個參考系成立？如果它相對參考系S是正確的，另外還有一個參考系S′，S′相對于S以速度v運動，那么光相對于S′的速度應該是(c-v)而不是c，好像電磁規(guī)律不是對任何慣性系都一樣.(2)實驗結論不論光源與觀察者做怎樣的相對運動，光速都是一樣的..狹義相對論認為：光速c是宇宙中的最大速度，實際物體無論怎樣加速，其速度只能接近而不能超越光速c..【典例1】(2010·北京高考)屬于狹義相對論基本假設的是:在不同的慣性系中()A.真空中光速不變B.時間間隔具有相對性C.物體的質量不變D.物體的能量與質量成正比【解題指導】解答本題的關鍵是牢記狹義相對論基本假設,要與時間間隔的相對性、相對論質量等區(qū)分開來..【標準解答】選A.狹義相對論基本假設:一是在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的；二是真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的，即光速不變原理，由此可知A屬于狹義相對論基本假設，故A正確,B、C、D錯誤..【變式訓練】下列關于經(jīng)典力學的時空觀，正確的是()A.在經(jīng)典力學的時空觀中，同時是絕對的，即在一個參考系中的觀察者在某一時刻觀察到的兩個事件，對另一參考系中的觀察者來說也是同時發(fā)生的B.在經(jīng)典力學的時空觀中，時間間隔是絕對的，即任何事件(或物體的運動)所經(jīng)歷的時間，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.C.在經(jīng)典力學的時空觀中，空間距離是絕對的，即如果各個參考系中用來測量長度的標準相同，那么空間兩點距離是絕對不變的量值，而與參考系的選取無關D.經(jīng)典力學的時空觀就是一個絕對的時空觀，時間、空間與物體的運動無關【解析】選A、B、C、D.經(jīng)典的時空觀認為，時間、空間均是絕對的，與物體的運動狀態(tài)無關.同時也是絕對的，即在一個參考系中同時發(fā)生的兩個事件，在不同參考系中觀察也是同時發(fā)生的，故A、B、C、D均正確..【變式備選】下列說法正確的是()A.在以豎直方向升空的火箭上向前發(fā)出的光，對地速度一定比c大B.在以豎直方向升空的火箭上向后發(fā)出的光，對地速度一定比c小C.在以豎直方向升空的火箭上沿水平方向發(fā)出的光,對地速度為cD.在以豎直方向升空的火箭上向任一方向發(fā)出的光,對地速度都為c.【解析】選C、D.根據(jù)狹義相對論的基本假設——光速不變原理可知：真空中的光速相對于火箭的速度為c，相對于地面的速度也為c，對不同的慣性系是相同的，因此C、D正確，A、B錯誤..二、怎樣理解“動尺變短”和“動鐘變慢”.1．怎樣理解“動尺變短”狹義相對論中的長度公式：中，l0是相對于桿靜止的觀察者測出的桿的長度，而l可以認為是桿沿自己的長度方向以速度v運動時，靜止的觀察者測量的長度.還可以認為是桿不動，而觀察者沿桿的長度方向以速度v運動時測出的桿的長度..2．怎樣理解“動鐘變慢”時間間隔的相對性公式：中，Δτ是相對事件發(fā)生地靜止的觀察者測量同一地點的兩個事件發(fā)生的時間間隔，而Δt是相對于事件發(fā)生地以速度v運動的觀察者測量同一地點的同樣兩個事件發(fā)生的時間間隔.也就是說：在相對運動的參考系中觀測，事件變化過程的時間間隔變大了，這叫做狹義相對論中的時間膨脹..3．理解要點(1)時間間隔、長度的變化，都是由于物質的相對運動引起的一種觀測效應，它與所選取的參考系有關，物質本身的結構并沒有變化.(2)兩個事件的時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間的長短及空間的尺寸，是沒有任何意義的..以上結論是狹義相對論的必然結論，而狹義相對論的正確性已被實驗證實，所以以上結論是高速世界中必然發(fā)生的現(xiàn)象，是客觀存在的事實，絕不是人們的主觀臆造，人們之所以平常觀察不到這些現(xiàn)象，是因為我們生活在低速運動的世界里..【典例2】地面上長100km的鐵路上空有一火箭沿鐵路方向以30km/s的速度掠過，則火箭上的人看到鐵路的長度應該為多少？如果火箭的速度達到0.6c，則火箭上的人看到的鐵路的長度又是多少？【解題指導】動尺變短只有在高速(接近光速)情況下才能發(fā)生..【標準解答】當火箭速度較低時，長度基本不變，還是100km.當火箭的速度達到0.6c時，由相對論長度公式代入相應的數(shù)據(jù)解得：l=100×km=80km.答案：100km80km.【規(guī)律方法】應用相對論“效應”解題的一般步驟首先，應該通過審題確定研究對象及研究對象的運動速度.其次，明確求解的問題，即明確求解靜止參考系中的觀察結果，還是運動參考系中的觀察結果.最后，應用“尺縮效應公式”或“時間延緩效應公式”進行計算..【變式訓練】π+介子是一種不穩(wěn)定粒子，平均壽命是2.6×10-8s(在自己的參考系中測得)(1)如果此粒子相對于實驗室以0.8c的速度運動，那么在實驗室坐標系中測量的π+介子壽命多長？(2)π+介子在衰變前運動了多長距離？.【解析】(1)π+介子在實驗室中的壽命為(2)該粒子在衰變前運動的距離為x=vΔt=0.8×3×108×4.3×10-8m=10.32m.答案：(1)4.3×10-8s；(2)10.32m.【典例】如圖所示，在列車車廂的光滑水平面上有一質量為m=5kg的小球，正隨車廂一起以20m/s的速度勻速前進.現(xiàn)在給小球一個水平向前的FT=5N的拉力作用，求經(jīng)10s時間，車廂里的觀察者和地面上的觀察者看到小球的速度分別是多少？.【標準解答】對車上的觀察者：小球的初速度為0，加速度a==1m/s2,10s末小球的速度v1=at=10m/s.對地上的觀察者：小球的初速度v0=20m/s，加速度仍為a==1m/s2，10s末小球的速度v2=v0+at=30m/s.

.一、選擇題1．根據(jù)伽利略相對性原理，可以得到下列結論()A．任何力學規(guī)律在慣性系中都是相同的B．同一力學規(guī)律在不同的慣性系中可能不同C．在一個慣性參照系里不能用力學實驗判斷該參照系是否在勻速運動D．在一個慣性參照系里可以用力學實驗判斷該參照系是否在勻速運動.【解析】選A、C.伽利略的相對性原理是：力學規(guī)律在任何慣性系中都是相同的，故選項A正確，B錯誤；根據(jù)伽利略相對性原理的另一種表述，選項C正確，D錯誤..2．在一慣性系中觀測，有兩個事件同時不同地，則在其他慣性系中觀測，結果是()A．一定同時B．可能同時C．不可能同時，但可能同地D．不可能同時，也不可能同地【解析】選B.根據(jù)“同時”的相對性，故選項B正確，A、C、D錯誤..3．(2011·濱州高二檢測)用相對論的觀點判斷，下列說法不正確的是()A．時間和空間都是絕對的，在任何參考系中一個事件發(fā)生的時間和一個物體的長度總不會改變B．在地面上的人看來，以10km/s的速度運動的飛船中的時鐘會變慢，但是飛船中的宇航員卻看到時鐘是準確的C．在地面上的人看來，以10km/s的速度運動的飛船在運動方向上會變窄，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．當物體運動的速度vc時，“時間膨脹”和“長度收縮”效果可忽略不計.【解析】選A.時間和空間都是相對的，故選項A的說法錯誤；根據(jù)“時間膨脹”和“長度收縮”效應，選項B、C的說法正確；當速度vc時，1-()2≈1，所以“時間膨脹”和“長度收縮”效應可忽略不計，故選項D說法正確..4．(2011·蘇州高二檢測)下列說法中正確的是()A．一條桿的長度不會因為觀察者是否與桿做相對運動而不同，這是經(jīng)典物理學家的觀點B．一條沿自身長度方向運動的桿，其長度總比桿靜止時的長度小C．一條桿的長度靜止時為l0，不管桿如何運動，桿的長度均小于l0D．如果兩條平行的桿在沿自己的長度方向上做相對運動，與它們一起運動的兩位觀察者都會認為對方的桿縮短了.【解析】選A、B、D.根據(jù)經(jīng)典物理學可知，選項A正確；根據(jù)“長度收縮”效應，故選項B、D正確；只有在運動方向上才有“長度收縮”效應，若桿沿垂直桿的方向運動，則桿的長度不變，故選項C錯誤..5．下列說法中正確的是()A．相對性原理能簡單而自然地解釋電磁學的問題B．在真空中，若物體以速度v背離光源運動，則光相對物體的速度為c-vC．在真空中，若光源向著觀察者以速度v運動，則光相對于觀察者的速度為c+vD．邁克耳孫-莫雷實驗得出的結論是：不論光源與觀察者做怎樣的相對運動，光速都是一樣的【解析】選D.相對性原理簡單而自然，但在電磁學的領域里，涉及到相對哪個參考系才成立的問題，故選項A錯誤；根據(jù)狹義相對論的光速不變原理，故選項B、C錯誤，D正確..6．(2011·朝陽區(qū)高二檢測)某宇航員要到離地球5光年的星球上去旅行，如果希望把這段路程縮短為3光年，則他所乘飛船相對地球的速度為()A．0.5cB．0.6cC．0.8cD．0.9c【解析】選C.由故選項C正確..【方法技巧】“尺縮效應”在解題中的應用方法1.“尺縮效應”只有在高速運動的情況下，才有明顯的顯現(xiàn).2.“尺縮效應”中長度的變化是沿運動方向上的長度變化效應.這種長度的變化僅僅是一種觀察結果，絕不是物質各組成部分的空間尺度變化.3.在與運動方向垂直的方向上沒有“尺縮效應”..7.（2011·江蘇高考）如圖所示，沿平直鐵路線有間距相等的三座鐵塔A、B和C.假想有一列車沿AC方向以接近光速行駛，當鐵塔B發(fā)出一個閃光，列車上的觀測者測得A、C兩鐵塔被照亮的順序是（）A.同時被照亮B.A先被照亮C.C先被照亮D.無法判斷.【解析】選C.列車上的觀察者看到的是由B出發(fā)后經(jīng)過A和C反射的光，由于列車在這段時間內(nèi)向C運動靠近C,而遠離A,所以C的反射光先到達列車上的觀察者，看到C先被照亮，故只有C正確..二、非選擇題8．愛因斯坦狹義相對論的兩個假設：(1)愛因斯坦相對性原理：_____________________.(2)光速不變原理：___________________________.【解析】(1)在不同慣性參考系中，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..9．用加速器對電子進行加速，當把電子加速到運動時的質量是靜止質量的三倍時，求電子獲得的速度大小是多少？【解析】由題意知，m=3m0，代入質速方程=2.83×108m/s答案：2.83×108m/s.10．假如一對孿生兄弟A和B，其中B乘坐速度為v=0.9c的火箭飛往大角星，而后又飛回地球.根據(jù)A在地球上的觀測，大角星離地球有40萬光年，這次B往返飛行經(jīng)歷時間為80.8年.如果B在離開地球時，他們的年齡都為20歲，試問當B回到地球時，他們的年齡各有多大？【解析】設B在飛船慣性系中經(jīng)歷的時間為t′，根據(jù)鐘慢效應得：解得t′=35.2年.所以B回到地球時的年齡為20+35.2=55.2年.A的壽命為100.8歲.答案：A:100.8歲B:55.2歲

.Thankyou!..9、靜夜四無鄰，荒居舊業(yè)貧。。2023/2/32023/2/3Friday,February3,202310、雨中黃葉樹，燈下白頭人。。2023/2/32023/2/32023/2/32/3/20234:24:50PM11、以我獨沈久，愧君相見頻。。2023/2/32023/2/32023/2/3Feb-2303-Feb-2312、故人江海別，幾度隔山川。。2023/2/32023/2/32023/2/3Friday,February3,202313、乍見翻疑夢，相悲各問年。。2023/2/32023/2/32023/2/32023/2/32/3/202314、他鄉(xiāng)生白發(fā)，舊國見青山。。03二月20232023/2/32023/2/32023/2/315、比不了得就不比，得不到的就不要。。。二月232023/2/32023/2/32023/2/32/3/202316、行動出成果，工作出財富。。2023/2/32023/2/303February202317、做前，能夠環(huán)視四周；做時，你只能或者最好沿著以腳為起點的射線向前。。2023/2/32023/2/32023/2/32023/2/39、沒有失敗，只有暫時停止成功！。2023/2/32023/2/3Friday,February3,202310、很多事情努力了未必有結果，但是不努力卻什么改變也沒有。。2023/2/32023/2/32023/2/32/3/20234:24:50PM11、成功就是日復一日那一點點小小努力的積累。。2023/2/32023/2/32023/2/3Feb-2303-Feb-2312、世間成事，不求其絕對圓滿，留一份不足，可得無限完美。。2023/2/32023/2/32023/2/3Friday,February3,202313、不知香積寺，數(shù)里入云峰。。2023/2/32023/2/32023/2/32023/2/32/3/202314、意志堅強的人能把世界放在手中像泥塊一樣任意揉捏。03二月20232023/2/32023/2/32023/2/315、楚塞三湘接，荊門九派通。。。二月232023/2/32023/2/32023/2/32/3/202316、少年十五二十時，步行奪得胡馬騎。。2023/2/32023/2/303February202317、空山新雨后，天氣晚來秋。。2023/2/32023/2/32023/2/32023/2/39、楊柳散和風，青山澹吾慮。。2023/2/32023/2/3Friday,Februar