2017-2018學(xué)年同步備課套餐之物理人教版選修3-4講義：第十五章相對論簡介1~2

1相對論的誕生2時(shí)間和空間的相對性［學(xué)習(xí)目標(biāo)］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．新知探究點(diǎn)點(diǎn)落實(shí)知識探究新知探究點(diǎn)點(diǎn)落實(shí)一、經(jīng)典相對性原理與狹義相對論的兩個(gè)基本假設(shè)『學(xué)探究］(1)如圖1所示，小球相對于參考系0以速度。0向右拋出，人相對于參考系0,靜止，當(dāng)參考系0,相對于參考系0靜止、以速度。向右運(yùn)動和以速度。向左運(yùn)動時(shí)，人觀察到小球的速度分別為多大？圖1圖1⑵如圖2所示，光源相對于參考系0靜止，人相對于參考系。靜止，當(dāng)參考系O相對于參考系。/靜止、以速度。向右運(yùn)動和以速度。向左運(yùn)動時(shí)，人觀察到的光源發(fā)出光的傳播速度分別為多大？答案(1)分別是v0、v0-v、v0+v(2)人觀察到的光速都是c圖2圖2［知識梳理］1．經(jīng)典的相對性原理(1)慣性系：如果牛頓運(yùn)動定律在某個(gè)參考系中成立，這個(gè)參考系就叫做慣性系，相對一個(gè)慣性系做勻速直線運(yùn)動的另一個(gè)參考系也是慣性系.⑵相對性原理：力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的，這個(gè)論述叫做伽利略相對性原理.經(jīng)典的相對性原理的三種表述：①表述一：力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的.②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)慣性系是否相對于另一個(gè)慣性系做勻速直線運(yùn)動.③表述三：任何慣性參考系都是平權(quán)的.2．經(jīng)典相對性原理解釋電磁規(guī)律的困難邁克耳孫一莫雷實(shí)驗(yàn)證明了光速是不變的，這與傳統(tǒng)的速度合成法則是矛盾的.3．狹義相對論的兩個(gè)基本假設(shè)(1)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.(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.［即學(xué)即用］判斷下列說法的正誤．(1)根據(jù)伽利略相對性原理，在一個(gè)慣性參考系里不能用力學(xué)實(shí)驗(yàn)判斷該參考系是否相對于另一個(gè)慣性系做勻速直線運(yùn)動.(J)⑵根據(jù)伽利略相對性原理，同一力學(xué)規(guī)律在不同的慣性系中可能不同.(X)⑶在真空中，若物體以速度v背離光源運(yùn)動，則光相對物體的速度為c-v.(X)(4)邁克耳孫—莫雷實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論是：不論光源與觀察者做怎樣的相對運(yùn)動，光速都是一樣的.(J)⑸光速不變原理是：真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的.(J)(6)根據(jù)狹義相對論的兩個(gè)假設(shè)，在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的.(J)二、時(shí)間和空間的相對性［導(dǎo)學(xué)探究］如圖3所示，一列車以速度v經(jīng)過站臺，站臺中部的觀察者C看到列車車頭正好到達(dá)站臺最右端的A人時(shí)，車尾正好到達(dá)站臺最左端的B人.V■MiiiiiiiiMiicAA4圖3⑴若此時(shí)站臺上的觀察者C看到A、B兩人同時(shí)面向列車舉起手中的小紅旗，那么站在列車中點(diǎn)的觀察者C/看到A、B兩人是同時(shí)舉旗的嗎？如果不是同時(shí)舉旗，他會看到哪個(gè)人先舉旗？⑵站臺上的觀察者C看到列車長度剛好和站臺長度相同，列車上的觀察者C,認(rèn)為列車長度和站臺長度相同嗎？如果不相同，他認(rèn)為列車長還是站臺長？⑶假定列車上的觀察者。,舉起小紅旗向站臺上的A、B兩人揮動致意，他認(rèn)為自己從舉起小紅旗到放下小紅旗的時(shí)間為t，站臺上的觀察者C觀察到他舉旗的時(shí)間也為t嗎？如果不是t，他認(rèn)為這個(gè)時(shí)間比t長還是短？答案 （1）不是同時(shí)舉旗，他看到A人先舉旗（2）列車長度和站臺長度不相同，站臺要短一些（3）不是t，他認(rèn)為這個(gè)時(shí)間比t長［知識梳理 ］時(shí)間和長度的相對性1．“同時(shí)”的相對性在同一個(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)慣性系中觀察時(shí)：⑴經(jīng)典的時(shí)空觀認(rèn)為一定（填“一定”或“不一定”）是同時(shí)發(fā)生的.（2）狹義相對論的時(shí)空觀認(rèn)為不一定（填“一定”或“不一定”）是同時(shí)發(fā)生的.2．長度的相對性（尺縮效應(yīng)）⑴經(jīng)典的時(shí)空觀：一條桿的長度不會因?yàn)橛^察者是否與桿做相對運(yùn)動而不同.⑵狹義相對論認(rèn)為“動尺變短”：狹義相對論中的長度公式：l=101-（V凡但垂直于桿的運(yùn)動方向上，桿的長度不變.3．時(shí)間間隔的相對性⑴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.（2）狹義相對論認(rèn)為“動鐘變慢”：時(shí)間間隔的相對性公式ATAt二 —，也就是說，在相對運(yùn)動的參考系中觀測，事件變化過程的時(shí)間間隔變大了，V）2這叫做狹義相對論中的時(shí)間膨脹．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)動狀態(tài)無關(guān).⑵狹義相對論時(shí)空觀：有物質(zhì)才有時(shí)間和空間，空間和時(shí)間與物質(zhì)運(yùn)動狀態(tài)有關(guān).『學(xué)即用］判斷下列說法的正誤.⑴一根桿的長度不會因?yàn)橛^察者是否與桿做相對運(yùn)動而不同，這是經(jīng)典物理學(xué)家的觀點(diǎn).（J）⑵一根桿的長度靜止時(shí)為10，不管桿如何運(yùn)動，桿的長度均小于10.（X）（3）“動鐘變慢”是時(shí)鐘的精度因運(yùn)動而發(fā)生了變化.（X）（4）長度、時(shí)間的測量結(jié)果會隨物體與觀察者的相對運(yùn)動狀態(tài)的改變而改變.（J）⑸高速運(yùn)動的飛船中的宇航員發(fā)現(xiàn)地面的時(shí)鐘變慢了.（J）（6）地面上的人認(rèn)為兩個(gè)事件同時(shí)發(fā)生，而高速運(yùn)動的飛船中的宇航員卻不這么認(rèn)為.（J）題型探究重點(diǎn)難點(diǎn)個(gè)個(gè)擊破一、經(jīng)典的相對性原理與狹義相對論應(yīng)用狹義相對論的幾點(diǎn)注意1．慣性系與非慣性系的確定：我們通常選取大地為慣性系，相對于地面靜止或做勻速運(yùn)動的物體都是慣性參考系，相對于地面做變速運(yùn)動的物體都是非慣性參考系．2.光的傳播速度與慣性系的選取無關(guān).在任何情況下，真空中的光速都是c.3．力學(xué)規(guī)律相對于慣性系來說都是相同的．【例1如圖4所示，在列車車廂里的光滑水平面上有一個(gè)質(zhì)量為m=5kg的小球，正隨車廂一起以20m/s的速度勻速前進(jìn).現(xiàn)在給小球一個(gè)水平向前的F=5N的拉力作用，求經(jīng)10s時(shí)，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？圖4答案 10m/s30m/s解析對車上的觀察者：小球的初速度v0=0，加速度a=mm=1m/s2，經(jīng)過10s,速度卜1=at=10m/s.對地上的觀察者：小球初速度v0=20m/s,加速度為a=mm=1m/s2.經(jīng)過10s，速度卜2=?0+at=30m/s.L歸納總結(jié)■ ）兩個(gè)觀察者的結(jié)果雖然不同，但都利用了牛頓運(yùn)動定律，因此都是慣性參考系.觀察的結(jié)果不同，是因?yàn)檫x擇了不同的參考系.【例2（多選）下面說法正確的是（）A.在以10ooc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.在以焉c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在以丁Oooc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.在以喘00c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答案 CD解析 根據(jù)狹義相對論的基本假設(shè)——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，即對不同的慣性參考系光速是相同的，因此C、D正確，A、B錯(cuò)誤.二、時(shí)間和空間的相對性應(yīng)用相對論“效應(yīng)”解題的一般步驟：(1)應(yīng)該通過審題確定研究對象及研究對象的運(yùn)動速度．(2)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)動參考系中的觀察結(jié)果．(3)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．【例3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(yīng)該為多少？如果火箭的速度達(dá)到0.6c，則火箭上的人看到的鐵路的長度又是多少？答案100km80km解析 當(dāng)火箭速度較低時(shí)，長度基本不變，還是100km.當(dāng)火箭的速度達(dá)到0.6c時(shí)，由相對論長度公式l=10\，1-(V)2代入相應(yīng)的數(shù)據(jù)解得：l=100X\；'1-0.62km=80km.【例4n+介子是一種不穩(wěn)定粒子，平均壽命是2.6X10-8s(在它自己的參考系中測得)⑴如果此粒子相對于實(shí)驗(yàn)室以0.8c的速度運(yùn)動，那么在實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系中測量的n+介子壽命多長？(2)在(1)中實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系里測量的n+介子在衰變前運(yùn)動了多長距離？答案 (1)4.3X10-8s(2)10.32m解析(1)n+介子在實(shí)驗(yàn)室中的壽命為AT 2.6X10-8At=—. =— s"4.3X10-8s.?小心2個(gè)-0.82(2)該粒子在衰變前運(yùn)動的距離為x=vAt=0.8X3X108X4.3X10-8m=10.32m.當(dāng)堂檢測鞏固反饋達(dá)標(biāo)檢測當(dāng)堂檢測鞏固反饋1．(多選)關(guān)于狹義相對論的兩個(gè)假設(shè)，下列說法正確的是( )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答案AC2.如圖5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)，則壯壯觀測到該光束的傳播速度為()0.9c 0.5c強(qiáng)強(qiáng)五￡壯壯圖5A．0.4cB．0.5cC．0.9cD．c答案D解析 由狹義相對論的基本假設(shè)——光速不變原理可知，真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的，可知D正確.3．假設(shè)甲在接近光速的火車上看地面上乙的手中沿火車前進(jìn)方向放置的尺,同時(shí)地面上的乙看甲的手中沿火車前進(jìn)方向放置的相同的尺,則下列說法正確的是( )A.甲看到乙的手中的尺長度比乙看到自己手中的尺長度長B.甲看到乙的手中的尺長度比乙看到自己手中的尺長度短C.乙看到甲的手中的尺長度比甲看到自己手中的尺長度長D.乙看到甲的手中的尺長度與甲看到自己手中的尺長度相同答案B解析由l=10、，1-(V)2可知運(yùn)動的觀察者觀察靜止的尺和靜止的觀察者觀察運(yùn)動的尺時(shí)，都發(fā)現(xiàn)對方手中的尺比自己手中的尺短，故B正確，A、C、D錯(cuò)誤.4．(多選)用相對論的觀點(diǎn)判斷下列說法,其中正確的是( )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)物體的長度總不會改變B.在地面上看，以10km/s的速度運(yùn)動的飛船中的時(shí)鐘會變快，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10km/s的速度運(yùn)動的飛船在運(yùn)動方向上會變短，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)動的速度。遠(yuǎn)小于c時(shí)，“長度收縮”和“時(shí)間膨脹”效果可忽略不計(jì)答案CD解析時(shí)間和空間都是相對的，沒有絕對準(zhǔn)確的時(shí)間和空間，所以A錯(cuò)誤由l=10\jl-(C)2可知兩處的人都感覺1<10，所以C正確.由尺縮效應(yīng)和鐘慢效應(yīng)公式可知，當(dāng)v遠(yuǎn)小于C時(shí)，尺縮效應(yīng)和鐘慢效應(yīng)都可以忽略不計(jì)，所以B錯(cuò)誤，D正確.課時(shí)作業(yè) 強(qiáng)化訓(xùn)練拓展提升一、選擇題．(多選)關(guān)于牛頓力學(xué)的適用范圍，下列說法正確的是( )A.適用于宏觀物體B.適用于微觀物體C.適用于高速運(yùn)動的物體D.適用于低速運(yùn)動的物體答案AD解析 由經(jīng)典力學(xué)的局限性可知A、D正確.2．關(guān)于相對論的認(rèn)識，下列說法正確的是( )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在一個(gè)確定的參考系中觀察，運(yùn)動物體的空間距離和時(shí)間進(jìn)程跟物體的運(yùn)動狀態(tài)有關(guān)D.慣性系就是靜止不動的參考系E.同一力學(xué)規(guī)律在不同的慣性系中可能不同答案C3．如圖1所示，世界上有各式各樣的鐘：砂鐘、電子鐘、機(jī)械鐘、光鐘和生物鐘．既然運(yùn)動可以使某一種鐘變慢，它一定會使所有的鐘都一樣變慢．這種說法是( )圖1A.對的，對各種鐘的影響必須相同B.不對，不一定對所有的鐘的影響都一樣C.A和B分別說明了兩種情況下的影響D.以上說法全錯(cuò)答案A4．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(xué)的問題B.在真空中，若物體以速度。背離光源運(yùn)動，則光相對物體的速度為c—。C.在真空中，若光源向著觀察者以速度o運(yùn)動，則光相對于觀察者的速度為c+oD.邁克耳孫一莫雷實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論是：不論光源與觀察者做怎樣的相對運(yùn)動，光速都是一樣的答案D解析相對性原理簡單而自然，但在電磁學(xué)的領(lǐng)域里，涉及相對哪個(gè)參考系才成立的問題，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤；根據(jù)狹義相對論的光速不變原理知，選項(xiàng)B、C錯(cuò)誤，D正確..如圖2所示，在一個(gè)高速轉(zhuǎn)動的巨大轉(zhuǎn)盤上放著A、B、C三個(gè)時(shí)鐘，下列說法正確的是()圖2A時(shí)鐘走時(shí)最慢，B時(shí)鐘走時(shí)最快A時(shí)鐘走時(shí)最慢，C時(shí)鐘走時(shí)最快C時(shí)鐘走時(shí)最慢，A時(shí)鐘走時(shí)最快B時(shí)鐘走時(shí)最慢，A時(shí)鐘走時(shí)最快答案C解析 A、B、C三個(gè)時(shí)鐘中，C相對于地面的速度最大，A相對于地面的速度最??；由At二,C時(shí)鐘走時(shí)最慢，A時(shí)鐘走時(shí)最快，故選項(xiàng)C正確..如圖3所示，沿平直鐵路線上有間距相等的三座鐵塔A、B和C.假想有一列車沿AC方向以接近光速的速度行駛，當(dāng)鐵塔B發(fā)出一個(gè)閃光，列車上的觀察者測得A、C兩鐵塔被照亮的順序是()

A.同時(shí)被照亮A.同時(shí)被照亮CC先被照亮答案C圖3B.A先被照亮D.無法判斷解析以列車為參考系，塔A、B、C向左高速運(yùn)動，列車中的觀測者認(rèn)為光從B到A的距離大于光從B到C的距離，由t=c知，光從B到C用時(shí)短，C先被照亮..慣性系S中有一邊長為l的正方形(如圖4所示)，從相對S系沿％方向以接近光速的速度勻速飛行的飛行器上測得該正方形的圖象是( )答案解析由相對論長度公式l二l答案解析由相對論長度公式l二l圖4運(yùn)動方向上的邊長變短，垂直運(yùn)動方向上的邊長不變．.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.0.5c B.0.6cC.0.8c D.0.9c答案

vl3_解析由l=10、：1-(c)2，且1二5可得：v=0.8c，故C正確.二、非選擇題9.一長桿在車廂中靜止，桿與車廂前