1、第1节 相对论的诞生第2节 时间和空间的相对性学习目标素养提炼1.知道经典的相对性原理，知道狭义相对论的实验基础和它的两个基本假设2.知道狭义相对论的几个主要结论3.了解经典时空观与相对论时空观的主要区别，体会相对论的建立对人类认识世界的影响.物理观念：狭义相对论、经典时空观、相对论时空观科学思维：相对性原理科学态度与责任：相对论的建立对人类认识世界的影响01 课前 自主梳理02 课堂 合作探究03随堂 演练达标04课后 达标检测一、经典的相对性原理与狭义相对论的两个基本假设1经典的相对性原理(1)惯性系：_定律能够成立的参考系相对一个惯性系做_运动的另一个参考系也是惯性系(2)伽利略相对性原
2、理：_规律在任何_系中都是相同的2狭义相对论的两个基本假设(1)实验基础：不论光源与观测者做怎样的相对运动，光速都是_牛顿运动 匀速直线 力学 惯性 一样的(2)两个基本假设狭义相对性原理 在不同的_参考系中，一切_规律都是相同的光速不变原理真空中的光速在不同的惯性参考系中都是_的惯性 物理 相同思考 爱因斯坦的狭义相对论中的两个基本假设，一是狭义相对性原理，二是光速不变原理第一个假设说的是在不同的惯性参考系中，一切规律都是相同的，这一条可以认为是假设；但第二条光速不变，已经被大量实验所证实，为什么还是叫假设呢？提示：虽然实验证明了假设所说的内容，但这终归是有限的几次实验只有再从这两个假设出发
3、，经过逻辑推理(包括数学推导)所得出的大量结论都与事实相符时，它们才能成为真正意义上的原理二、时间和空间的相对性1“同时”的相对性(1)经典的时空观：在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察也是_的(2)相对论的时空观：“同时”具有_性，即在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察_的同时 相对 不一定是同时 2“长度”的相对性(1)经典的时空观：一条杆的长度不会因为观察者是否与杆做_而不同(2)相对论的时空观：“长度”也具有_性，一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆_时的长度小设相对于杆静止的观察者认为杆的长度为 l0，与杆有相对运动的人认为
4、杆的长度为 l，杆相对于观察者的速度为 v，则 l、l0、v 的关系是 l_.相对运动相对 静止l01vc23时间间隔的相对性(1)经典的时空观：某两个事件，在不同的惯性参考系中观察，它们的时间间隔总是_的(2)相对论的时空观：某两个事件，在不同的惯性参考系中观察，它们的时间间隔是_的设 表示相对事件发生地静止的惯性系中观测的时间间隔，t 表示相对事件发生地以v 高速运动的参考系中观察同样两事件的时间间隔，则它们的关系是 t_.相同不同1vc24相对论时空观(1)经典时空观：空间和时间是脱离物质存在的，是_的，空间和时间之间也是_联系的(2)相对论时空观：空间和时间与物质的_有关绝对 没有 运
5、动状态判断正误(1)一根杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同，这是经典物理学家的观点()(2)一根杆的长度静止时为l0，不管杆如何运动，杆的长度均小于l0.()(3)“动钟变慢”是时钟的精度因运动而发生了变化()(4)长度、时间的测量结果会随物体与观察者的相对运动状态的改变而改变()(5)高速运动的飞船中的宇航员发现地面的时钟变慢了()(6)地面上的人认为两个事件同时发生，而高速运动的飞船中的宇航员却不这么认为()要点一 经典的相对性原理与狭义相对性原理探究导入(1)如图所示，小球相对于参考系O以速度v0向右抛出，人相对于参考系O静止，当参考系O相对于参考系O静止、以速度v向右运动和
6、以速度v向左运动时，人观察到小球的速度分别为多大？提示：分别是v0、v0v、v0v.(2)如图所示，光源相对于参考系O静止，人相对于参考系O静止，当参考系O相对于参考系O静止、以速度v向右运动和以速度v向左运动时，人观察到的光源发出光的传播速度分别为多大？提示：人观察到的光速都是c.1惯性系和非惯性系牛顿运动定律能够成立的参考系，这个参考系就叫作惯性系，相对于这个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系2伽利略相对性原理力学规律在任何惯性系中都是相同的，即任何惯性参考系都是平权的3相对性原理与电磁规律根据麦克斯韦的电磁理论，真空中的光速在任何惯性系中都
7、是一个常量，但是按照伽利略的相对性原理，在不同惯性系中的光速应是各不相同的迈克耳孙莫雷实验证明：不论光源和观察者做怎样的相对运动，光速都是相同的4迈克耳孙莫雷实验(1)实验背景根据麦克斯韦的电磁理论可以直接得到真空中电磁波的速度，并不涉及参考系的问题，也就是说，“电磁波的速度是c”这本身就是电磁规律的一部分，而不是电磁规律应用于某个具体事物的结论于是，问题出现了：麦克斯韦的电磁理论相对哪个参考系成立？如果它相对参考系S是正确的，另外还有一个参考系S，S相对于S以速度v运动，那么光相对于S的速度应该是cv 而不是c，好像光速并不是对任何惯性系都一样(2)实验结论不论光源与观察者做怎样的相对运动，
8、光速都是一样的典例1(多选)关于狭义相对论的两个假设，下列说法正确的是()A在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的B在不同的惯性参考系中，力学规律都一样，电磁规律不一样C真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的D物体的位移、速度以及电场强度等物理量可能因所选择的参考系的不同而不同，但是它们所遵从的物理规律却是同样的解析 狭义相对论的两个假设分别是狭义相对性原理和光速不变原理，选项A、C、D正确答案 ACD1(多选)下列说法正确的是()A在以11 000c竖直方向升空的火箭上向前发出的光，对地速度一定比c大B在以11 000c竖直方向升空的火箭上向后发出的光，对地速度一定比c小C在以11
9、 000c竖直方向升空的火箭上沿水平方向发出的光对地速度为cD在以11 000c竖直方向升空的火箭上向任一方向发出的光对地速度都为c解析：根据狭义相对论的基本假设光速不变原理可知，真空中的光速相对于火箭的速度为c，相对于地面的速度也为c，即对不同的惯性参考系，光速是相同的，因此C、D正确，A、B错误答案：CD2假设有一天某人坐在“神舟”号飞船上，以0.5c的速度遨游太空，当他打开一个光源时飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为_，飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为_，在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是_解析：根据狭义相对论的假设，真空中的光速相对于不同的惯性参考系是相同的，即在
10、地面上任何地方的观察者看到的光速都是c.答案：c c c要点二 对“动尺变短”和“动钟变慢”的理解探究导入 如图所示，一列车以速度v经过站台，站台中部的观察者C看到列车车头正好到达站台最右端的A人时，车尾正好到达站台最左端的B人(1)若此时站台上的观察者C看到A、B两人同时面向列车举起手中的小红旗，那么站在列车中间的观察者C看到A、B两人是同时举旗的吗？如果不是同时举旗，他会看到哪个人先举旗？提示：不是同时举旗，他看到A人先举旗(2)站台上的观察者C看到列车长度刚好和站台长度相同，列车上的观察者C认为列车长度和站台长度相同吗？如果不相同，他认为列车长还是站台长？(3)假定列车上的观察者C举起小
11、红旗向站台上的A、B两人挥动致意，他认为自己从举起小红旗到放下小红旗的时间为t，站台上的观察者C观察到他举旗的时间也为t吗？如果不是t，他认为这个时间比t长还是短？提示：列车长度和站台长度不相同，站台要短一些提示：不是t，他认为这个时间比t长1“动尺变短”狭义相对论中的长度公式：ll01vc2 中，l0是相对于杆静止的观察者测出的杆的长度，而l可以认为是杆沿自己的长度方向以速度v运动时，静止的观察者测量的长度还可以认为是杆不动，而观察者沿杆的长度方向以速度v运动时测出的杆的长度2“动钟变慢”时间间隔的相对性公式：t1vc2中，是相对事件发生地静止的观察者测量同一地点的两个事件发生的时间间隔，而
12、t是相对于事件发生地以速度v运动的观察者测量同一地点的同样两个事件发生的时间间隔也就是说：在相对运动的参考系中观测，事件变化过程的时间间隔变大了，这叫作狭义相对论中的时间膨胀3理解要点(1)时间间隔、长度的变化，都是由于物质的相对运动引起的一种观测效应，它与所选取的参考系有关，物质本身的结构并没有变化(2)两个事件的时间间隔和物体的长度，必须与所选取的参考系相联系，如果在没有选取参考系的情况下讨论时间的长短及空间的尺寸，是没有任何意义的(3)“动尺变短”和“动钟变慢”是高速世界中必然发生的现象，人们之所以平常观察不到这些现象，是因为我们生活在低速运动的世界里典例2 在6 000 m的高空大气层
13、中产生了一个介子，以速度v0.998 c飞向地球，介子在自身静止参考系中的寿命为02106 s，问在地球上的观察者和介子静止参考系中的观察者看来，介子能否到达地球？解析 在地球参照系，根据时间间隔的相对性有：t01v2c2地球上的观察者得到介子的寿命为t01v2c2210610.9982 s3.16105 s飞行距离：dvt9 461 m6 000 m所以介子可以到达地球在介子静止参照系，根据长度的相对性ll01v2c2则介子到地球的距离为ll01v2c26 000 10.9982 m379 m需要时间tlv3790.9983108 s1.27106s2106s所以介子可以到达地球答案 可以到
14、达方法技巧(1)根据本题的计算结果可知，只有当物体的运动速度很高，接近光速时，狭义相对论效应才明显(2)在相对论公式t1v2c2，ll01v2c2 中，v是观察者相对于被观察者的速度大小3一根10 m长的梭镖以接近光速的速度穿过一根10 m 长的管子，它们的长度都是在静止状态下测量的以下哪种叙述最好地描述了梭镖穿过管子的情况()A梭镖收缩变短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它B管子收缩变短，因此在某些位置上，梭镖从管子两端伸出来C两者都收缩，且收缩量相等，因此在某个位置，管子恰好遮住梭镖D所有这些都与观察者的情况有关解析：由长度相对性ll01vc2 可知，如果你是在相对管子静止的参照系中观察
15、运动着的梭镖，那么梭镖看起来就比管子短，在某些位置梭镖会完全处在管子内部然而当你和梭镖一起运动时，你看到的管子就缩短了，所以在某些位置，你可以看到梭镖两端都伸出管子又如你在梭镖和管子之间运动，运动的速度是在梭镖运动的方向上，而大小是其一半，那么梭镖和管子都相对你运动，且速度的大小一样你看到这两样东西都缩短了，且缩短的量相同所以你看到的一切都是相对的依赖于你所选的参照系答案：D4设有宇宙飞船A和B，固有长度均为L0100 m，沿同一方向匀速飞行，在飞船B上观测到飞船A的船头、船尾经过飞船B的船头的时间间隔为53106 s，求飞船B相对飞船A的速度的大小已知真空中光速为c.答案：0.196c解析：
16、经分析可知飞船B是以飞船A为参考系的，设飞船B相对飞船A的速度为v，根据题意有vLtL01v2c2t解得飞船B相对飞船A的速度v0.196c.1下列说法中正确的是()A相对性原理能简单而自然地解释电磁学的问题B在真空中，若物体以速度v背离光源运动，则光相对物体的速度为cvC在真空中，若光源向着观察者以速度v运动，则光相对于观察者的速度为cvD迈克耳孙莫雷实验得出的结果是：不论光源与观察者做怎样的相对运动，光速都是一样的解析：相对性原理简单而自然，但在电磁学的领域里，涉及相对哪个参考系才成立的问题，选项A错误；根据狭义相对论的光速不变原理，易知选项B、C错误，D正确答案：D2如图所示，强强乘坐速
17、度为0.9c(c为光速)的宇宙飞船追赶正前方的壮壮，壮壮的飞行速度为0.5c，强强向壮壮发出一束光进行联络，则壮壮观测到该光束的传播速度为()A0.4c B0.5cC0.9cDc解析：由狭义相对论的基本假设光速不变原理知，真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，可知D正确答案：D3如图所示，a、b、c为三个完全相同的时钟，a放在水平地面上，b、c分别放在以速度vb、vc向同一方向飞行的两枚火箭上，且vbvc，则地面的观察者认为走得最慢的钟为()AaBbCcD无法确定解析：根据公式t1vc2可知，相对于观察者的速度v越大，其上的时间进程越慢，由vcvbva0知，在地面的观察者看来c钟走得最慢答案：C4地面上长100 km的铁路上空有一火箭沿铁路方向以30 km/s的速度掠过，则火箭上的人看到铁路的长度应该为多少？如果火箭的速度达到0.6c，则火箭上的人看到的铁路的长度又是多少？解析：当火箭速度较低时，长度基本不变，还是100 km.当火箭的速度达到0.6c时，由相对论长度公式ll01vc2代入相应的数据解得l100 10.62 km80 km.答案：100 km 80 km04课后 达标检测