6.1-6.3-牛顿力学中运动的相对性-狭义相对论的两个基本假设-时间、长度的相对性

第六章相对论6.1-6.3牛顿力学中运动的相对性狭义相对论的两个基本假设时间、长度的相对性1.了解牛顿力学中运动的相对性.2.了解伽利略相对性原理及其速度变换公式.3.了解狭义相对论的两个基本假设.4.了解狭义相对论的几个主要结论.5.了解经典时空观与相对论时空观的重要区别.学习目标定位学习探究区一、牛顿力学中运动的相对性二、狭义相对论的两个基本假设三、同时的相对性时间间隔的相对性四、长度的相对性相对论时空观一、牛顿力学中运动的相对性返回1.在一艘大船密闭的船舱里，你能否通过观察自由释放的小球的运动判断大船是静止还是在匀速行驶？答案不能.因为不论大船是静止还是匀速行驶，观察到小球的运动都是相同的，而且都要落在释放点的正下方.2.若大船相对地面以速率u向前匀速行驶，船上某人相对船以v′向前跑，则他相对地面的速率是多少？若此人以v′向船后跑呢？答案若此人相对船以v′向前跑，则他相对地面的速率为v1＝u＋v′；若向船后跑，则他相对地面的速率为v2＝u－v′.问题设计一、牛顿力学中运动的相对性返回1.伽利略相对性原理(1)惯性系：如果定律在某个参考系中成立，这个参考系叫做惯性系，相对这个惯性系做运动的另一个参考系也是惯性系.(2)伽利略相对性原理：的规律在任何惯性系中都是一样的.要点提炼牛顿运动匀速直线力学一、牛顿力学中运动的相对性返回2.经典时空观经典时空观认为时间和空间是脱离物质而存在的，是绝对的，时间和空间是相互独立、互不相关的.3.伽利略速度变换公式若车厢相对地面以u向前行驶，车厢内人相对车厢以速率v′向前跑，则人对地面的速率为v＝；若人向车后跑时，相对地面的速率为v＝.u＋v′u－v′一、牛顿力学中运动的相对性返回一辆匀速行驶的汽车车厢内，实验者是否可以不受场地的影响来进行用单摆测定重力加速度的实验？答案匀速行驶的汽车属于惯性系，所以他能够完成这个实验，且与地面上的结果无异.延伸思考二、狭义相对论的两个基本假设返回如图1所示，光源在参考系O中(1)根据伽利略速度变换公式，计算当参考系O′与参考系O相对静止时，O′相对于O以速度v向右匀速运动时以及O′相对于O以速度v向左匀速运动时人看到的光速分别是多少？(2)根据狭义相对论原理，在不同的参考系中，光速的大小是不同的吗？(3)伽利略速度变换公式是错误的吗？问题设计图1二、狭义相对论的两个基本假设答案(1)分别为c、c－v、c＋v(2)光速对不同的参考系，值是相同的，即光速不变(3)伽利略速度变换公式适用于低速运动的情况返回二、狭义相对论的两个基本假设返回狭义相对论的两个基本假设1.爱因斯坦相对性原理对不同的惯性系，(包括的和的)都是一样的.2.光速不变原理光在真空中运动的速度在任何惯性参考系中测得的数值都是的.要点提炼物理规律力学电磁相同三、同时的相对性时间间隔的相对性返回1.如图2所示，一列火车沿平直轨道飞快地匀速行驶，车厢中央的光源发出了一个闪光，闪光照亮了车厢的前壁和后壁.车上的人观察到闪光是同时照亮前后壁吗？地面上的人是怎么认为的？图2答案车上的人认为闪光同时照亮了前后壁，地面上的人认为先照亮后壁.问题设计三、同时的相对性时间间隔的相对性返回2.某人在这列火车上拍了两下桌子，车上的人观测的两次拍桌子的时间间隔与地面上的人观测的时间间隔相同吗？答案不同.三、同时的相对性时间间隔的相对性返回1.“同时”的相对性(1)经典物理学认为：如果两个事件在一个参考系中是同时发生的，那么在另一个参考系中观察也一定是同时发生的，即同时是绝对的.(2)狭义相对论的时空观认为：同时是的，即在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(填“一定”或“不一定”)是同时发生的.要点提炼相对不一定三、同时的相对性时间间隔的相对性返回2.时间间隔的相对性(1)经典的时空观：某两个事件，在不同的惯性系中观察，它们的时间间隔总是的.(2)狭义相对论认为“动钟变慢”：时间间隔的相对性公式τ＝，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，这叫做狭义相对论中的时间膨胀.τ01－u2c2相同四、长度的相对性相对论时空观返回如图3所示，假设杆MN沿着车厢的运动方向固定在火车上，且与火车一起运动，火车上的人测量杆的长度与地面上的人测得杆的长度相同吗？图3答案不同.问题设计四、长度的相对性相对论时空观返回1.长度的相对性(尺缩效应)(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)狭义相对论认为“动尺变短”：狭义相对论中的长度公式：l＝l0，但垂直于杆的运动方向上，杆的长度.要点提炼1－u2c2相对运动不变四、长度的相对性相对论时空观返回2.经典时空观和狭义相对论时空观(1)经典时空观：空间和时间脱离物质而存在，是绝对的，空间和时间，即与物质的运动.(2)狭义相对论时空观：空间和时间与物质运动状态.没有联系无关有关返回典例精析例1根据狭义相对论原理，考虑以下几个问题：(1)如图4所示，参考系O′相对于参考系O静止时，人看到的光速应是多少？(2)参考系O′相对于参考系O以速度v向右运动时，人看到的光速应是多少？(3)参考系O′相对于参考系O以速度v向左运动时，人看到的光速又是多少？一、对狭义相对论的理解图4返回典例精析解析光速不变原理指的是真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的.故三种情况下人看到的光速都是c.答案(1)c(2)c(3)c一、对狭义相对论的理解返回典例精析例2如图5所示，沿平直铁路线有间距相等的三座铁塔A、B和C.假想有一列车沿AC方向以接近光速行驶，当铁塔B发出一个闪光，列车上的观测者测得A、C两铁塔被照亮的顺序是()A.同时被照亮B.A先被照亮C.C先被照亮D.无法判断二、时间、时空的相对性图5返回典例精析解析列车上的观察者看到的是由B发出后经过A和C反射的光，由于列车在这段时间内向C运动，靠近C而远离A，所以C的反射光先到达列车上的观察者，看到C先被照亮，故只有C正确.答案C二、时间、时空的相对性返回典例精析例3在一飞船上测得飞船的长度为100m，高度为10m.当飞船以0.60c的速度从你身边经过时，按你的测量，飞船有多高、多长？解析因为长度收缩只发生在运动的方向上，与运动垂直的方向上没有这种效应，故测得的飞船的高度仍为原来高度10m.设飞船原长为l0，观测到飞船的长度为l，则根据“动棒缩短”有所以观测到飞船的高度和长度分别为10m、80m.答案观测到飞船的高度和长度分别为10m、80m.二、时间、时空的相对性l＝l01－uc2＝100×1－0.60cc2m＝80m.返回课堂要点小结相对论的诞生经典相对性原理狭义相对论的两个基本假设爱因斯坦相对性原理光速不变原理时间和空间的相对性同时的相对性长度的相对性l＝l0时间间隔的相对性τ＝1－uc2τ01－uc2自我检测区1231.(狭义相对论)关于狭义相对论，下列说法不正确的是()A.狭义相对论认为在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的B.狭义相对论认为在一切惯性系中，光在真空中的速度都等于c，与光源的运动无关C.狭义相对论只涉及无加速度运动的惯性系D.狭义相对论任何情况下都适用解析由狭义相对论原理可知D错误.123D2.(狭义相对论)如图6所示，强强乘坐速度为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()图6A.0.4cB.0.5cC.0.9cD.c123D3.(时间和时空的相对性)如图7所示，某车沿水平方向高速行驶，车厢中央的光源发出一个闪光，闪光照到了车厢的前、后壁，则地面上的观察者认为该闪光________(选填“先到达前壁”、“先到达后壁”或“同时到达前后壁”)，同时他观察到车厢的长度比静止时变________(选填“长”或“短”)了.图7123短先到达后壁123解析地面上的观察者认为地面是一个惯性系，闪光向前、后传播的速度相对地面是相同的，但是在闪光飞向两壁的过程中，车厢向前行进了一段距离，所以向前的光传播的路程长些，到达前壁的时间也就晚些，即地面上的观察者认为该闪光先到达后壁.根据长度的相对性可知：一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度小.故可以得出观察者观察到车厢的长度比静止时变短.答案先到达后壁短