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第十五章相对论简介第1节相对论的诞生第2节时间和空间的相对性第十五章相对论简介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．一、相对论的诞生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)伽利略相对性原理：______规律在任何______系中都是相同的．牛顿运动匀速直线力学惯性2．狭义相对论的两个基本假设(1)狭义相对性原理：在不同的______参考系中，一切______规律都是相同的．(2)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．二、时间和空间的相对性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的，在另一个参考系中一定也是______的．惯性物理相同同时(2)狭义相对论的时空观认为：同时是______的，即在同一个参考系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个参考系中不一定是______的．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______时的长度小．与杆相对静止的人认为杆长为l0，与杆相对运动的人认为杆长是l，那么两者之间的关系是：l＝__________．相对同时相对运动相对静止l01－vc2Δτ1－vc23．时间间隔的相对性(1)经典物理学认为：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)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Δτ表示相对事件发生地静止的惯性系中观测的时间间隔，Δt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Δt＝_________________.相同不同4．相对论的时空观(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没有联系的．(2)相对论时空观：空间和时间与物质的__________有关．绝对运动状态判一判(1)静止或匀速直线运动的参考系是惯性系．()(2)由于在任何惯性系中力学规律都是相同的，因此，研究力学问题时可以选择任何惯性系．()(3)在不同的惯性系中，光速是不相同的．()√√×想一想经典时空观和狭义相对论时空观中，空间和时间有什么不同？提示：经典时空观中空间和时间是绝对的，与物质的运动状态无关；在狭义相对论时空观中，空间和时间是相对的，与物质的运动状态有关．对狭义相对论的理解1．惯性系和非惯性系：牛顿运动定律能够成立的参考系为惯性系，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．相对性原理(1)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是一个常量．(2)迈克耳孙—莫雷实验证明：不论光源与观察者做怎样的相对运动，光速都是相同的．3．爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设(1)在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的；(2)真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的．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]根据狭义相对论的基本假设可知，选项A、B正确；狭义相对论只涉及惯性参考系，不涉及非惯性参考系，选项D错误，选项C正确．[答案]D(1)各物理量有可能因为所选择参考系的不同而不同，但是它们遵从的物理规律是相同的．(2)光速不变原理强调真空中的光速不变，与光源、观察者间的相对运动没有关系．(多选)设某人在速度为0.5c的飞船上打开一个光源，则下列说法正确的是()A．飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为1.5cB．飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为0.5cC．在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是cD．在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c解析：选CD.根据狭义相对论的“光速不变原理”可知，真空中的光速在不同的惯性系中都是相同的，所以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.时间和空间的相对性1．“同时”的相对性(1)“同时”的相对性：“同时”具有相对性，即在同一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是不同时的，即同时是相对的．即两个事件是否同时发生，与参考系的选择有关．(2)“同时”的相对性的理解如图所示，列车以速度v匀速直线运动，车厢中央有一闪光灯发出光信号，光信号到车厢前壁B为事件1，到车厢后壁A为事件2；地面为S系，列车为S′系．在S′系中的观察者认为：闪光灯发出的光信号以速度c分别向A、B传播，且传播距离相等，则同时照射到B、A上，即事件1、2同时发生．在S系中的观察者认为：闪光灯发出的光信号也是以速度c分别向A、B传播，由于车厢向右运动了一段距离，故光到达B处比到达A处传播的距离大，因此光先照到A处，即事件1、2不是同时发生的．2．长度的相对性——“动尺变短”狭义相对论中的长度公式：l＝l01－vc2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．3．时间间隔的相对性——动钟变慢时间间隔的相对性公式：Δt＝Δτ1－vc2中，Δτ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Δt是相对于事件发生地以速度v高速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．(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．如图所示，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[解析]以列车为参考系，塔A、B、C向左高速运动，列车中的观测者认为光从B→A的距离大于光从B→C的距离，由t＝lc知，光从B→C用时短，C先被照亮，故C项正确.[答案]C【通关练习】1．一张长、宽均为5m的宣传画，平行地贴于铁路旁边的墙上，一超高速列车以2×108m/s的速度接近此宣传画，这张画由司机测量高度为多少？长度为多少？解析：垂直速度方向的长度不变，高度仍然是5m，运动方向向上长度变短，即为l＝l01－v2c2＝5×1－（2×108）2（3×108）2m≈3.7m所以，司机看到的画面尺寸高为5m，长度3.7m．答案：5m3.7m2．π＋介子是一种不稳定粒子，平均寿命是2.6×10－8s(在自己的参考系中测得)．(1)如果此粒子相对于实验室以0.8c的速度运动，那么在实验室坐标系中测量的π＋介子寿命多长？(2)π＋介子在衰变前运动了多长距离？解析：(1)π＋介子在实验室中观察的寿命为Δt＝Δτ1－v2c2＝2.6×10－81－0.82s≈4.3×10－8s.(2)该粒子在衰变前运动的距离为x＝vΔt＝0.8×3×108×4.3×10－8m＝10.32m.答案：(1)4.3×10－8s(2)10.32m