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第十五章相对论简介1相对论的诞生2时间和空间的相对性[学习目标]1.知道经典的相对性原理，能说出狭义相对论的实验基础和它的两个基本假设.2.能说出狭义相对论的几个主要结论．(重点)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．(难点)自主探新知预习一、相对论的诞生1．经典的相对性原理(1)表述一：力学规律在任何惯性系中都是______．(2)表述二：在一个__________内进行的任何力学实验都不能判断这个__________是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动．(3)表述三：任何惯性参考系都是____的．相同的惯性参考系惯性参考系平权2．狭义相对论的两个基本假设(1)狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切________都是相同的．(2)光速不变原理：______的光速在________________中都是相同的．物理规律真空中不同的惯性参考系二、时间和空间的相对性1．“同时”的相对性(1)经典时空观：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．同时相对可能不是同时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______，一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比静止长度__，但在垂直于杆的运动方向上，杆的长度________．相对运动相对性小没有变化(3)相对长度公式：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＝.l01－vc23．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)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，惯性系____越大，惯性系中的________进行得越慢．非但如此，惯性系中的一切_______________________都变慢了．相同不同速度时间进程物理、化学过程和生命过程(3)相对时间间隔公式：设Δτ表示静止的惯性系中观测的时间间隔，Δt表示以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＝.Δτ1－vc21．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)(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)根据相对论的时空观，“同时”具有相对性．()(4)相对论时空观认为，运动的杆比静止的杆长度变大．()(5)高速飞行的火箭中的时钟要变慢．()√√√×√2．下列关于狭义相对性原理的说法中不正确的是()A．狭义相对性原理是指力学规律在一切参考系中都成立B．狭义相对性原理是指一切物理规律在一切参考系中都成立C．狭义相对性原理是指一切物理规律在所有惯性系中都成立D．狭义相对性原理与伽利略相对性原理没有区别E．相对性原理对一切自然规律都适用ABD[根据狭义相对性原理的内容，在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的．一定要注意它和伽利略相对性原理的区别，即狭义相对性原理中的“规律”是一切物理规律，而经典相对性原理中的“规律”只是指经典物理学的规律，范围要小许多．]3.假设甲在接近光速的火车上看地面上乙手中沿火车前进方向放置的直尺，同时地面上的乙看甲手中沿火车前进方向放置的直尺，则下列说法中正确的是()A．甲看到乙手中的直尺长度比乙看到自己手中的直尺长度大B．甲看到乙手中的直尺长度比乙看到自己手中的直尺长度小C．乙看到甲手中的直尺长度比甲看到自己手中的直尺长度大D．乙看到甲手中的直尺长度比甲看到自己手中的直尺长度小BD[由l＝l0l－v2c2可知，运动的观察者观察静止的尺子和静止的观察者观察运动的尺子时，都出现尺缩效应，即都发现对方手中的尺子比自己手中的短，故B、D正确．]合作攻重难探究相对论的诞生1．惯性系和非惯性系牛顿运动定律能够成立的参考系，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，并不需要初始条件，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(c－v)而不是c，好像电磁规律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，光速都是一样的．【例1】如图所示，思考以下几个问题：(光速用c表示)(1)若参考系O′相对于参考系O静止，人看到的光速应是多少？(2)若参考系O′相对于参考系O以速度v向右运动，人看到的光速应是多少？(3)若参考系O相对于参考系O′以速度v向左运动，人看到的光速又是多少？[解析]根据狭义相对论的光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，光速与光源、观察者间的相对运动没有关系．因此三种情况下，人观察到的光速都是c.[答案](1)c(2)c(3)c(1)爱因斯坦提出的两条基本假设是相对论的基础，对同时的相对性等经典力学所无法解决的问题，应紧紧抓住两条基本假设这一关键点来解决．(2)真空中对不同的惯性参考系来说，光速都是相同的．(3)经典力学的结论是有一定局限性的，一般只适用于宏观物体的低速运动．1．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，即在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c.[答案]ccc时间和空间的相对性1.“动尺缩短”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．2．“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．3．分析时间间隔和长度变化时应注意的问题(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．4．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，空间和时间没有联系，即与物质的运动无关．(2)狭义相对论时空观：空间和时间与物质运动状态有关．【例2】用相对论的观点判断，下列说法正确的是()A．时间是绝对的，空间是相对的B．时间和空间都是绝对的，在任何参考系中一个事件发生的时间和一个物体的长度总不会改变C．在地面上的人看来，高速运动的飞船中的时钟会变慢，但是飞船中的宇航员却看到时钟是准确的D．在地面上的人看来，高速运动的飞船在运动方向上会变窄，而飞船中的宇航员却感觉到地面上的人看起来比飞船中的人扁一些E．当物体运动的速度v≪c时，“时间膨胀”和“长度收缩”效应可忽略不计CDE[时间和空间都是相对的，故选项A、B的说法错误；根据“时间膨胀”和“长度收缩”效应，选项C、D的说法正确；当速度v≪c时，1－vc2≈1，所以“时间膨胀”和“长度收缩”效应可忽略不计，故选项E说法正确．]应用相对论“效应”解题的一般步骤(1)应该通过审题确定研究对象及研究对象的运动速度．(2)明确求解的问题，即明确求解静止参考系中的观察结果，还是运动参考系中的观察结果．(3)应用“尺缩效应公式”或“时间延缓效应公式”进行计算．2．某宇航员要到离地球5光年的星球上去旅行，如果希望把这路程缩短为3光年，则他所乘飞船相对地球的速度为________．[解析]由l＝l01－vc2得，3＝51－vc2，解得v＝0.8c.[答案]0.8c课堂小结知识脉络1.经典的相对性原理.2.狭义相对论的两个基本假设.3.狭义相对论关于时空相对性的主要结论.4.经典时空观与相对论时空观的主要区别.