人教版選修34 第十五章 12 相對論的誕生 時間和空間的相對性 學(xué)案.doc

1相對論的誕生2時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驗基礎(chǔ)和它的兩個基本假設(shè).2.知道狹義相對論的幾個主要結(jié)論.3.了解經(jīng)典時空觀與相對論時空觀的主要區(qū)別，體會相對論的建立對人類認(rèn)識世界的影響一、相對論的誕生1經(jīng)典的相對性原理(1)慣性系：牛頓運動定律能夠成立的參考系相對一個慣性系做勻速直線運動的另一個參考系也是慣性系(2)伽利略相對性原理：力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的2相對性原理與電磁規(guī)律邁克耳孫莫雷實驗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二、時間和空間的相對性1“同時”的相對性(1)經(jīng)典的時空觀：在同一個慣性系中不同地點同時發(fā)生的兩個事件，在另一個慣性系中觀察也是同時的(2)相對論的時空觀：“同時”具有相對性，即在同一個慣性系中不同地點同時發(fā)生的兩個事件，在另一個慣性系中觀察不一定是同時的2長度的相對性(1)經(jīng)典的時空觀：一條桿的長度不會因為觀察者是否與桿做相對運動而不同(2)狹義相對論認(rèn)為“動尺變短”：狹義相對論中的長度公式：ll0，但垂直于桿的運動方向上，桿的長度不變3時間間隔的相對性(1)經(jīng)典的時空觀：某兩個事件，在不同的慣性系中觀察，它們的時間間隔總是相同的(2)狹義相對論認(rèn)為“動鐘變慢”：時間間隔的相對性公式t.4經(jīng)典時空觀和狹義相對論時空觀(1)經(jīng)典時空觀：空間和時間脫離物質(zhì)而存在，是絕對的，空間和時間沒有聯(lián)系，即與物質(zhì)的運動狀態(tài)無關(guān)(2)狹義相對論時空觀：有物質(zhì)才有時間和空間，空間和時間與物質(zhì)運動狀態(tài)有關(guān)即學(xué)即用判斷下列說法的正誤(1)一根桿的長度不會因為觀察者是否與桿做相對運動而不同，這是經(jīng)典物理學(xué)的觀點()(2)一根桿的長度靜止時為l0，不管桿如何運動，桿的長度均小于l0.()(3)“動鐘變慢”是時鐘的精度因運動而發(fā)生了變化()(4)高速運動的飛船中的宇航員發(fā)現(xiàn)地面的時鐘變慢了()一、經(jīng)典的相對性原理與狹義相對論導(dǎo)學(xué)探究(1)如圖1所示，小球相對于參考系o以速度v0向右拋出，人相對于參考系o靜止，當(dāng)參考系o相對于參考系o靜止、以速度v向右運動和以速度v向左運動時，人觀察到小球的速度分別為多大？圖1(2)如圖2所示，光源相對于參考系o靜止，人相對于參考系o靜止，當(dāng)參考系o相對于參考系o靜止、以速度v向右運動和以速度v向左運動時，人觀察到的光源發(fā)出光的傳播速度分別為多大？圖2答案(1)分別為v0、v0v、v0v(2)人觀察到的光速都是c知識深化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動的物體都是慣性系，相對于地面做變速運動的物體都是非慣性系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.例1關(guān)于狹義相對論，下列說法不正確的是()a狹義相對論認(rèn)為在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的b狹義相對論認(rèn)為在一切慣性系中，光在真空中的速度都等于c，與光源的運動無關(guān)c狹義相對論只涉及無加速運動的慣性系d狹義相對論任何情況下都適用答案d解析根據(jù)狹義相對論的基本假設(shè)可知，選項a、b正確；狹義相對論只涉及慣性參考系，不涉及非慣性參考系，選項d錯誤，c正確例2如圖3所示，強強乘坐速度為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，強強向壯壯發(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()圖3a0.4cb0.5cc0.9cdc答案d解析根據(jù)愛因斯坦狹義相對論，在任何參考系中，光速不變，即光速不隨光源和觀察者所在參考系的相對運動而改變，所以壯壯觀測到該束光的傳播速度為c，所以a、b、c錯誤1各物理量有可能因為所選擇參考系的不同而不同，但是它們遵循的物理規(guī)律是相同的2光速不變原理強調(diào)真空中的光速恒定不變，與光源、觀察者間的相對運動沒有關(guān)系二、時間和空間的相對性導(dǎo)學(xué)探究如圖4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，車尾正好到達(dá)站臺最左端的b人圖4(1)若此時站臺上的觀察者c看到a、b兩人同時面向列車舉起手中的小紅旗，那么站在列車中點的觀察者c看到a、b兩人是同時舉旗的嗎？如果不是同時舉旗，他會看到哪個人先舉旗？(2)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？(3)假定列車上的觀察者c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間為t，站臺上的觀察者c觀察到他舉旗的時間也為t嗎？如果不是t，他認(rèn)為這個時間比t長還是短？答案(1)不是同時舉旗，他看到a人先舉旗(2)列車長度和站臺長度不相同，他認(rèn)為列車長(3)不是t，他認(rèn)為這個時間比t長例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，長度基本不變，還是100 km.當(dāng)火箭的速度達(dá)到0.6c時，由相對論長度公式ll0代入相應(yīng)的數(shù)據(jù)解得：l100 km80 km.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，還是運動參考系中的觀察結(jié)果.(3)應(yīng)用“尺縮效應(yīng)公式”或“時間延緩效應(yīng)公式”進(jìn)行計算.例4介子是一種不穩(wěn)定粒子，平均壽命是2.6108s(在它自己的參考系中測得)(1)如果此粒子相對于實驗室以0.8c的速度運動，那么在實驗室坐標(biāo)系中測量的介子壽命多長？(2) 在(1)中實驗室坐標(biāo)系里測量的介子在衰變前運動了多長距離？答案(1)4.3108s(2)10.32m解析(1)介子在實驗室中的壽命為t s4.3108 s.(2)該粒子在衰變前運動的距離為xvt0.831084.3108 m10.32 m.1(經(jīng)典相對性原理)以下說法中正確的是()a經(jīng)典物理中的速度合成公式在任何情況下都是適用的b經(jīng)典物理規(guī)律也適用于高速運動的物體c力學(xué)規(guī)律在一個靜止的參考系和一個勻速運動的參考系中是不等價的d力學(xué)規(guī)律在任何慣性系里都是等價的答案d解析在所有慣性系中，一切力學(xué)規(guī)律都是等價的，故d正確，c錯誤；經(jīng)典物理規(guī)律是狹義相對論在低速狀態(tài)下的一個近似，所以經(jīng)典物理規(guī)律只適用于低速運動的物體，而經(jīng)典物理中的速度合成公式也只適用于低速情況，故a、b均錯誤2(狹義相對論)(多選)下面說法正確的是()a在以c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c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c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錯誤3(空間的相對性)慣性系s中有一邊長為l的正方形(如圖5所示)從相對s系沿x軸方向以接近光速勻速飛行的飛行器上測得此正方形的圖形是()圖5答案c解析從相對s系沿x軸方向以接近光速勻速飛行的飛行器上觀察s系中的正方形，根據(jù)相對論效應(yīng)可知，沿x軸方向正方形邊長縮短，而沿y軸方向正方形邊長沒有改變，則其形狀變成長方形，故c正確，a、b、d錯誤4(時間的相對性)如圖6所示，a、b、c是三個完全相同的時鐘，a放在地面上，b、c分別放在以速度vb和vc朝同一方向飛行的兩枚火箭上，且vbvc.地面上的觀察者認(rèn)為哪個時鐘走得最慢？哪個時鐘走得最快？圖6答案火箭c上的時鐘走得最慢，地面上的時鐘走得最快解析根據(jù)公式t可知，相對于觀察者的速度v越大，其上的時間進(jìn)程越慢，地面上的觀察者認(rèn)為c鐘走得最慢，因為它相對于觀察者的速度最大；由t知sbsscssd無法判斷答案a解析觀察者b以0.8倍光速平行y軸正方向運動，根據(jù)尺縮效應(yīng)可知，b觀察到的鐘沿y軸方向的直徑將減小，而沿z軸方向的直徑不變，鐘的面積將比靜止的觀察者看到的面積要小，即s大于s，故選a.6假設(shè)地面上有一火車以接近光速的速度運行，其內(nèi)站立著一個中等身材的人，站在路旁的人觀察車?yán)锏娜?，觀察的結(jié)果是()a這個人是一個矮胖子b這個人是一個瘦高個子c這個人矮但不胖d這個人瘦但不高答案d解析取路旁的人為慣性系，車上的人相對于路旁的人高速運動，根據(jù)尺縮效應(yīng)，人在運動方向上將變窄，但在垂直于運動方向上沒有發(fā)生變化，故選d.7(多選)用相對論的觀點判斷，下列說法正確的是()a時間和空間都是絕對的，在任何參考系中一個事件發(fā)生的時間和一個物體的長度總不會改變b在地面上看，以10km/s的速度運動的飛船中的時鐘會變快，但是飛船中的宇航員卻看到時鐘是準(zhǔn)確的c在地面上的人看來，以10km/s的速度運動的飛船在運動方向上會變短，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)物體運動的速度v遠(yuǎn)小于c時，“長度收縮”和“時間膨脹”效果可忽略不計答案cd解析時間和空間都是相對的，沒有絕對準(zhǔn)確的時間和空間，所以a、b錯誤；由ll0可知兩處的人都感覺ll0，所以c正確；由尺縮效應(yīng)和時間延緩效應(yīng)公式可知，當(dāng)v遠(yuǎn)小于c時，尺縮效應(yīng)和時間延緩效應(yīng)都可以忽略不計，所以d正確8.如圖2所示，在一個高速轉(zhuǎn)動的巨大轉(zhuǎn)盤上放著a、b、c三個時鐘，下列說法正確的是()圖2aa時鐘走時最慢，b時鐘走時最快ba時鐘走時最慢，c時鐘走時最快cc時鐘走時最慢，a時鐘走時最快db時鐘走時最慢，a時鐘走時最快答案c解析a、b、c三個時鐘中，c相對于地面的速度最大，a相對于地面的速度最?。挥蓆可知，c時鐘走時最慢，a時鐘走時最快，故選項c正確9如圖3，假設(shè)一根10m長的梭鏢以光速穿過一根10m長的管子，它們的長度都是在靜止?fàn)顟B(tài)下測量的以下敘述中最好地描述了梭鏢穿過管子情況的是()圖3a梭鏢收縮變短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它b管子收縮變短，因此在某些位置上，梭鏢從管子的兩端伸出來c兩者都收縮，且收縮量相等，因此在某個位置，管子恰好遮住梭鏢d所有這些都與觀察者的運動情況有關(guān)答案d解析如果你是在相對于管子靜止的參考系中觀察運動著的梭鏢，那么梭鏢看起來就比管子短，在某些位置梭鏢會完全在管子內(nèi)部然而當(dāng)你和梭鏢一起運動時，你看到的管子就縮短了，所以在