人教版選修34 相對論的誕生 時(shí)間和空間的相對性 第1課時(shí) 學(xué)案.docx

15.1相對論的誕生15.2時(shí)間和空間的相對性學(xué)習(xí)目標(biāo)： 1 .理解經(jīng)典的相對性原理 2 .了解光的傳播與經(jīng)典的速度合成法則之間的矛盾 3 .理解狹義相對論的兩個(gè)基本假設(shè) 4 .理解同時(shí)的相對性、時(shí)間間隔的相對性和長度的相對性 5 .知道時(shí)間和空間不是脫離物質(zhì)而單獨(dú)存在的重點(diǎn)：狹義相對論的幾個(gè)主要結(jié)論難點(diǎn)：經(jīng)典時(shí)空觀與相對論時(shí)空觀的主要區(qū)別預(yù)習(xí)新課：新課導(dǎo)入1971年人類將三只銫原子鐘分別放到地面和噴氣式飛機(jī)上驗(yàn)證相對論：在地面將三個(gè)銫原子鐘調(diào)整同步，把兩個(gè)分別放在向東、向西在赤道上空高速飛行的飛機(jī)上，飛行一周后與留在地面的銫原子鐘比較，三只銫原子鐘跑的不一樣快，為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象呢？通過這節(jié)課的學(xué)習(xí)，將明白其中的道理 相對論的誕生1 .基本知識(1)經(jīng)典的相對性原理表述一：力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的表述二：在一個(gè)慣性參考系內(nèi)進(jìn)行的任何力學(xué)實(shí)驗(yàn)都不能判斷這個(gè)慣性參考系是否相對于另一個(gè)慣性系做勻速直線運(yùn)動表述三：任何慣性參考系都是平權(quán)的(2)狹義相對論的兩個(gè)基本假設(shè)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 2 .思考判斷(1)靜止或勻速直線運(yùn)動的參考系是慣性系()(2)由于在任何慣性系中力學(xué)規(guī)律都是相同的，因此，研究力學(xué)問題時(shí)可以選擇任何慣性系()(3)在不同的慣性系中，光速是不相同的() 3 .探究交流一只蒼蠅從一列時(shí)速300千米的火車?yán)锲痫w，按理說，它的飛行時(shí)速至少要達(dá)到300千米才能追得上火車請問：當(dāng)它起飛后，它是會被甩到車尾摔死，還是安然無恙？【提示】蒼蠅起飛前相對火車靜止，所以已經(jīng)擁有火車300千米的時(shí)速，因此起飛后安然無恙 時(shí)間和空間的相對性1 .基本知識(1)“同時(shí)”的相對性經(jīng)典的時(shí)空觀：在同一個(gè)慣性系中不同地點(diǎn)同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，在另一個(gè)慣性系中觀察也是同時(shí)的相對論的時(shí)空觀：“同時(shí)”具有相對性，即在同一個(gè)慣性系中不同地點(diǎn)同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，在另一個(gè)慣性系中觀察可能不是同時(shí)的(2)“長度”的相對性經(jīng)典的時(shí)空觀：一條桿的長度不會因?yàn)橛^察者是否與桿做相對運(yùn)動而不同相對論的時(shí)空觀：“長度”也具有相對性，一條沿自身長度方向運(yùn)動的桿，其長度總比靜止長度小，但在垂直于桿的運(yùn)動方向上，桿的長度沒有變化相對長度公式：設(shè)相對于桿靜止的觀察者認(rèn)為桿的長度為l0，與桿有相對運(yùn)動的人認(rèn)為桿的長度為l，桿相對于觀察者的速度為v，則l、l0、v的關(guān)系是：ll0(3)時(shí)間間隔的相對性經(jīng)典的時(shí)空觀：某兩個(gè)事件，在不同的慣性系中觀察，它們的時(shí)間間隔總是相同的相對論的時(shí)空觀：某兩個(gè)事件，在不同的慣性參考系中觀察，它們的時(shí)間間隔是不同的，慣性系速度越大，慣性系中的時(shí)間進(jìn)程進(jìn)行得越慢非但如此，慣性系中的一切物理、化學(xué)過程和生命過程都變慢了相對時(shí)間間隔公式：設(shè)表示靜止的慣性系中觀測的時(shí)間間隔，t表示以v高速運(yùn)動的參考系中觀察同樣兩事件的時(shí)間間隔，則它們的關(guān)系是：t. 2 .探究交流運(yùn)動的時(shí)針變慢是不是因?yàn)闀r(shí)鐘的結(jié)構(gòu)因運(yùn)動發(fā)生了改變？【提示】運(yùn)動的時(shí)鐘變慢是在兩個(gè)不同的慣性系中進(jìn)行時(shí)間比較的一種效應(yīng)，不是因?yàn)闀r(shí)鐘的結(jié)構(gòu)或精度因運(yùn)動而發(fā)生了改變 經(jīng)典的相對性原理與狹義相對性【問題導(dǎo)思】 1 .慣性系與非慣性系有何不同？ 2 .如何理解相對性原理？ 1. 慣性系和非慣性系牛頓運(yùn)動定律能夠成立的參考系，相對于這個(gè)慣性系做勻速直線運(yùn)動的另一個(gè)參考系也是慣性系牛頓運(yùn)動定律不成立的參考系稱為非慣性系 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，即任何慣性參考系都是平權(quán)的 3. 相對性原理與電磁規(guī)律根據(jù)麥克斯韋的電磁理論，真空中的光速在任何慣性系中都是一個(gè)常量，但是按照伽利略的相對性原理，在不同慣性系中的光速應(yīng)是各不相同的邁克耳孫莫雷實(shí)驗(yàn)證明：不論光源和觀察者做怎樣的相對運(yùn)動，光速都是相同的 4. 邁克耳孫一莫雷實(shí)驗(yàn)(1)實(shí)驗(yàn)背景：根據(jù)麥克斯韋的電磁理論可以直接得到真空中電磁波的速度，并不需要初始條件，也就是說，“電磁波的速度是c”，這本身就是電磁規(guī)律的一部分，而不是電磁規(guī)律應(yīng)用于某個(gè)具體事物的結(jié)論于是，問題出現(xiàn)了：麥克斯韋的電磁理論相對哪個(gè)參考系成立？如果它相對參考系s是正確的，另外還有一個(gè)參考系s，s相對于s以速度v運(yùn)動，那么光相對于s的速度應(yīng)該是(cv)而不是c，好像電磁規(guī)律不是對任何慣性系都一樣(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)論：不論光源與觀察者做怎樣的相對運(yùn)動，光速都是一樣的狹義相對論認(rèn)為：光速c是宇宙中的最大速度，實(shí)際物體無論怎樣加速，其速度只能接近而不能超越光速c.飛船在高空以0.1c的速度向目標(biāo)飛行，從飛船上向目標(biāo)方向發(fā)射出一個(gè)光信號，則在地面的觀察者看來光信號的速度是1.1c嗎？【解析】由經(jīng)典力學(xué)的相對性原理可知，光信號相對地面的速度vc0.1c1.1c，但這一結(jié)論是錯(cuò)誤的根據(jù)狹義相對論知，真空中的光速相對于飛船為c，相對于地面也為c，對不同的慣性參考系都是相同的，這一判斷已被麥克耳孫莫雷實(shí)驗(yàn)所證實(shí)【答案】在地面的觀察者看來光信號的速度為c，不是1.1c. 1 .下列關(guān)于經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀，正確的是()a在經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀中，同時(shí)是絕對的，即在一個(gè)參考系中的觀察者在某一時(shí)刻觀察到的兩個(gè)事件，對另一參考系中的觀察者來說也是同時(shí)發(fā)生的b在經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀中，時(shí)間間隔是絕對的，即任何事件(或物體的運(yùn)動)所經(jīng)歷的時(shí)間，在不同的參考系中測量都是相同的，而與參考系的選取無關(guān)c在經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀中，空間距離是絕對的，即如果各個(gè)參考系中用來測量長度的標(biāo)準(zhǔn)相同，那么空間兩點(diǎn)距離是絕對不變的量值，而與參考系的選取無關(guān)d經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀就是一個(gè)絕對的時(shí)空觀，時(shí)間、空間與物體的運(yùn)動無關(guān)【解析】經(jīng)典的時(shí)空觀認(rèn)為，時(shí)間、空間均是絕對的，與物體的運(yùn)動狀態(tài)無關(guān)同時(shí)也是絕對的，即在一個(gè)參考系中同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，在不同參考系中觀察也是同時(shí)發(fā)生的，故a、b、c、d均正確【答案】abcd怎樣理解“動尺變短”和“動鐘變慢”【問題導(dǎo)思】 1 .如何理解動尺變短？ 2 .“動鐘變慢”的實(shí)質(zhì)是什么？ 1. 怎樣理解“動尺變短”狹義相對論中的長度公式：ll0中，l0是相對于桿靜止的觀察者測出的桿的長度，而l可以認(rèn)為是桿沿自己的長度方向以速度v運(yùn)動時(shí)，靜止的觀察者測量的長度還可以認(rèn)為是桿不動，而觀察者沿桿的長度方向以速度v運(yùn)動時(shí)測出的桿的長度 2. 怎樣理解“動鐘變慢”時(shí)間間隔的相對性公式：t中，是相對事件發(fā)生地靜止的觀察者測量同一地點(diǎn)的兩個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間間隔，而t是相對于事件發(fā)生地以速度v運(yùn)動的觀察者測量同一地點(diǎn)的同樣兩個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間間隔也就是說：在相對運(yùn)動的參考系中觀測，事件變化過程的時(shí)間間隔變大了，這叫做狹義相對論中的時(shí)間膨脹 3. 理解要點(diǎn)(1)時(shí)間間隔、長度的變化，都是由于物質(zhì)的相對運(yùn)動引起的一種觀測效應(yīng)，它與所選取的參考系有關(guān)，物質(zhì)本身的結(jié)構(gòu)并沒有變化(2)兩個(gè)事件的時(shí)間間隔和物體的長度，必須與所選取的參考系相聯(lián)系，如果在沒有選取參考系的情況下討論時(shí)間的長短及空間的尺寸，是沒有任何意義的以上結(jié)論是狹義相對論的必然結(jié)論，而狹義相對論的正確性已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，所以以上結(jié)論是高速世界中必然發(fā)生的現(xiàn)象，是客觀存在的事實(shí)，絕不是人們的主觀臆造，人們之所以平常觀察不到這些現(xiàn)象，是因?yàn)槲覀兩钤诘退龠\(yùn)動的世界里地面上長100 km的鐵路上空有一火箭沿鐵路方向以30 km/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0.6 c，則火箭上的人看到的鐵路的長度又是多少？【解析】當(dāng)火箭速度較低時(shí)，長度基本不變，還是100 km.當(dāng)火箭的速度達(dá)到0.6 c時(shí)，由相對論長度公式ll0代入相應(yīng)的數(shù)據(jù)解得：l100 km80 km.【答案】100 km80 km 2 .一觀察者測得運(yùn)動著的米尺為0.5 m長，求此米尺以多大的速度移動【解析】以觀察者為一參考系測得的長度為l，米尺為另一參考系，測得米尺的長度為l，根據(jù)公式ll，可得：vcc3.0108 m/s，l1 m，l0.5 m所以：v0.866 c2.60108 m/s.【答案】2.60108 m/s知識總結(jié)：課堂練習(xí)：1. 牛頓運(yùn)動定律不適用下列哪些情況()a研究原子核外部電子繞核運(yùn)動的情況b研究“神舟”八號的升空過程c研究地球繞太陽公轉(zhuǎn)d研究超音速飛機(jī)的運(yùn)動【解析】經(jīng)典力學(xué)不適用于微觀世界，故a錯(cuò)；b、c、d三個(gè)選項(xiàng)中，各種運(yùn)動的速率都是比較大的，但相對于光速來說都是低速運(yùn)動，完全可以用牛頓運(yùn)動定律研究其規(guī)律，故選a.【答案】a 2. 關(guān)于時(shí)間和空間，在學(xué)習(xí)狹義相對論后我們應(yīng)認(rèn)識到()a因?yàn)闀r(shí)間是絕對的，所以我們在不同的參考系中觀察到的時(shí)間進(jìn)程都是相同的b空間與時(shí)間之間是沒有聯(lián)系的c有物質(zhì)才有空間和時(shí)間d在一個(gè)確定的參考系中觀察，運(yùn)動物體的空間距離和時(shí)間進(jìn)程跟物體的運(yùn)動狀態(tài)有關(guān)【解析】經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為空間和時(shí)間是脫離物質(zhì)存在的，是絕對的，空間與時(shí)間之間也是沒有聯(lián)系的，在相對論力學(xué)中，時(shí)間和空間是和物質(zhì)的運(yùn)動相聯(lián)系的只有在物質(zhì)存在時(shí)才有空間和時(shí)間的概念，時(shí)間和空間是相互聯(lián)系且是相對的【答案】cd 3. 假設(shè)有一天某人坐在“神舟”號飛船上，以0.5c的速度遨游太空，當(dāng)他打開一個(gè)光源時(shí)，下列說法正確的是()a飛船正前方地面上的觀察者看到這一光速為1.5cb飛船正后方地面上的觀察者看到這一光速為0.5cc在垂直飛船前進(jìn)方向地面上的觀察者看到這一光速是cd在地面上任何地方的觀察者看到的光速都是c【解析】根據(jù)狹義相對論的假設(shè)(2)，真空中的光速相對于不同的慣性參考系是相同的，即在地面上任何地方的觀察者看到的光速都是c，a、b錯(cuò)誤，c、d正確【答案】cd 4. 屬于狹義相對論基本假設(shè)的是：在不同的慣性系中()a真空中光速不變b時(shí)間間隔具有相對性c物體的質(zhì)量不變d物體的能量與質(zhì)量成正比【解析】本題考查了相對論的基本知識，對于這類問題的解答重點(diǎn)在于有關(guān)基本知識的記憶上由狹義相對論的基本假設(shè)可知a項(xiàng)是正確的【答案】a 5. 考慮幾個(gè)問題：(1)如圖1511所示，參考系o相對于參考系o靜止時(shí)，人看到的光速應(yīng)是多少？圖1511(2)參考系o相對于參考系o以速度v向右運(yùn)動時(shí)，人看到的光速應(yīng)是多少？(3)參考系o相對于參考系o以速度v向左運(yùn)動時(shí)，人看到的光速又是多少？【解析】根據(jù)速度合成法則，第一種情況人看到的光速應(yīng)是c，第二種情況是cv，第三種情況應(yīng)是cv.而根據(jù)狹義相對論理論，光速是不變的，都應(yīng)是c.【答案】三種情況都是c作業(yè) 1. 關(guān)于狹義相對論的說法，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(yùn)動無關(guān)c狹義相對論只涉及無加速運(yùn)動的慣性系d狹義相對論在任何情況下都適用【解析】由狹義相對論的兩個(gè)基本假設(shè)可知，a、b均正確；狹義相對論只涉及無加速運(yùn)動的慣性系，故c正確，d錯(cuò)誤【答案】d 2. 愛因斯坦相對論的提出，是物理學(xué)思想的重大革命，因?yàn)樗?)a揭示了時(shí)間、空間并非絕對不變的屬性b借鑒了法國科學(xué)家拉瓦錫的學(xué)說c否定了牛頓力學(xué)的原理d修正了能量、質(zhì)量相互轉(zhuǎn)化的理論【解析】愛因斯坦相對論揭示了時(shí)間、空間并非絕對不變的屬性【答案】a 3 .有兄弟兩人，哥哥乘坐宇宙飛船以接近光速的速度離開地球去遨游太空，經(jīng)過一段時(shí)間返回地球，哥哥驚奇地發(fā)現(xiàn)弟弟比自己要蒼老許多，該現(xiàn)象的科學(xué)解釋是()a哥哥在太空中發(fā)生了基因突變，停止生長了b弟弟思念哥哥而加速生長了c由相對論可知，物體速度越大，物體上的時(shí)間進(jìn)程越慢，生理進(jìn)程也越慢d這是神話，科學(xué)無法解釋【解析】根據(jù)狹義相對論的理論，運(yùn)動的時(shí)鐘會變“慢”，哥哥相對于弟弟而言以接近光速的速度運(yùn)動，因而哥哥顯得比弟弟年輕，故選c.【答案】c 4. 下列說法中不正確的是()a一根桿的長度不會因?yàn)橛^察者是否與桿做相對運(yùn)動而不同，這是經(jīng)典物理學(xué)家的觀點(diǎn)b一根沿自身長度方向運(yùn)動的桿，其長度總比桿靜止時(shí)的長度小c一根桿的長度靜止時(shí)為l0，不管桿如何運(yùn)動，桿的長度均小于l0d如果兩根平行的桿在沿自己的長度方向上做相對運(yùn)動，與它們一起運(yùn)動的兩位觀察者都會認(rèn)為對方的桿縮短了【解析】若桿沿垂直于自身長度的方向運(yùn)動，它的長度將不變，c選項(xiàng)正確【答案】c圖1512 5. 如圖1512所示，你站在水平木桿ab的中央附近，并且看到木桿落在地面上時(shí)是兩端同時(shí)著地的，所以，你認(rèn)為這木桿是平著落到了地面上；若此時(shí)飛飛小姐正以接近光速的速度從你前面掠過，她看到b端比a端先落地，因而她認(rèn)為木桿是向右傾斜著落地的她的看法是()a正確的b錯(cuò)誤的c她應(yīng)感覺到木桿在朝她運(yùn)動d她應(yīng)感覺到木桿在遠(yuǎn)離她運(yùn)動【解析】當(dāng)飛飛小姐掠過木桿時(shí)，在她看來，木桿不僅在下落，而且還在朝她運(yùn)動，正好像星體朝你的飛船運(yùn)動一樣因此，在你看來同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，在飛飛小姐看來首先在b端發(fā)生到底在a和b處的兩個(gè)事件是同時(shí)發(fā)生，還是在b處先發(fā)生？這一問題是沒有意義的因?yàn)檫\(yùn)動是相對的，對運(yùn)動的描述取決于選擇的參考系對于你來說木桿是平著下落的，對飛飛小姐來說木桿是向右斜著下落的，雖然難以置信，但你和她都是正確的【答案】ac 6. 如圖1513所示，強(qiáng)強(qiáng)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(qiáng)強(qiáng)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1513a0.4cb0.5cc0.9c dc【解析】由狹義相對論的基本假設(shè)：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可知d正確【答案】d 7. 慣性系s中有一邊長為l的正方形(如圖a所示)，從相對s系沿x方向以接近光速飛行的飛行器上測得該正方形的圖象是()【解析】由相對論知識ll0得運(yùn)動方向上的邊的邊長變短，垂直運(yùn)動方向的邊的邊長不變，c圖象正確【答案】c 8.假設(shè)甲在接近光速的火車上看地面上乙的手中沿火車前進(jìn)方向放置的尺，同時(shí)地面上的乙看甲的手中沿火車前進(jìn)方向放置的相同的尺，則下列說法正確的是()a甲看到乙的手中的尺長度比乙看到自己手中的尺長度大b甲看到乙的手中的尺長度比乙看到自己手中的尺長度小c乙看到甲的手中的尺長度比甲看到自己手中的尺長度大d乙看到甲的手中的尺長度與甲看到自己手中的尺長度相同【解析】由ll0可知，運(yùn)動的觀察者觀察靜止的尺子和靜止的觀察者觀察運(yùn)動的尺子時(shí)，都發(fā)現(xiàn)對方手中的尺子比自己手中的變短了，故b正確，a、c、d錯(cuò)誤【答案】b 9. 用相對論的觀點(diǎn)判斷下列說法不正確的是()a時(shí)間和空間都是絕對的，在任何參考系中一個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間和一個(gè)物體的長度總不會改變b在地面上的人看來，以10 km/s的速度運(yùn)動的飛船中的時(shí)鐘會變慢，但是飛船中的宇航員卻看到時(shí)鐘是準(zhǔn)確的c在地面上的人看來，以10 km/s的速度運(yùn)動的飛船在運(yùn)動方向上會變窄，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(yùn)動的速度vc時(shí)，“時(shí)間膨脹”和“長度收縮”效果可忽略不計(jì)【解析】按照相對論的觀點(diǎn)，時(shí)間和空間都是相對的，a錯(cuò)誤；由t可知，運(yùn)動的時(shí)鐘變慢了，但飛船中的時(shí)鐘相對于觀察者靜止，時(shí)鐘準(zhǔn)確，b正確；由ll0可知，地面上的人看飛船，和飛船上的人看地面上的人都沿運(yùn)動方向長度減小，c正確；當(dāng)vc時(shí)，“時(shí)間膨脹”和“長度