人教版選修34 相對論的誕生 第1課時 學(xué)案.docx

15.1相對論的誕生學(xué)習(xí)目標(biāo)（1）了解經(jīng)典的相對性原理（2）知道相對性原理與電磁規(guī)律之間的矛盾（3）知道狹義相對論的兩個基本假設(shè)學(xué)習(xí)重點(diǎn)、難點(diǎn)：狹義相對論的兩點(diǎn)假設(shè)學(xué)習(xí)方法：閱讀小結(jié)知識導(dǎo)學(xué) 在學(xué)習(xí)本節(jié)時，把現(xiàn)實(shí)生活中的物理現(xiàn)象聯(lián)系起來，以便更好地理解相對性原理，更要充分理解清楚“地面上認(rèn)為同時的兩個事件，對于沿著兩個事件發(fā)生的連線運(yùn)動的觀察者來說，更先靠前面的那個事件發(fā)生在先”，并且要記住這個有用的結(jié)論.學(xué)習(xí)過程：引入：牛頓的經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)就是以牛頓命名的三條定律，這一理論形成于十七世紀(jì)，在以后的兩個多世紀(jì)里，牛頓力學(xué)對科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展起了巨大的推動作用，同時自身也得到了很大發(fā)展。但是，進(jìn)入二十世紀(jì)，物理學(xué)研究的領(lǐng)域開始深入到了微觀高速領(lǐng)域，這時人們發(fā)現(xiàn)牛頓力學(xué)在這些領(lǐng)域不再適用。物理學(xué)的發(fā)展要求對牛頓力學(xué)以及某些長期認(rèn)為是不言自明的基本觀念作出根本性的變革，物理學(xué)需要一場革命！二十世紀(jì)初誕生的相對論和量子力學(xué)就是這場從經(jīng)典物理向近代物理變革的標(biāo)志。一、經(jīng)典的相對性原理1、慣性系： 牛頓運(yùn)動定律成立的參考系 相對于一個 參考系做勻速直線運(yùn)動的另一個參考系也是 2、伽利略相對性原理 力學(xué)規(guī)律在 中都是相同的 還可表述為：在一個 內(nèi)進(jìn)行的任何力學(xué)實(shí)驗(yàn)都不能判斷這個 是否相對于另一個慣性系做勻速直線運(yùn)動；或者說，任何慣性系都是 的。二、相對性原理與電磁規(guī)律牛頓的伽利略相對性原理是作為基本假設(shè)提出來的，它之所以為人們接受承認(rèn)，一方面是牛頓力學(xué)在解決力學(xué)問題獲得的巨大功；另一方面觀察結(jié)果與人們的經(jīng)驗(yàn)相符。但是十九世紀(jì)中葉，人們在研究與物體運(yùn)動有關(guān)的電磁現(xiàn)象時，發(fā)現(xiàn)在電磁現(xiàn)象的規(guī)律不符合相對性原理其中最典型的就是 的問題 任何參照系中測得的光在真空的速率都應(yīng)該是這一數(shù)值這一結(jié)論還特別為后來的很多精確的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，最著名的是1887年 所做的實(shí)驗(yàn)。它們都明確無誤地證明光速的測量結(jié)果與光源和測量者的相對運(yùn)動無關(guān)，亦即與參照系無關(guān)。 可見光和電磁波的運(yùn)動不服從伽利略相對原理.上述的矛盾使物理學(xué)家面臨兩個選擇，一是修正現(xiàn)有的理論，去迎合實(shí)驗(yàn)結(jié)果（這相對比較容易，但常常無效）； 另一種主張徹底擺脫“麥克斯韋電磁理論只適用于某一特殊的慣性系”，創(chuàng)立全新的理論。愛因斯坦、龐加萊等人選擇了后者并提出了兩個假設(shè)。三、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，一切 都是相同的2、光速不變原理 的光速在不同的慣性參考系中是 的，光速與光源、觀察者間的相對運(yùn)動沒有關(guān)系。就是在看來如此簡單且最一般的兩個假設(shè)的基礎(chǔ)上愛因斯坦建立了一套完整的理論狹義相對論3、對兩個基本原理的正確理解自然規(guī)律不僅包括力學(xué)規(guī)律，還包括電磁學(xué)規(guī)律等其他所有的物理學(xué)規(guī)律；強(qiáng)調(diào)真空中的光速不變指大小既不依賴于光源或觀察者的運(yùn)動，也不依賴于光的傳播方向 幾十年來科學(xué)家采用各種先進(jìn)的物理技術(shù)測量光速，結(jié)果都不違背光速不變原理 疑難突破 狹義相對論兩條基本公設(shè)的理解 剖析：愛因斯坦的狹義相對論原理是伽利略力學(xué)相對性原理的推廣.（1）愛因斯坦相對性原理：對于描述一切物理過程（包括物體位置變動、電磁以及原子過程）的規(guī)律，所有慣性系都是等價的，這里的物理過程包括光在內(nèi).愛因斯坦把伽利略的力學(xué)相對性原理推廣到了電磁物理規(guī)律和一切其他規(guī)律，成為第一個公設(shè).（2）光速不變原理：在所有相對光源靜止或做勻速直線運(yùn)動的慣性系中觀察，真空中的光速都相同，與光源的運(yùn)動和觀察者的運(yùn)動沒有關(guān)系.這一條公設(shè)使我們看到一幅與傳統(tǒng)觀念截然不同的物理圖像.設(shè)想從一點(diǎn)光源發(fā)出一光脈沖，如人從光源在其中保持靜止的參考系中觀察，波前為以光源為中心的球面；如從相對于光源做勻速直線運(yùn)動的另一參考系觀察，波前將同樣是以光源為中心的球面.這預(yù)示著與伽利略變換不同的時空觀.典題精講【例題】 設(shè)有甲、乙兩人，甲以2 m/s的速度向東行走，乙以1.5 m/s的速度向西行走，求甲相對乙的速度大小為_.思路解析：本題主要是考查了速度的相對性，確定一個物體速度的前提是參考系的選取，首先要分析知道甲是以乙為參考系的，然后轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題求解.設(shè)甲相對乙的速度為v，則v=2 m/s+（-1.5） m/s=0.5 m/s.答案：0.5 m/s綠色通道：（1）在解相對論問題時要注意題中所提到的事物是以什么物體作為參考系的.（2）注意題中所說的是相對速度還是絕對速度.即如果以地面為參考系的速度是絕對速度，而以其他對地面而言不靜止的物體來說則是相對速度.變式訓(xùn)練：設(shè)有a、b兩列車，分別以5 km/s、10 km/s的速度向東行駛，則b相對a的速度大小為_，方向_.答案：5 km/s 向東 問題探究 問題：如何利用實(shí)驗(yàn)去探究狹義相對論原理？ 導(dǎo)思：研究狹義相對論的方法有多種，但有一點(diǎn)是不變的，那就是都圍繞一個基本的物理定律相同展開的，要想辦法把想要研究的那一方面用事物的表象反映出來.比如要想去比較系統(tǒng)內(nèi)各事物間的關(guān)系就必須不能讓系統(tǒng)內(nèi)的事物和系統(tǒng)以外的事物相比較. 這就是為什么要讓坐在船上的人在艙內(nèi)看不到外界，在這種情況下他要去感覺船是否在運(yùn)動就只能選靠艙內(nèi)的事物作參考. 探究：當(dāng)你乘坐輪船時，如果坐在艙內(nèi)且看不到外界的話，分別讓船靜止不動和做勻速直線運(yùn)動，盡管兩種運(yùn)動完全不同，但坐在船艙中的人卻感覺不到. 探究結(jié)論：通過實(shí)驗(yàn)探究，可以發(fā)現(xiàn)：在靜止或勻速直線運(yùn)動的系統(tǒng)內(nèi)的人，不以外界其他事物作參考時是不會感覺到他所處的系統(tǒng)是運(yùn)動的還是靜止的.牛頓運(yùn)動定律只適用于慣性系.以地面為參考系，人和船的運(yùn)動規(guī)律都符合牛頓第二定律.對慣性系和非慣性系的認(rèn)識1慣性系：牛頓運(yùn)動定律能夠成立的參考系稱為慣性參考系。牛頓定律成立的這個參考系是慣性參考系，相對于這個參考系做勻速直線運(yùn)動的另一個參考系也是慣性參考系。2非慣性系：牛頓定律不能成立的參考系稱為非慣性參考系。例如：我們坐在加速的車廂里，以車廂為參考系觀察路邊的樹木、房屋向后方加速運(yùn)動，根據(jù)牛頓第二定律，房屋和樹木應(yīng)該受到不為零的合力作用，但事實(shí)上沒有，也就是牛頓定律不成立，這里的加速車廂就是非慣性參考系。如何判斷一個參考系是慣性參考系還是非慣性參考系？我們通常選大地是慣性參考系，相對于地面靜止或做勻速運(yùn)動的物體都是慣性參考系；相對于地面做變速運(yùn)動的物體都是非慣性參考系。麥克斯韋電磁理論中的電磁波的光速是相對哪個參考系的呢自從麥克斯韋預(yù)言了光的電磁本質(zhì)以及電磁波的速度以后，物理學(xué)家們就在思考，這個速度是相對哪一個參考系說的？如果存在一個特殊的參考系o，光對這個參考系的速度是c，另一個參考系o以速度v沿光傳播的方向相對參考系o運(yùn)動，那么在o中觀測到的光速就應(yīng)該是cv，如果參考系o逆著光的傳播方向運(yùn)動，在參考系o中觀測到的光速就應(yīng)該是cv。由于一般物體的運(yùn)動速度比光速小得多，cv和cv與光速c的差別很小，在19世紀(jì)的技術(shù)條件下很難直接測量，于是物理學(xué)家們設(shè)計了許多巧妙的實(shí)驗(yàn)，力圖測出不同參考系中光速的差別。最著名的一個實(shí)驗(yàn)是美籍物理學(xué)家邁克耳孫設(shè)計的。他把一束光分成互相垂直的兩束，一束的傳播方向和地球運(yùn)動的方向一致，另一束和地球運(yùn)動的方向垂直，然后使它們發(fā)生干涉，如果不同方向上的光速有微小的差別，當(dāng)兩束光互相置換時干涉條紋就會發(fā)生變化。由于地球在宇宙中運(yùn)動的速度很大，希望它對光速能有較大的影響。但是，這個實(shí)驗(yàn)和其他實(shí)驗(yàn)表明，不論光源和觀察者做怎樣的相對運(yùn)動，光速都是相同的。這些否定的結(jié)果使當(dāng)時的物理學(xué)家感到震驚，因?yàn)樗蛡鹘y(tǒng)的觀念，例如速度合成的法則，是矛盾的。在這樣的背景下愛因斯坦建立了狹義相對論的兩個基本假設(shè)。類型一 慣性參考系和非慣性參考系【例1】 如圖所示，在列車車廂里的光滑水平面上有一個質(zhì)量為m=5 kg的小球，正隨車一起以20 m/s的速度勻速前進(jìn)，現(xiàn)給小球一個水平向前的f=5 n的拉力作用，求經(jīng)歷10 s時，車廂里的觀察者和地面上的觀察者看到的小球的速度分別是多少？解析：對車上的觀察者：小球的初速度為0，加速度為a m/s21 m/s2經(jīng)歷10 s的時間，速度為vat110 m/s10 m/s地面上的觀察者：小球的初速度v020 m/s，加速度為a m/s21 m/s2經(jīng)歷10 s的時間，速度為vv0at(2010) m/s30 m/s答案：10 m/s30 m/s題后反思：地面上的觀察者看到的速度也可以用速度的合成求解：vv0v130 m/s。兩個觀察者的結(jié)果雖然不同，但都使用了牛頓定律，因此都是慣性參考系。觀察的結(jié)果不同，是因?yàn)檫x擇了不同的參考系。類型二 光速不變原理【例2】 考慮幾個問題：(1)如圖所示，參考系o相對于參考系o靜止時，人看到的光速應(yīng)是多少？(2)參考系o相對于參考系o以速度v向右運(yùn)動，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，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，第二種情況應(yīng)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題后反思：邁克耳孫莫雷實(shí)驗(yàn)證明了光速在任何慣性參考系中的速度是不變的，對于高速物體，伽利略速度合成法則不再適用。課堂練習(xí)：1有關(guān)經(jīng)典相對性原理的敘述中，正確的是()。a經(jīng)黃相對性原理對任何規(guī)律都適用b經(jīng)典相對性原理僅是針對力學(xué)規(guī)律而言的c如果某個參考系中的力學(xué)規(guī)律相同，則這兩個參考系一定都是慣性參考系d利用相對性原理可以確定任一參考系是否是慣性參考系答案：b經(jīng)典相對性原理是從力學(xué)規(guī)律的角度來論述問題的，同時也僅對慣性參考系才成立，因此僅有b項正確。2.(多選)如果牛頓定律在參考系a中成立,而參考系b相對于a做勻速直線運(yùn)動,則在參考系b中()a.牛頓定律也同樣成立b.牛頓定律不能成立c.a和b兩個參考系中,一切力學(xué)規(guī)律都是相同的d.參考系b也是慣性參考系答案:acd3.(多選)關(guān)于狹義相對論的兩個假設(shè),下列說法正確的是()a.在不同的慣性參考系中,一切物理規(guī)律都是相同的b.在不同的慣性參考系中,力學(xué)規(guī)律都一樣,電磁規(guī)律不一樣c.真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的d.真空中的光速在不同的慣性參考系中是有差別的答案:ac4.如圖所示,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() a.0.4c b.0.5c c.0.9c d.1.0c解析:真空中的光速在不同的慣性參考系中都相同。答案:d 5.話說有兄弟兩個,哥哥乘坐宇宙飛船以接近光的速度離開地球去遨游太空,經(jīng)過一段時間返回地球,哥哥驚奇地發(fā)現(xiàn)弟弟比自己要蒼老許多,則該現(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,在其上時間進(jìn)程就越慢,生理過程也越慢d.這是神話,科學(xué)無法解釋解析:根據(jù)相對論的時間延緩效應(yīng),當(dāng)飛船速度接近光速時,時間會變慢,時間延緩效應(yīng)對生命過程、化學(xué)反應(yīng)等也是成立的。飛船運(yùn)行的速度越大,時間延緩效應(yīng)越明顯,人體新陳代謝越緩慢。答案:c6關(guān)于經(jīng)典力學(xué)和狹義相對論，下列說法中正確的是()。a經(jīng)典力學(xué)只適用于低速運(yùn)動，不適用于高速運(yùn)動(速度接近真空中的光速)b狹義相對論只適用于高速運(yùn)動(速度接近真空中的光速)，不適用于低速運(yùn)動c經(jīng)典力學(xué)既適用于低速運(yùn)動，也適用于高速運(yùn)動(速度接近真空中的光速)d狹義相對論既適用于高速運(yùn)動(速度接近真空中的光速)，也適用于低速運(yùn)動答案：ad狹義相對論既適用于高速運(yùn)動的物體，也適用于低速運(yùn)動的物體，經(jīng)典力學(xué)是狹義相對論在一定條件下的特殊情形，只適用于低速運(yùn)動的物體。7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(yùn)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(yùn)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：d8下列說法中正確的是()a研究鉛球的運(yùn)動，可以用牛頓定律和運(yùn)動學(xué)公式b研究電子的運(yùn)動可用牛頓定律和運(yùn)動學(xué)公式c研究電子運(yùn)動要用狹義相對論原理d研究鉛球和電子的運(yùn)動都要用牛頓運(yùn)動定律答案：ac解析：以牛頓運(yùn)動定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典物理學(xué)處理低速、宏觀物體的運(yùn)動是相當(dāng)完美的，但對于高速的微觀的運(yùn)動就無能為力了。顯然，鉛球的運(yùn)動可以用牛頓定律來解決，而電子的運(yùn)動則不能用牛頓定律來解決，而要用狹義相對論原理來解決。本題主要考查經(jīng)典物理學(xué)的適用范圍。9a、b兩架飛機(jī)沿地面上一足球場的長度方向在其上空高速飛過，且vavb，在飛機(jī)上的人觀察結(jié)果正確的是()aa飛機(jī)上的人觀察到足球場的長度比b飛機(jī)上的人觀察到的大ba飛機(jī)上的人觀察到足球場的寬度比b飛機(jī)上的人觀察到的小c兩飛機(jī)上的人觀察到足球場的長度相同d兩飛機(jī)上的人觀察到足球場的寬度相同答案：d解析：因?yàn)楫?dāng)一個慣性系的速度比較大時，根據(jù)知，足球場的長度沿飛行方向減小，而且速度越大，長度越小，故a、c均錯誤；而垂直于運(yùn)動方向上，寬度是不隨速度而變化的，因此b錯誤，d正確。10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答案：d點(diǎn)撥：由狹義相對論的兩個基本假設(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(廣義相對論則涉及有加速運(yùn)動的慣性系)，故c正確、d錯誤。作業(yè)：1設(shè)某人在速度為0.5 c的飛船上，打開一個光源，則下列說法正確的是()a飛船正前方地面上的觀察者看到這一光速為1.5 cb飛船正后方地面上的觀察者看到這一光速為0.5 cc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答案：cd點(diǎn)撥：根據(jù)狹義相對論的兩個基本假設(shè)之一：光速度不變原理可知，觀察者在地面上、飛船中觀測到光的速度均為c，故c、d正確，a、b錯誤。2以下說法正確的是()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(yùn)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(yùn)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(yùn)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。答案：d3.某地發(fā)生洪澇災(zāi)害,災(zāi)情緊急,特派一飛機(jī)前往,飛機(jī)在某高度做勻速直線運(yùn)動,投放一包救急品,災(zāi)民看到物品做曲線運(yùn)動,飛行員看到物品做自由落體運(yùn)動,物品剛好落到災(zāi)民救濟(jì)處,根據(jù)經(jīng)典時空觀,則下列說法正確的是()a.飛機(jī)為非慣性參考系b.飛機(jī)為慣性參考系c.災(zāi)民為非慣性參考系d.災(zāi)民為慣性參考系答案：bd4.關(guān)于狹義相對論的兩個假設(shè),下列說法正確的是()a.在不同的慣性參考系中,一切物理規(guī)律都是相同的b.在不同的慣性參考系中,力學(xué)規(guī)律都一樣,電磁規(guī)律不一樣c.真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的d.真空中的光速在不同的慣性參考系中是有差別的解析：根據(jù)狹義相對論的兩個基本假設(shè),選項a、c正確。答案：ac5.某地發(fā)生洪澇災(zāi)害,災(zāi)情緊急,特派一飛機(jī)前往,飛機(jī)在某高度做勻速直線運(yùn)動,投放一包救急品,災(zāi)民看到物品做曲線運(yùn)動,飛行員看到物品做自由落體運(yùn)動,物品剛好落到災(zāi)民救濟(jì)處,根據(jù)經(jīng)典時空觀,則下列說法正確的是()a.飛機(jī)為非慣性參考系b.飛機(jī)為慣性參考系c.災(zāi)民為非慣性參考系d.災(zāi)民為慣性參考系答案：bd6.下列說法正確的是()a.在以11 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