1、第十第十五章五章 相对论简介相对论简介 1 相对论的诞生相对论的诞生 2 时间和空间的相对性时间和空间的相对性 课前预习导学课前预习导学 目标目标导航 学习目标 重点难点 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。 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。 重点:狭义相对论的 两个基本假设。 难点:时间与空间的相对 性的理解。 预习预习导引 一、经典相对性原理与狭义相对论的两个基本假设 1.经典的相对性原理 (1)惯性系:牛顿运动定律能够成立的参考系。 相对一个惯性系做匀 速直线运
2、动的另一个参考系也是惯性系。一般情况下,可认为大地为惯 性参考系。 (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。 2.狭义相对论的两个基本假设 (1)实验基础:不论光源与观测者做怎样的相对运动,光速都是一样 的。 (2)两个基本假设 狭义相对 性原理 在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的 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 预习交流交流 1 伽利略相对性原理在电磁学领域遇到了什么困难? 答案:按照伽利略原理,光在不同的参考系中速度不同,其速度可以 等于 c,也可以大于或小于 c,关键看初始条件怎样,但根据麦克斯韦的电 磁场理论,电磁波速度是 c,这
3、不需要初始条件,迈克耳孙莫雷实验证 实了这一点,即伽利略相对性原理与另外的理论和事实相矛盾。 二、时间和空间的相对性 1.“同时”的相对性 (1)经典的时空观: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同时的。 (2)相对论的时空观:“同时”具有相对性,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不一定是同时的。 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相对 运动而不同。 (2)相对论的时空观:“长度”也具有相对性,一条沿自身长度方向运 动的杆,其长度总比静止时的长度小。设相对于杆静止的观察者认为杆 的长
4、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=l0 1-( v c )2。 1.图片对齐 在我们插入PPT图片或是输入文字的时候，为了整齐都需要将插入的文本框对齐 ，但是又不想一个一个的进行操作，这时按住Ctrl键将需要进行对齐的文本选中 ，点击开始排列对齐垂直居中即可； 2.巧用格式刷 在制作PPT的时候为了保证PPT风格的统一，很多任通常会使用复制粘贴来确保 每一页PPT格式相同，这样对于少页数来说可以进行操作，但是碎玉多页面的话 就有点麻烦了，其实我们可以巧用格式刷：首先，在开始菜单栏下方有一个格式 刷，点击格式刷，很快就
5、能看到效果； 3.去除所有动画效果 很多人在制作PPT的时候都是直接在模板库里下载模板进行使用的，但是下载的 模板大多数都是有幻灯片的，这样在演讲的时候很不方便，怎样将其进行去除呢 ？单击幻灯片放映选择设置幻灯片放映，放映类型选择演讲者放映；换片方式 选择手动即可； 4.PPT快键 PPT逼格提升技巧逼格提升技巧 3.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 间隔总是相同的。 (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 的时间间隔是不同的。 设 表示相对事件发生在静止的惯性系中观测的时间间隔,t 表 示相对事件发生在以 v 高速运
6、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 t= 1-(v c) 2。 预习交流交流 2 1971 年人类将三只铯原子钟分别放到地面和喷气式飞机上验证相 对论:在地面将三个铯原子钟调整同步,把两个分别放在向东、 向西在赤 道上空高速飞行的飞机上,飞行一周后与留在地面的铯原子钟比较,你 认为三只铯原子钟示数还一样吗? 答案:不一样,飞机上的原子钟比地面上的跑得慢,其中向东飞的飞 机上的钟比向西飞的更慢(因为地球在自西向东自转)。 课课堂合作探究 问题问题导学 一、经典相对性原理与狭义相对论的两个基本假设 活动与探究 1 1.如何理解经典相对性原理? 答案:(1)惯性系:如果牛顿运动定
7、律在某个参考系中成立,这个参考 系叫做惯性系,相对一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是 惯性系。 (2)这里的力学规律是指“经典力学规律”。 (3)本原理可以有不同表示,比如:在一个惯性系内进行的任何力学 实验都不能判断这个惯性系是否对于另一个惯性系做匀速直线运动; 或者说,任何惯性参考系都是平权的。 2.对光速不变原理如何理解? 答案:我们经常讲速度是相对的,参考系选取不同,速度也不同,这是 经典力学中速度的概念,但是 1887 年迈克耳孙莫雷实验中证明的结 论是:不论取怎样的参考系,光速都是一样的,也就是说光速的大小与选 取的参考系无关,光的速度是从麦克斯韦方程组中推导出来的,它没有
8、 任何前提条件,所以这个速度不是指相对某个参考系的速度。 迁移与应用 1 如图所示,地面上 A、B 两个事件同时发生。对于坐在火箭中沿两 个事件发生地点连线飞行的人来说,哪个事件先发生? 答案:B 事件先发生 解析:可以设想,在事件 A发生时 A处发出一个闪光,事件 B 发生 时 B 处发出一个闪光。“两闪光相遇”作为一个事件,发生在线段 AB 的 中点,这在不同的参考系中看都是一样的。“相遇在中点”这个现象在以 地面为参考系中很容易解释:两个闪光传播的速度又一样,当然在线段 的中点相遇。 火箭上的人则有如下推理:地面在向火箭的方向运动,从闪光发生 到两闪光相遇,线段中点向火箭的方向运动了一段
9、距离,因此闪光 B 传 播的距离比闪光 A长些。既然两个闪光的光速相同,一定是闪光 B 发 生得早一些。 力学的相对性原理和狭义相对性原理的区别 (1)力学的相对性原理指的是力学现象对一切惯性系来说,都遵从 同样的规律;或者说,在研究力学规律时,一切惯性系都是等价的、平权 的。因此无法借助力学实验的手段确定惯性系自身的运动状态。 (2)而狭义相对论指的是物理定律在所有惯性系中都是相同的,因 此各个惯性系都是等价的,不存在特殊的绝对的惯性系。因此狭义相 对论原理所指范围更大,内容更丰富。 二、时间和空间的相对性 活动与探究 2 1.怎样理解同时的相对性? 答案:同时是指两个事件发生的时刻是相同的
10、,“相同”是观察者得 出的结论,不同的观察者观察到的结果是不“相同”的。 2.怎样理解时间间隔的相对性? 答案:运动的时钟变慢:时钟相对于观察者静止时,走得快;相对于观 察者运动时,观察者会看到它变慢了,运动速度越快,效果越明显,即运动 着的时钟变慢。 3.怎样理解经典时空观与相对论时空观的区别? 答案:经典力学时空观:绝对的真实的数学时间,就其本质而言,是永 远均匀地流逝,与任何外界因素无关;绝对空间就其本质而言是与任何外 界事物无关的,它从不运动,并且永远不变。经典力学时空观的几个具体 结论: (1)同时的绝对性:在一个参考系中的观察者在某一时刻观测到两个 事件,对另一参考系中的观察者来说
11、是同时发生的,即同时性与观察者做 匀速直线运动的状态无关。 (2)时间间隔的绝对性:任何事件所经历的时间,在不同的参考系中测 量都是相同的,而与参考系的运动无关。 (3)空间距离的绝对性:如果各个参考系中用来测量长度的标准相同, 那么空间两点的距离也就有绝对不变的量值,而与参考系的选择无关。 相对论时空观:空间的大小、时间流逝的快慢都与物体运动的速度 有关。 迁移与应用 2 下面的说法中正确的是( ) A.因为时间是绝对的,所以我们在不同的参考系中观察到的时间进 程都是相同的 B.空间与时间之间是没有联系的 C.有物质才有空间和时间 D.在一个确定的参考系中观察,运动物体的空间距离和时间进程
12、跟物体的运动状态有关 答案:CD 解析:经典时空观认为空间和时间是脱离物质存在的,是绝对的,空 间与时间之间也是没有联系的,其实是错误的,故 A、B 错误。因为相对 论时空观中空间和时间与物质的运动状态有关,在长度的相对性和时 间的相对性上都得到了验证。 经典的时空观与相对论时空观的比较 经典物理学的时空观(牛顿物理学的绝对时空观):时间和空间是脱 离物质而存在的,是绝对的,空间与时间之间没有任何联系。 相对论的时空观(爱因斯坦相对论的相对时空观):空间和时间都与 物质的运动状态有关。 相对论的时空观更具有普遍性,但是经典物理学作为相对论的特 例,在宏观、低速运动时仍将发挥作用。 三、狭义相对
13、论的应用 活动与探究 3 为什么在日常生活中我们觉察不到参考系中同时的相对性呢?在 什么情况下,相对论效应比较明显? 答案:平时生活中物体运动的速度都非常慢,与光速 c 相比均到可 忽略的程度,因此我们觉察不到同时的相对性,相对论的所有效应都不 明显,但在参考系速度接近光速(一般都需0.9c以上)时,相对论效应就明 显表现出来了。 在一些要求严格的场所,如 GPS 定位中,要求卫星上时钟的精度非 常高,这时就必须根据卫星的运行速度利用相对论进行修正。 迁移与应用 3 一支静止时长为30 m的火箭以3 km/s的速度从观察者的身边擦过。 (1)观察者测得火箭的长度应为多少? (2)火箭上的人测得
14、火箭的长度是多少? (3)如果火箭的速度为光速的二分之一,观察者测得火箭的长度应为多 少? 答案:(1)30 1-10-10m (2)30 m (3)26 m 解析:火箭上的人相对火箭永远是静止的,无论火箭速度是多少,火 箭上的人测得的火箭长与静止时测得的长均是 l=30 m,而火箭下的观 察者看火箭时有相对速度 v,则他的测量要缩短,即 ll,所以 l=l 1-( v c )2。 当 v=3 103m/s时,l=30 1-10-10m。 当 v=c 2时,l=26 m。 1.长度的变化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,物质本身结构并没有变化。 2.运动的时钟变
15、慢是指所有的物理、化学过程包括人的生理变化、 思维过程都变慢,所以高速运动的人自己感觉不到时间变慢。 当堂当堂检测 1.下列几种说法: (1)所有惯性系统对物理基本规律都是等价的。 (2)在真空中,光的速度与光的频率、光源的运动状态无关。 (3)在任何惯性系中,光在真空中沿任何方向的传播速度都相同。 其中哪些是正确的( ) A.只有(1)(2)是正确的 B.只有(1)(3)是正确的 C.只有(2)(3)是正确的 D.三种说法都是正确的 答案:D 解析:狭义相对论认为:物体所具有的一些物理量可以因所选参考系的 不同而不同,但它们在不同的参考系中所遵从的物理规律却是相同的, 即(1)(2)都是正确
16、的。光速不变原理认为:光在真空中沿任何方向的传 播速度都是相同的。 2.下列关于经典力学的时空观,正确的是( ) A.经典力学的时空观中,同时是绝对的,即在一个参考系中的观察者在 某一时刻观察到的两个事件,对另一参考系中的观察者来说也是同时 发生的 B.在经典力学的时空观中,时间间隔是绝对的,即任何事件(或物体的运 动)所经历的时间,在不同的参考系中测量都是相同的,而与参考系的选 取无关 C.在经典力学的时空观中,空间距离是绝对的,即如果各个参考系中用 来测量长度的标准相同,那么空间两点距离是绝对的不变的量值,而与 参考系选取无关 D.经典力学的时空观就是一个绝对的时空观,时间与空间、物体的运
17、 动无关 答案:ABCD 3.有关经典时空观与相对论时空观的说法正确的是( ) A.经典时空观认为时间、空间距离以及物体的质量都是绝对的 B.相对论时空观是对经典时空观的全盘否定 C.相对论时空观认为看似同时发生事件其实不管选择什么参考系都是 不同时的 D.相对论时空观认为物体的质量可以变化,可是生活中没有感觉到物 体质量变化,说明相对论时空观是错误的 答案:A 解析:经典时空观又称绝对时空观,包括时间、 空间距离以及物体的质量 都是绝对的,故 A 对;相对论的提出是对经典时空观的补充和更深的认 识,并不是完全否定了经典时空观,故 B 错;“同时的相对性”的理解应是 选择不同的参考系,某事件的
18、发生可能不同时,这与参考系有关,并不是 说一定不同时,C 错;现实生活中没注意到质量的变化不是说相对论是 错误的,根据相对论时空观,那是因为现实生活中物体的质量变化太小, 基本上可以忽略。 4.著名物理学家“开尔文勋爵”威廉 汤姆孙曾自信地宣称:“科学的大厦 已经基本完成”,但也承认,“明朗的天空中还有两朵小小的、令人不安的 乌云”。 他指的科学大厦是 ,两朵 乌云是 。 答案:以经典力学、热力学与统计物理学、电磁理论为主要内容的物理 学形成了完整的科学体系 一是黑体辐射,二是光的速度 5.设想一宇宙飞船以 v=0.95c 的速率相对于地球运动,若飞船上宇航员 用计时器测他吃一顿饭用去 10 min,地球上的观测者测他吃一顿饭用去 多少时间? 答案:32.0 min 解析:宇航员在运动的飞船上用了 t=10 min,在地面上用 t,则根据公 式有 t= t 1-(v c) 2=32.0 min。
