自主招生同步课程高三物理第16讲 相对论初步（教案） ---精校解析Word版

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1、第16讲相对论初步适用学科物理适用年级高三适用区域全国课时时长（分钟）120知识点1：经典力学的时空观2：相对论的两个基本假设3：时空膨胀和长度收缩4：洛伦兹变换与速度变换教学目标1：了解相对论的考查特点2：掌握基本知识和解题方法。教学重点1：经典力学的时空观2：相对论的两个基本假设3：时空膨胀和长度收缩4：洛伦兹变换与速度变换教学难点1：经典力学的时空观2：相对论的两个基本假设3：时空膨胀和长度收缩4：洛伦兹变换与速度变换【重点知识精讲和知识拓展】一．经典力学时空观两物体的相对位置和相对速度也不因惯性系不同而改变

2、，而力通常是两物体相对位置和相对速度的函数，质量在牛顿力学中被认为是与运动无关的恒量，于是牛顿运动定律的形式在不同惯性系下保持不变。这就是力学相对性原理。在以伽利略相对性原理为基础的经典力学中，我们要得到了这样的结论：时间和空间是绝对的、相互分离的；物体的大小与惯性参考系无关；时间的流逝不因惯性运动而改变；不同地点的同时性是绝对不变的。二、经典力学的困难（1）速度合成律中的问题伽利略相对性原理和他的坐标变换的重要的结论是速度的合成律。而天文观测光传播速度合成律不适用。（2）以太风实验的零结果（3）电磁现象不服从伽利

3、略相对性原理（4）质量随速度增加三、相对论的两个基本假设爱因斯坦说：“相对论的兴起是由于实际需要，是由于旧理论中的矛盾非常严重和深刻，而看来旧理论对这些矛盾已经没法避免了。新理论的好处在于它解决这些困难时，很一致，很简单，只应用了很少几个令人信服的假定。”当别人忙着在经典物理的框架内用形形色色的理论来修补“以太风”的学说时，爱因斯坦另辟蹊径，提出两个重要假设来：第一个：所有惯性参照系中的物理规律是相同的。物体的位移、速度以及电场强度、磁感应强度等物理量有可能因为所选择参考系的不同而不同，但是它们所遵从的物理规律却是

4、同样的。也就是说，在一切惯性系中物理定律的数学形式完全相同。第二个：真空中的光速相对任何观察者来说都是相同的。光速与光源、观测者间的相对运动没有关系。爱因斯坦提出这个假设是非常大胆的。下面我们即将看到，这个假设非同小可，一系列违反“常识”的结论就此产生了。3.1同时性的相对性何谓两地的事件同时发生？譬如说，来自银河中心的引力波信号“同时”激发设在北京和广州的引力波探测天线，我们怎样知道引力波是“同时”到达两地的呢？也许有人说，这还不简单，两地的人都看看钟就行了。于是，问题就化为如何把两地的钟对准的问题。按现代的技术

5、水平，这将通过电台发射无线电报时讯号来实现。但电磁波是以光速传播的，报时讯号从北京传到广州需要时间。这段时间差按日常生活的标准来看当然是微不足道的，然而对于同样以光速传播的引力波来说，这段时间内它已飞越了2000多公里。对于精密的科学测量来说，对钟的时候这段时间差是要经过严格校准的。爱因斯坦根据他提出的光速不变原理，提出一个异地对钟的准则。假定我们要对A、B两地的钟，则在AB联线的中点C处设一光讯号发射（或接收）站。当C点接收到从A、B发来的对时光讯号符合时，我们就断定A、B两钟对准了。当然也可以由C向A、B两地发

6、射对钟的光讯号，A、B收到此讯号的时刻被认定是“同时”的。以上的“同时性”判断准则适用于一切惯性系，于是就产生了这样的问题：同一对事件，在某个惯性参考系里看是同时的，是否在其它惯性参考系里看也同时？“常识”和经典物理学告诉我们，这是毋庸置疑的。但有了爱因斯坦的光速不变原理，这结论将不成立。为了说明这一点，爱因斯坦提出了一个理想实验。设想有一列火车相对于站台以匀速V向右运动，如图8－6所示。当列车的首、尾两点A′、B′与站台上的A、B两点重合时，站台上同时在这两点发出闪光；所谓“同时”，就是两闪光同时传到站台的中点C

7、.但对于列车来说，由于它向右行驶，车上的中点C′先接到来自车头A′（即站台上的A）点的闪光，后接到来自车尾B′（即站台上的B）点的闪光。于是，对于列车上的观察者C′来说，A的闪光早于B，而对于站台上的C来说，则同时接到A的闪光和B的闪光。这就是说，对于站台参考系为同时的事件，对列车参考系不是同时的，事件的同时性因参考系的选择而异，这就是同时性的相对性。为了把问题描绘得更尖锐一点，我们不妨将上述理想实验发展一下，进一步假设，在站台上A、B两点同时发出闪光的那一刹那，另有一列相同的火车以速度－V向左行驶，且其车头B″和

8、车尾A″恰好分别与站台上的B、A重合（见图8－7）。用同样的分析可知，这列车的中点C″先接到来自车头B″（即站台上的B）点的闪光，后接到来自车尾A″（即站台上的A）点的闪光。于是，对于这列车上的观察者C″来说，A的闪光迟于B.如果发自站台上A、B点的闪光不是一般的光讯号，而是两个人相对开枪射击发出的火光，在谁先开枪的问题上，目击者C′和C″在法庭上将提供相反