2018-2019学年高中物理 第6章 相对论与天体物理 第1讲 牛顿眼中的世界 爱因斯坦眼中的世界学案 鲁科版选修3-4

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1、第1讲　牛顿眼中的世界　爱因斯坦眼中的世界[目标定位]　1.知道经典力学的相对性原理，知道狭义相对论的实验基础和它的两个基本假设.2.知道狭义相对论的几个主要结论.3.了解绝对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.4.知道相对论速度变换公式．一、牛顿眼中的世界1．经典力学的相对性原理(1)经典力学的相对性原理：力学规律在任何惯性系中都是相同的．(2)惯性系：处于静止或匀速直线运动状态的物体．2．绝对时空观(1)绝对时空观：时间和空间是绝对的．(2)绝对时间：“同时”是绝

2、对的，时间也是绝对的，时间永远均匀地流逝着，与物质无关，与运动无关．(3)绝对空间：宇宙中存在一个绝对静止的惯性参考系，力学规律首先应当能在这个参考系中准确地陈述，这个绝对静止的惯性系与时间无关，永恒不变，它可以脱离物质独立存在．二、爱因斯坦眼中的世界1．狭义相对论的两条基本原理(1)狭义相对性原理：物理规律(力学、电磁学、光学等)对于所有惯性系都具有相同的形式．(2)光速不变原理：在任何惯性系中，光在真空中的速度恒为c，与光源的运动和观测者的运动无关．2．狭义相对论中的时间与空间(1)同时是相对的①

3、狭义相对论中的“同时”不再具有绝对的意义，不同惯性参考系的观察者对两个事件是否“同时”发生的回答可能是不同的，这与观察者所在参考系的运动有关，即“同时”是相对的．②时间延缓效应同一个物理过程，乘客测得时间为Δt′，站台上的观察者测得的时间为Δt，则Δt′与Δt的关系为：Δt＝(2)长度是相对的①在狭义相对论时空观中，长度也与观察者的运动状态有关．②长度缩短效应地面观察者测得的长度为l，相对观察者静止时测得的长度为l0，则l＝l03．相对论的速度叠加狭义相对论的速度叠加公式为u＝u是物体相对静止参考系的

4、速度，v是运动参考系相对静止参考系的速度，u′是物体相对运动参考系的速度．一、对狭义相对论的理解1．各物理量有可能因为所选择参考系的不同而不同，但是它们遵从的物理规律是相同的．2．光速不变原理强调真空中的光速不变，与光源、观察者间的相对运动没有关系．3．狭义相对论中的“同时”相对性、运动的时钟变慢、长度的收缩等效应只有在高速运动的情况下才会有明显的观测结果，在低速世界(v≪c)中这些效应可以忽略．例1　如图1所示，考虑几个问题：图1(1)如图所示，参考系O′相对于参考系O静止时，人看到的光速应是多少？

5、(2)参考系O′相对于参考系O以速度v向右运动，人看到的光速应是多少？(3)参考系O相对于参考系O′以速度v向左运动，人看到的光速又是多少？解析　根据狭义相对论理论，光速是不变的，都应是c.答案　(1)c　(2)c　(3)c二、时间和空间的相对性相对事件发生地或物体静止的参考系中观察相对事件发生地或物体运动的参考系中观察同时的相对性事件同时但不同地点发生事件不同时发生两个事件发生的时间间隔为Δt′两事件发生的时间间隔变长．Δt＝时间间隔的相对性长度的相对性杆的长度为l0若参考系沿杆的方向运动，观察到的

6、杆的长度减小为l＝l0例2　如图2所示，沿平直铁路线有间距相等的三座铁塔A、B和C.假想有一列车沿AC方向以接近光速行驶，当铁塔B发出一个闪光，列车上的观测者测得A、C两铁塔被照亮的顺序是(　　)图2A．同时被照亮B．A先被照亮C．C先被照亮D．无法判断解析　因列车沿AC方向接近光速行驶，根据“同时”的相对性，即前边的事件先发生，后边的事件后发生可知C先被照亮．答案　C例3　在一飞船上测得飞船的长度为100m，高度为10m．当飞船以0.6c的速度从你身边经过时，按你的测量，飞船有多高、多长？解析　因为

7、长度收缩只发生在运动的方向上，与运动垂直的方向上没有这种效应，故测得的飞船的高度仍为原高度10m．设飞船原长为l0，观测到飞船的长度为l，则根据尺缩效应有l＝l0＝100×m＝80m.所以测量的飞船的高度和长度分别为10m、80m.答案　测量的飞船的高度和长度分别为10m、80m.三、对相对论速度变换公式的理解设参考系相对地面的运动速度为v，参考系中的物体以速度u′沿参考系运动的方向相对参考系运动，那么物体相对地面的速度u＝.1．当物体运动方向与参考系相对地面的运动方向相反时，公式中的u′取负值．2．

8、若物体运动方向与参考系运动方向不共线，此式不可用．3．由公式可知：u一定比u′＋v小，但当u′和v都比c小得多时，可认为u＝u′＋v，这就是低速下的近似，即经典力学中的速度叠加．4．当u′＝v＝c时，u＝c，证明了光速是速度的极限，也反证了光速不变原理．例4　一粒子以0.05c的速率相对实验室参考系运动．此粒子衰变时发射一个电子，电子相对于粒子的速度为0.8c，电子的衰变方向与粒子运动方向相同．求电子相对于实验室参考系的速度．解析　已知v＝0.05c，u