6.1牛顿力学中运动的相对性-6.3狭义相对论的两个基本假设时间、长度的相对性 学案（2020年教科版高中物理选修3-4）

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1、1 牛顿力学中运动的相对性牛顿力学中运动的相对性 2 狭义相对论的两个基本假设狭义相对论的两个基本假设 3 时间时间、长度的相对性长度的相对性 学科素养与目标要求 物理观念：1.了解牛顿力学中运动的相对性.2.了解伽利略相对性原理.3.了解狭义相对论的两个基 本假设.4.了解狭义相对论的几个主要结论.5.了解经典时空观与相对论时空观的重要区别. 科学思维：会应用相对论的几个主要结论进行简单的计算. 科学态度与责任：体会相对论的建立对人类认识世界的影响. 一、牛顿力学中运动的相对性 1.伽利略相对性原理：在任何惯性参考系中，力学的规律都是一样的. 2.经典时空观 经典时空观认为时间和空间是脱离物

2、质而存在的，是绝对的，时间和空间是相互独立、互不 相关的. 3.伽利略速度变换 若车厢相对地面以速率 u 向前行驶，车厢内人相对车厢以速率 v向前跑，则人对地面的速 率为 vuv；若人向后跑，相对地面的速率为 vuv. 二、狭义相对论的两个基本假设 1.爱因斯坦相对性原理 对不同的惯性系，物理规律(包括力学的和电磁的)都是一样的. 2.光速不变原理 光在真空中运动的速度在任何惯性系中测得的数值都是相同的. 三、时间、长度的相对性 1.同时的相对性 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时： (1)经典的时空观认为一定(填“一定”或“不一定”)是同时发生的. (2)狭义

3、相对论的时空观认为不一定(填“一定”或“不一定”)是同时发生的. 2.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)狭义相对论认为“动钟变慢”：时间间隔的相对性公式 0 1u 2 c2 ，也就是说，在相对 运动的参考系中观测，事件变化过程的时间间隔变大了，这叫做狭义相对论中的时间膨胀. 3.长度的相对性(动棒缩短效应) (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)狭义相对论认为“动棒缩短”：狭义相对论中的长度公式：ll01u 2 c2，但垂直于杆的 运动方向上，杆的长度不变. 4.相对论时空观 时间

4、和空间的量度与物体的运动有关，是相对的. 判断下列说法的正误. (1)一根杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同，这是经典物理学的观点. ( ) (2)一根杆的长度静止时为 l0，不管杆如何运动，杆的长度均小于 l0.( ) (3)“动钟变慢”是时钟的精度因运动而发生了变化.( ) (4)高速运动的飞船中的宇航员发现地面的时钟变慢了.( ) 一、伽利略相对性原理与狭义相对论 1.如图所示，小球相对于参考系 O 以速度 v0向右抛出，人相对于参考系 O静止，当参考系 O分别相对于参考系 O 静止、以速度 v 向右运动和以速度 v 向左运动时，人观察到小球的 速度分别为多大？ 答案 分别为

5、 v0、v0v、v0v 2.如图所示，光源相对于参考系 O 静止，人相对于参考系 O静止，当参考系 O分别相对 于参考系 O 静止、以速度 v 向右运动和以速度 v 向左运动时，人观察到的光源发出光的传播 速度分别为多大？ 答案 人观察到的光速都是 c 1.惯性系与非惯性系的确定：我们通常选取大地为惯性系，相对于地面静止或做匀速运动的 物体都是惯性系，相对于地面做变速运动的物体都是非惯性系. 2.光的传播速度与惯性系的选取无关.在任何情况下，真空中的光速都是 c. 例 1 关于狭义相对论，下列说法不正确的是( ) A.狭义相对论认为在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的 B.狭义相对论认

6、为在一切惯性系中，光在真空中的速度都等于 c，与光源的运动无关 C.狭义相对论只涉及无加速运动的惯性系 D.狭义相对论任何情况下都适用 答案 D 解析 根据狭义相对论的基本假设可知，选项 A、B 正确；狭义相对论只涉及惯性参考系， 不涉及非惯性参考系，选项 D 错误，C 正确. 针对训练 (2019 攀枝花市高二检测)关于爱因斯坦认为的空间和时间关系，下列说法中正确 的是( ) A.时间和空间是分离的，即绝对时间和绝对空间 B.时间和空间与物体的运动无关 C.时间和空间在本质上是统一的 D.时间是相对的，空间是绝对的 答案 C 解析 爱因斯坦认为时间和空间在本质上是统一的，时间和空间不是分离的

7、，它们都是相对 的，故 C 项正确. 二、时间和空间的相对性 如图所示，一列车以速度 v 经过站台，站台中部的观察者 C 看到列车车头正好到达站台最右 端的 A 人时，车尾正好到达站台最左端的 B 人. (1)若此时站台上的观察者 C 看到 A、B 两人同时面向列车举起手中的小红旗，那么站在列车 中点的观察者 C看到 A、B 两人是同时举旗的吗？如果不是同时举旗，他会看到哪个人先 举旗？ (2)站台上的观察者 C 看到列车长度刚好和站台长度相同， 列车上的观察者 C认为列车长度 和站台长度相同吗？如果不相同，他认为列车长还是站台长？ (3)假定列车上的观察者 C举起小红旗向站台上的 A、B 两

8、人挥动致意，他认为自己从举起 小红旗到放下小红旗的时间为 t， 站台上的观察者 C 观察到他举旗的时间也为 t 吗？如果不是 t，他认为这个时间比 t 长还是短？ 答案 (1)不是同时举旗， 他看到 A 人先举旗 (2)列车长度和站台长度不相同， 他认为列车长 (3)不是 t，他认为这个时间比 t 长 1.“动钟变慢”：时间间隔的相对性公式 0 1u 2 c2 中，0是相对事件发生地静止的观察者 测量同一地点的两个事件发生的时间间隔，而 是相对于事件发生地以速度 u 高速运动的观 察者测量同一地点的同样两个事件发生的时间间隔. 2.“动尺变短”： 狭义相对论中的长度公式 ll01u 2 c2中

9、， l0 是相对于杆静止的观察者测出 的杆的长度，而 l 是杆沿自己的长度方向以速度 u 高速运动时，静止的观察者测量的长度. 3.分析时间间隔和长度变化时应注意的问题： (1)时间间隔、长度的变化，都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，物质本身的结构并没有变化. (2)两个事件的时间间隔和物体的长度，必须与所选取的参考系相联系，在没有选取参考系的 情况下讨论时间的长短及空间的尺寸，是没有任何意义的. 例 2 (多选)(2017 江苏单科)接近光速飞行的飞船和地球上各有一只相同的铯原子钟，飞船 和地球上的人观测这两只钟的快慢，下列说法正确的有( ) A.飞船上的人

10、观测到飞船上的钟较快 B.飞船上的人观测到飞船上的钟较慢 C.地球上的人观测到地球上的钟较快 D.地球上的人观测到地球上的钟较慢 答案 AC 解析 由狭义相对论“动钟变慢”原理可知，飞船上的人认为地球上的钟是运动的，而飞船 上的钟是静止的，所以飞船上的人观测到飞船上的钟较快，地球上的钟较慢，A 正确，B 错 误；地球上的人认为地球上的钟是静止的，而飞船上的钟是运动的，所以地球上的人认为飞 船上的钟较慢，地球上的钟较快，C 正确，D 错误. 例 3 地面上长 100 km 的铁路上空有一火箭沿铁路方向以 30 km/s 的速度掠过， 则火箭上的 人看到铁路的长度应该为多少？如果火箭的速度达到 0

11、.6c，则火箭上的人看到的铁路的长度 又是多少？ 答案 100 km 80 km 解析 当火箭速度较低时，长度基本不变，还是 100 km.当火箭的速度达到 0.6c 时，由相对 论长度公式 ll01u 2 c2，代入相应的数据解得 l100 10.6 2 km80 km. 学科素养 例 2、 例 3 考查了学生对时间和空间的相对性的了解程度， 体现了“物理观念” 的学科素养.又通过题目中的相对论效应，让学生体会到相对论的建立对人类认识世界的影 响，体现了“科学态度与责任”的学科素养. 1.(伽利略相对性原理)以下说法中正确的是( ) A.经典物理中的速度合成公式在任何情况下都是适用的 B.经

12、典物理规律也适用于高速运动的物体 C.力学规律在一个静止的参考系和一个匀速运动的参考系中是不等价的 D.力学规律在任何惯性系里都是等价的 答案 D 解析 在所有惯性系中，一切力学规律都是等价的，故 D 正确，C 错误；经典物理规律是狭 义相对论在低速状态下的一个近似，所以经典物理规律只适用于低速运动的物体，而经典物 理中的速度合成公式也只适用于低速情况，故 A、B 均错误. 2.(狭义相对论)(多选)下面说法正确的是( ) A.在以 1 1 000c 竖直方向升空的火箭上向前发出的光，对地速度一定比 c 大 B.在以 1 1 000c 竖直方向升空的火箭上向后发出的光，对地速度一定比 c 小

13、C.在以 1 1 000c 竖直方向升空的火箭上沿水平方向发出的光对地速度为 c D.在以 1 1 000c 竖直方向升空的火箭上向任一方向发出的光对地速度都为 c 答案 CD 解析 根据狭义相对论的基本假设光速不变原理可知：真空中的光速相对于火箭的速度 为 c，相对于地面的速度也为 c，即对不同的惯性参考系光速是相同的，因此 C、D 正确，A、 B 错误. 3.(空间的相对性)惯性系 S 中有一边长为 l 的正方形(如图 1 所示).从相对 S 系沿 x 轴方向以接 近光速匀速飞行的飞行器上测得此正方形的图形是( ) 图 1 答案 C 解析 从相对 S 系沿 x 轴方向以接近光速匀速飞行的飞

14、行器上观察 S 系中的正方形，根据相 对论效应可知，沿 x 轴方向正方形的边长缩短，而沿 y 轴方向正方形边长没有改变，则其形 状变成长方形，故 C 正确，A、B、D 错误. 4.(时间的相对性)如图 2 所示，A、B、C 是三个完全相同的时钟，A 放在地面上，B、C 分别 放在以速度 vB和 vC朝同一方向飞行的两枚火箭上，且 vBvC.地面上的观察者认为哪个时钟 走得最慢？哪个时钟走得最快？ 图 2 答案 C 时钟走得最慢 A 时钟走得最快 解析 根据公式 0 1u 2 c2 可知，相对于观察者的速度 v 越大，其上的时间进程越慢，地面 上的观察者认为 C 钟走得最慢，因为它相对于观察者的速度最大；由 0 1u 2 c2 知 0，故 地面上的时钟走得最快.