人教版高中物理选修3-4《15.1相对论的诞生、15.2时间和空间的相对性》教学案

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1、1 相对论的诞生2 时间和空间的相对性学 习 目 标 知 识 脉 络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(重点)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(难点)相对论的诞生先 填 空 1经典的相对性原理(1)表述一：力学规律在任何惯性系中都是相同的(2)表述二：在一个惯性参考系内进行的任何力学实验都不能判断这个 惯性参考系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动(3)表述三：任何惯性参考系都是平权的2狭义相对论的两个基本假设(1)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

2、(2)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再 判 断 1静止或匀速直线运动的参考系是惯性系()2由于在任何惯性系中力学规律都是相同的，因此，研究力学问题时可以选择任何惯性系( )3在不同的惯性系中，光速是不相同的()后 思 考 1牛顿运动定律的适用条件是什么？【提示】 宏观物体、低速运动和惯性参考系2伽利略的相对性原理与狭义相对性原理有什么不同？【提示】 伽利略的相对性原理认为力学规律在任何惯性系中是相同的；狭义相对性原理认为在不同惯性系中一切物理规律都是相同的核 心 点 击 1惯性系和非惯性系牛顿运动定律能够成立的参考系，相对于这个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯

3、性系牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系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，即任何惯性参考系都是平权的3相对性原理与电磁规律根据麦克斯韦的电磁理论，真空中的光速在任何惯性系中都是一个常量，但是按照伽利略的相对性原理，在不同惯性系中的光速应是各不相同的迈克耳孙莫雷实验证明：不论光源和观察者做怎样的相对运动，光速都是相同的4迈克耳孙莫雷实验(1)实验背景：根据麦克斯韦的电磁理论可以直接得到真空中电磁波的速度，并不需要初始条件，也就是说， “电磁波的速度是 c”，这本身就是电磁规律的一部分，而不是电磁规律应用于某个具体事物的结论于是，问题出现了：麦克斯韦的电磁理论相对哪个参考系成立

4、？如果它相对参考系 S 是正确的，另外还有一个参考系 S，S相对于 S 以速度 v 运动，那么光相对于 S的速度应该是(cv)而不是 c，好像电磁规律不是对任何惯性系都一样(2)实验结论：不论光源与观察者做怎样的相对运动，光速都是一样的1假设有一天某人坐在“神舟”号飞船上，以 0.5c 的速度遨游太空，当他打开一个光源时飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为_，飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为_，在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是_【解析】 根据狭义相对论的假设，真空中的光速相对于不同的惯性参考系是相同的，即在地面上任何地方的观察者看到的光速都是 c.【答案】 c c c2如

5、图 1511 所示，思考以下几个问题：( 光速用 c 表示) 图 1511(1)若参考系 O相对于参考系 O 静止，人看到的光速应是多少？(2)若参考系 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)若参考系 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，光速与光源、观察者间的相对运动没有关系因此三种情况下，人观察到的光速都是 c.【答案】 (1)c (2) c (3) c1爱因斯坦提出的两条基本假设是相对论的基础，对同时的相对性等经典力学所无法解决的问题，应紧紧抓住两

6、条基本假设这一关键点来解决2真空中对不同的惯性参考系来说，光速都是相同的3经典力学的结论是有一定局限性的，一般只适用于宏观物体的低速运动时间和空间的相对性先 填 空 1 “同时”的相对性(1)经典时空观：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可能不是同时的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，其长度总比静止长度小，但在垂直于杆的运动

7、方向上，杆的长度没有变化(3)相对长度公式：设相对于杆静止的观察者认为杆的长度为 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、l 0、v 的关系是：ll 0 .1 (vc)23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，惯性系速度越大，惯性系中的时间进程进行得越慢非但如此，惯性系中的一切物理、化学过程和生命过程都变慢了(3)相对时间间隔公式：设 表示静止的惯性系中观测的时间间隔，t 表示以 v 高速运动的参考系中观察同样两事件

8、的时间间隔，则它们的关系是：t . 1 (vc)2再 判 断 1根据相对论的时空观， “同时”具有相对性()2相对论时空观认为，运动的杆比静止的杆长度变大()3高速飞行的火箭中的时钟要变慢()后 思 考 1尺子沿任何方向运动其长度都缩短吗？【提示】 尺子沿其长度方向运动时缩短，在垂直于运动方向长度不变2以任何速度运动，时间延缓效应都很显著吗？【提示】 不是当 uc 时，时间延缓效应显著；当 uc 时，时间延缓效应可忽略核 心 点 击 1 “动尺缩短”狭义相对论中的长度公式 l l0 中，l 0 是相对于杆静止的观察者测出的杆的长1 (vc)2度，而 l 可以认为是杆沿自己的长度方向以速度 v

9、运动时，静止的观察者测量的长度2 “动钟变慢”时间间隔的相对性公式 t 中， 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1 (vc)2时间间隔，而 t 是相对于事件发生地以速度 v 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，如果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3某宇航员要到离地球 5 光年的星球上去旅行，如果希望

10、把这路程缩短为 3 光年，则他所乘飞船相对地球的速度为_【解析】 由 ll 0 得，35 ，解得 v0.8c.1 (vc)2 1 (vc)2【答案】 0.8c4用相对论的观点判断，下列说法正确的是( )【导学号：23570153】A时间是绝对的，空间是相对的B时间和空间都是绝对的，在任何参考系中一个事件发生的时间和一个物体的长度总不会改变C在地面上的人看来，高速运动的飞船中的时钟会变慢，但是飞船中的宇航员却看到时钟是准确的D在地面上的人看来，高速运动的飞船在运动方向上会变窄，而飞船中的宇航员却感觉到地面上的人看起来比飞船中的人扁一些E当物体运动的速度 vc 时， “时间膨胀”和“长度收缩”效应

11、可忽略不计【解析】 时间和空间都是相对的，故选项 A、B 的说法错误；根据“时间膨胀”和“长度收缩”效应，选项 C、 D 的说法正确；当速度 vc 时，1 21，所以“时间膨(vc)胀”和“长度收缩”效应可忽略不计，故选项 E 说法正确【答案】 CDE5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 0.6c，则火箭上的人看到的铁路的长度又是多少？【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 ll 0 代入相应的数据解得：l100 km80 km.1 (vc)2 1 0.62【答案】 100 km 80 km应用相对论“效应”解题的一般步骤1应该通过审题确定研究对象及研究对象的运动速度2明确求解的问题，即明确求解静止参考系中的观察结果，还是运动参考系中的观察结果3应用“尺缩效应公式”或“时间延缓效应公式”进行计算