相對論簡介1相對論的誕生2時間和空間的相對性［學習目標］1.知道經典的相對性原理，知道狹義相對論的實驗基礎和它的兩個基本假設.2.知道狹義相對論的幾個主要結論.3.了解經典時空觀與相對論時空觀的主要區(qū)別，體會相對論的建立對人類認識世界的影響．新知探究點點落實知識探究新知探究點點落實一、經典相對性原理與狹義相對論的兩個基本假設［導學探究］(1)如圖1所示，小球相對于參考系O以速度e0向右拋出，人相對于參考系O'靜止，當參考系O'相對于參考系O靜止、以速度e向右運動和以速度e向左運動時，人觀察到小球的速度分別為多大？圖1如圖2所示，光源相對于參考系O靜止，人相對于參考系O'靜止，當參考系O'相對于參考系O'靜止、以速度e向右運動和以速度e向左運動時，人觀察到的光源發(fā)出光的傳播速度分別為多大？答案(1)分別是v0、v0－v、v0＋v(2)人觀察到的光速都是c圖2圖2［知識梳理］1．經典的相對性原理慣性系：如果生頓運動定律在某個參考系中成立，這個參考系就叫做慣性系，相對一個慣性系做勻速直線運動的另一個參考系也是慣性系.⑵相對性原理：力學規(guī)律在任何慣性系中都是相同的，這個論述叫做伽利略相對性原理.經典的相對性原理的三種表述：①表述一：力學規(guī)律在任何慣性系中都是相同的.②表述二：在一個慣性參考系內進行的任何力學實驗都不能判斷這個慣性系是否相對于另一個慣性系做勻速直線運動?③表述三：任何慣性參考系都是平權的.2．經典相對性原理解釋電磁規(guī)律的困難邁克耳孫一莫雷實驗證明了光速是不變的，這與傳統的速度合成法則是矛盾的.狹義相對論的兩個基本假設狹義相對性原理：在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的.⑵光速不變原理：真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的.［即學即用］判斷下列說法的正誤.根據伽利略相對性原理，在一個慣性參考系里不能用力學實驗判斷該參考系是否相對于另一個慣性系做勻速直線運動.(V)根據伽利略相對性原理，同一力學規(guī)律在不同的慣性系中可能不同.(X)在真空中，若物體以速度v背離光源運動，則光相對物體的速度為c-v.(X)邁克耳孫—莫雷實驗得出的結論是：不論光源與觀察者做怎樣的相對運動，光速都是一樣的.(V)光速不變原理是：真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的.(V)根據狹義相對論的兩個假設，在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的.(V)二、時間和空間的相對性［導學探究］如圖3所示，一列車以速度v經過站臺，站臺中部的觀察者C看到列車車頭正好到達站臺最右端的A人時，車尾正好到達站臺最左端的B人.C'A2圖3若此時站臺上的觀察者C看到A、B兩人同時面向列車舉起手中的小紅旗，那么站在列車中點的觀察者C看到A、B兩人是同時舉旗的嗎？如果不是同時舉旗，他會看到哪個人先舉旗？站臺上的觀察者C看到列車長度剛好和站臺長度相同，列車上的觀察者C認為列車長度和站臺長度相同嗎？如果不相同，他認為列車長還是站臺長？假定列車上的觀察者C舉起小紅旗向站臺上的A、B兩人揮動致意，他認為自己從舉起小紅旗到放下小紅旗的時間為t,站臺上的觀察者C觀察到他舉旗的時間也為t嗎？如果不是t,他認為這個時間比t長還是短？答案(1)不是同時舉旗，他看到A人先舉旗(2)列車長度和站臺長度不相同，站臺要短一些不是t,他認為這個時間比t長［知識梳理］時間和長度的相對性1．“同時”的相對性在同一個慣性系中不同地點同時發(fā)生的兩個事件,在另一個慣性系中觀察時：經典的時空觀認為二定(填“一定”或“不一定”)是同時發(fā)生的.狹義相對論的時空觀認為不一定(填“一定”或“不一定”)是同時發(fā)生的.2．長度的相對性(尺縮效應)經典的時空觀：一條桿的長度不會因為觀察者是否與桿做相對運動而不同.狹義相對論認為“動尺變短”：狹義相對論中的長度公式：l=l°\jl—(|)2，但垂直于桿的運動方向上，桿的長度不變.3．時間間隔的相對性仃)經典的時空觀：某兩個事件，在不同的慣性系中觀察，它們的時間間隔總是相同的.(2)狹義相對論認為“動鐘變慢”：時間間隔的相對性公式&TAt= ，也就是說，在相對運動的參考系中觀測，事件變化過程的時間間隔變大了，W)2這叫做狹義相對論中的時間膨脹.經典時空觀和狹義相對論時空觀經典時空觀：空間和時間脫離物質而存在，是絕對的，空間和時間沒有聯系，即與物質的運動狀態(tài)無關.狹義相對論時空觀：有物質才有時間和空間，空間和時間與物質運動狀態(tài)有關.［即學即用］判斷下列說法的正誤.一根桿的長度不會因為觀察者是否與桿做相對運動而不同，這是經典物理學家的觀點.(V)一根桿的長度靜止時為1°,不管桿如何運動，桿的長度均小于lQ.(X)⑶“動鐘變慢”是時鐘的精度因運動而發(fā)生了變化.(X)長度、時間的測量結果會隨物體與觀察者的相對運動狀態(tài)的改變而改變.(V)高速運動的飛船中的宇航員發(fā)現地面的時鐘變慢了.(V)地面上的人認為兩個事件同時發(fā)生，而高速運動的飛船中的宇航員卻不這么認為.(V)一、經典的相對性原理與狹義相對論應用狹義相對論的幾點注意1．慣性系與非慣性系的確定：我們通常選取大地為慣性系，相對于地面靜止或做勻速運動的物體都是慣性參考系，相對于地面做變速運動的物體都是非慣性參考系．光的傳播速度與慣性系的選取無關.在任何情況下，真空中的光速都是c.3．力學規(guī)律相對于慣性系來說都是相同的．【例1如圖4所示，在列車車廂里的光滑水平面上有一個質量為m=5kg的小球，正隨車廂一起以20m/s的速度勻速前進.現在給小球一個水平向前的F=5N的拉力作用，求經10s時，車廂里的觀察者和地面上的觀察者看到小球的速度分別是多少？圖4答案10m/s30m/sF解析對車上的觀察者：小球的初速度^0=0，加速度a=m=1m/s2，經過10s，速度v1=at=10m/s.對地上的觀察者：小球初速度勺=20m/s，加速度為a=m=1m/s2?經過10s,速度v2=v°+at=30m/s.p-歸納總結■ ）兩個觀察者的結果雖然不同，但都利用了牛頓運動定律，因此都是慣性參考系.觀察的結果不同，是因為選擇了不同的參考系.【例2】（多選）下面說法正確的是（）在以1Oo0c豎直方向升空的火箭上向前發(fā)出的光，對地速度一定比c大B?在以1OO0C豎直方向升空的火箭上向后發(fā)出的光，對地速度一定比c小C.在以1Oo0c豎直方向升空的火箭上沿水平方向發(fā)出的光對地速度為cD?在以1000c豎直方向升空的火箭上向任一方向發(fā)出的光對地速度都為c答案CD解析根據狹義相對論的基本假設——光速不變原理可知：真空中的光速相對于火箭的速度為c，相對于地面的速度也為c，即對不同的慣性參考系光速是相同的，因此C、D正確，A、B錯誤．二、時間和空間的相對性應用相對論“效應”解題的一般步驟：應該通過審題確定研究對象及研究對象的運動速度．明確求解的問題，即明確求解靜止參考系中的觀察結果，還是運動參考系中的觀察結果．應用“尺縮效應公式”或“時間延緩效應公式”進行計算．【例3】地面上長100km的鐵路上空有一火箭沿鐵路方向以30km/s的速度掠過，則火箭上的人看到鐵路的長度應該為多少？如果火箭的速度達到0.6c，則火箭上的人看到的鐵路的長度又是多少？答案100km80km解析當火箭速度較低時，長度基本不變，還是100km.當火箭的速度達到0.6c時，由相對論長度公式l=l0訂1-f)2代入相應的數據解得：l=100X1-0.62km=80km.【例4n+介子是一種不穩(wěn)定粒子，平均壽命是2.6X10-8s(在它自己的參考系中測得)如果此粒子相對于實驗室以0.8c的速度運動，那么在實驗室坐標系中測量的n+介子壽命多長？在(1)中實驗室坐標系里測量的n+介子在衰變前運動了多長距離？答案(1)4.3X10-8s(2)10.32m解析(l)n+介子在實驗室中的壽命為At=△At=△T2.6X10-8s~4.3X10-8s.(2)該粒子在衰變前運動的距離為x=^At=0.8X3X108X4.3X10-8m=10.32m.當堂檢測鞏固反饋達標檢測當堂檢測鞏固反饋1．（多選）關于狹義相對論的兩個假設，下列說法正確的是（ ）在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的在不同的慣性參考系中，力學規(guī)律都一樣，電磁規(guī)律不一樣真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的真空中的光速在不同的慣性參考系中是有差別的答案AC如圖5所示，強強乘坐速度為0.9c（c為光速）的宇宙飛船追趕正前方的壯壯，壯壯的飛行速度為0.5c，強強向壯壯發(fā)出一束光進行聯絡，則壯壯觀測到該光束的傳播速度為（）0.9c 0.5c強強莎壯壯圖5A.0.4cB.0.5cC.0.9cD.c答案D解析由狹義相對論的基本假設——光速不變原理可知，真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的，可知D正確.假設甲在接近光速的火車上看地面上乙的手中沿火車前進方向放置的尺，同時地面上的乙看甲的手中沿火車前進方向放置的相同的尺，則下列說法正確的是（ ）甲看到乙的手中的尺長度比乙看到自己手中的尺長度長B.甲看到乙的手中的尺長度比乙看到自己手中的尺長度短乙看到甲的手中的尺長度比甲看到自己手中的尺長度長乙看到甲的手中的尺長度與甲看到自己手中的尺長度相同答案B解析由l=l0\]l-（：）2可知運動的觀察者觀察靜止的尺和靜止的觀察者觀察運動的尺時，都發(fā)現對方手中的尺比自己手中的尺短，故B正確，A、C、D錯誤.（多選）用相對論的觀點判斷下列說法，其中正確的是（ ）時間和空間都是絕對的，在任何參考系中一個事件發(fā)生的時間和一個物體的長度總不會改變在地面上看，以10km/s的速度運動的飛船中的時鐘會變快，但是飛船中的宇航員卻看到時鐘是準確的在地面上的人看來，以10km/s的速度運動的飛船在運動方向上會變短，而飛船中的宇航員卻感覺到地面上的人看起來比飛船中的人扁一些當物體運動的速度e遠小于c時，“長度收縮”和“時間膨脹”效果可忽略不計答案CD解析時間和空間都是相對的沒有絕對準確的時間和空間所以A錯誤.由l=l0 1-(f)2可知兩處的人都感覺l<l0，所以C正確?由尺縮效應和鐘慢效應公式可知，當e遠小于c時，尺縮效應和鐘慢效應都可以忽略不計，所以B錯誤，D正確.課時作業(yè) 強化訓練拓展提升一、選擇題1．(多選)關于牛頓力學的適用范圍，下列說法正確的是( )適用于宏觀物體適用于微觀物體適用于高速運動的物體適用于低速運動的物體答案AD解析由經典力學的局限性可知A、D正確.關于相對論的認識，下列說法正確的是( )因為時間是絕對的，所以我們在不同的參考系中觀察到的時間進程都是相同的空間與時間之間是沒有聯系的在一個確定的參考系中觀察，運動物體的空間距離和時間進程跟物體的運動狀態(tài)有關慣性系就是靜止不動的參考系同一力學規(guī)律在不同的慣性系中可能不同答案C如圖1所示，世界上有各式各樣的鐘：砂鐘、電子鐘、機械鐘、光鐘和生物鐘.既然運動可以使某一種鐘變慢，它一定會使所有的鐘都一樣變慢.這種說法是( )圖1對的，對各種鐘的影響必須相同不對，不一定對所有的鐘的影響都一樣A和B分別說明了兩種情況下的影響

以上說法全錯答案A4．下列說法中正確的是( )相對性原理能簡單而自然地解釋電磁學的問題在真空中，若物體以速度e背離光源運動，則光相對物體的速度為c—e在真空中，若光源向著觀察者以速度e運動，則光相對于觀察者的速度為c+e邁克耳孫一莫雷實驗得出的結論是：不論光源與觀察者做怎樣的相對運動，光速都是一樣的答案D解析相對性原理簡單而自然，但在電磁學的領域里，涉及相對哪個參考系才成立的問題，故選項A錯誤；根據狹義相對論的光速不變原理知，選項B、C錯誤，D正確.5?如圖2所示,在一個高速轉動的巨大轉盤上放著A、B、C三個時鐘，下列說法正確的是()A．A時鐘走時最慢，B時鐘走時最快B．A時鐘走時最慢，C時鐘走時最快C.C時鐘走時最慢，A時鐘走時最快D．B時鐘走時最慢，A時鐘走時最快答案C解析A、B、C三個時鐘中，C相對于地面的速度最大，A相對于地面的速度最??；由At=At =可知，C時鐘走時最慢，A時鐘走時最快，故選項C正確.1-如圖3所示，沿平直鐵路線上有間距相等的三座鐵塔A、B和C.假想有一列車沿AC方向以接近光速的速度行駛，當鐵塔B發(fā)出一個閃光，列車上的觀察者測得A、C兩鐵塔被照亮的順序是()

A.同時被照亮A.同時被照亮C．C先被照亮答案C圖3B.A先被照亮無法判斷解析以列車為參考系，塔A、B、C向左高速運動，列車中的觀測者認為光從B到A的距離大于光從B到C的距離，由t=l知，光從B到C用時短，C先被照亮.慣性系S中有一邊長為l的正方形(如圖4所示)，從相對S系沿x方向以接近光速的速度勻速飛行的飛行器上測得該正方形的圖象是( )答案解析OI xOIxAC由相對論長度公式l=l0寸1答案解析OI xOIxAC由相對論長度公式l=l0寸1_(V)2得圖4y運動方向上的邊長變短，垂直運動方向上的邊長不變．某宇航員要到離地球5光年的星球上去旅行，如果希望把這段路程縮短為3光年，則他所乘飛船相對地球的速度為( )A.0.5c B.0.6cD.0.9cC.0.8cD.0.9c解析由l=l0 1-(C)2,