2　時間和空間的相對性.docx

相對論簡介相對論的誕生 時間和空間的相對性一、相對論的誕生1經典相對性原理(1)慣性系：_成立的參考系。相對于一個慣性系做_的另一個參考系，也是慣性系。(2)伽利略相對性原理：力學規(guī)律在任何_中都是相同的。2狹義相對論的兩個基本假設(1)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_的。(2)光速不變原理：真空中的光速在不同的慣性參考系中都是_的。二、時間和空間的相對性1“同時”的相對性(1)經典的時空觀：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也是_的。(2)相對論的時空觀：“同時”具有相對性，即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不一定是同時的。2“長度”的相對性(1)經典的時空觀：一條桿的長度不會因為觀察者是否與桿做_而不同。(2)相對論的時空觀：“長度”也具有相對性，一條沿自身長度方向運動的桿，其長度總比桿靜止時的長度_。設與桿相對靜止的觀察者認為桿的長度為l0，與桿有相對運動的人認為桿的長度為l，則兩者之間的關系是：l_。3時間間隔的相對性(1)經典的時空觀：某兩個事件，在不同的慣性參考系中觀察，它們的時間間隔總是_的。(2)相對論的時空觀：某兩個事件，在不同的慣性參考系中觀察，它們的時間間隔是_的。設表示相對事件發(fā)生地靜止的慣性系中觀測的時間間隔，t表示相對事件發(fā)生地以v高速運動的參考系中觀察同樣兩事件的時間間隔，則它們的關系是：t 4相對論時空觀(1)經典時空觀：空間和時間是脫離物質存在的，是_的，空間和時間之間也是_聯系的。(2)相對論時空觀：空間和時間與物質的_有關。嘗試想一想1如何判斷一個參考系是慣性參考系還是非慣性參考系？提示：我們通常選大地是慣性參考系，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。2光速不變已經被實驗證實，為何仍叫“假設”呢？提示：雖然實驗表明了假設所說的內容，但這終歸是有限的幾次實驗。只有在從這兩個假設出發(fā)，經過邏輯推理(包括數學推導)所得出的大量結論都與事實相符時，它們才能成為真正意義上的原理。3運動的時鐘變慢是不是因為時鐘的構造因運動而發(fā)生了改變？提示：運動的時鐘變慢是在兩個不同的慣性系中進行時間比較的一種效應，并非鐘的結構因運動發(fā)生了改變。要點一相對論的誕生1.經典的相對性原理(1)慣性系：如果牛頓運動定律在某個參考系中成立，這個參考系叫做慣性系，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。(2)相對性原理的三種表述表述一：力學規(guī)律在任何慣性系中都是相同的。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。表述三：任何慣性參考系都是平權的。2相對性原理與電磁規(guī)律在經典力學中如果某一慣性系相對另一慣性系的速度為v，在此慣性系中有一物體速度為c，那么，此物體相對另一慣性系的速度是cv嗎？根據伽利略相對性原理答案是肯定的，但是這種答案被邁克耳孫莫雷的實驗否定了。邁克耳孫莫雷實驗證明了光速是不變的。這和傳統(tǒng)的速度合成法則是矛盾的。3狹義相對論的兩個基本假設(1)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。(2)光速不變原理：真空中的光速在不同的慣性參考系中都相同。這兩個假設是邁克耳孫莫雷的直接結論，但由于是有限的幾次實驗的結論，還要大量的實驗來證明，還要經過邏輯推理的大量結論來驗證才能成為真正的原理。4兩個相對性原理的區(qū)別對于伽利略相對性原理來說，參考系中的坐標單位與參考系的運動無關；參考系中的時間與參考系的運動無關。其速度合成規(guī)律應滿足vvu。v是某個慣性系相對另一個慣性系的速度，u是物體相對某個慣性系的速度，那么，物體相對另一個慣性系的速度為vvu。以此類推，若u是光速c，則在某個慣性系的光速相對于另一個慣性系的速度為vvc，那么，光速是可以變大或變小的(在真空中)。對于狹義相對論的相對性原理來說，力學規(guī)律對慣性系來說都是相同的，但是光速是不變的。由于光速是不變的，造成了與經典理論一些不同的結論。這些結論在低速的世界里是不易搞清的，但從天體的物理現象中卻得到了證實。探究提升1如何理解光速不變原理？提示：我們經常講速度是相對的，參考系選取不同，速度也不同，這是經典力學中速度的概念，但是，1887年邁克耳孫莫雷實驗中證明的結論是：不論取什么樣的參考系，光速都是一樣的，也就是說光速的大小與選取的參考系無關，光的速度是從麥克斯韋方程組中推導出來的，它沒有任何前提條件，所以這個速度不是指相對某個參考系的速度。2伽利略的相對性原理與狹義相對性原理有什么不同？提示：伽利略的相對性原理認為力學規(guī)律在任何慣性系中是相同的；狹義相對性原理認為在不同慣性系中一切物理規(guī)律都是相同的。例1下面說法正確的是()A在以c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c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c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c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解題反思1真空中的光速相對于豎直方向升空的火箭有什么特點？提示：根據光速不變原理，光速與參考系的選取無關。2真空中的光速相對于地面的速度與相對火箭的速度有什么關系？提示：對不同的慣性參考系光速是相同的，都為c。例2光源與參考系O相對靜止，光源發(fā)出的光向右傳播。(1)如圖所示，參考系O相對于參考系O靜止時，人看到的光速應是多少？(2)參考系O相對于參考系O以速度v向右運動時，人看到的光速應是多少？(3)參考系O相對于參考系O以速度v向左運動時，人看到的光速又是多少？類題通法光速不變原理的理解(1)真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的。(2)邁克耳孫莫雷實驗證明光速不變原理是正確的。要點二時間和空間的相對性一、時間和空間的相對性1“同時”的相對性(1)經典的時空觀：同時是絕對的，即如果兩個事件在一個參考系中被認為是同時的，在另一個參考系中一定也被認為是同時的。(2)相對論的時空觀：同時是相對的，即在一個慣性系中“同時”發(fā)生的兩個事件，在另一個慣性系中可能是不同時的。2長度的相對性(1)經典的時空觀：一條桿的長度不會因為觀察者是否相對桿運動而不同。(2)相對論的時空觀：“長度”也具有相對性，一條沿自身長度方向運動的桿，其長度總比靜止的長度小，但在垂直于桿的運動方向上，桿的長度沒有變化。(3)相對長度公式：設相對于桿靜止的觀察者認為桿的長度為l0，與桿相對運動的人認為桿的長度為l，桿相對于觀察者的速度為v，則l、l0、v之間的關系為：ll0。3時間間隔的相對性(1)經典的時空觀：兩個事件，在不同的慣性系中觀察，它們的時間間隔總相同。(2)相對論的時空觀：兩個事件，在不同的慣性參考系中觀察，它們的時間間隔是不同的，慣性系相對于觀察者的速度越大，慣性系中的時間進程進行得越慢。非但如此，慣性系中的一切物理、化學和生命過程都變慢了。(3)相對時間間隔公式：設表示靜止的慣性系中觀測的時間間隔，t表示以v高速運動的參考系中觀察同樣兩事件的時間間隔，則它們的關系是：t。因總有vc，所以t動鐘變慢。二、相對論時空觀及驗證1相對論時空觀(1)時間和物質的存在有關，它的長短與物質的運動速度有關。(2)空間也與物質的存在有關，物質的運動速度大小使空間變了形。2相對論時空觀的驗證時空相對性的最早證據跟宇宙射線的觀測有關。如子，壽命為3.0 s。宇宙射線中的子速度約為0.99c，子生成的高度在100 km以上，雖然它只能飛行約890 m，但實際上，地面觀測到的宇宙射線中有許多子，對此現象解釋如下：從地面觀察者來看，子在以接近光速的速度運動，它的壽命比與子靜止的參考系中的3.0 s要長得多，在這樣長的時間內，許多子可以飛到地面。從與子一起運動的觀察者來看，子壽命仍是3.0 s，但大地正向他撲面而來，因此大氣層的厚度不是100 km，而是比100 km薄得多，許多子在衰變?yōu)槠渌Ｗ忧翱梢燥w過這樣的距離。探究提升1如何理解同時的相對性？提示：同時是指兩個事件發(fā)生的時刻是相同的，“相同”是觀察者得出的結論，不同的觀察者觀察到的結果是不“相同”的。2如何理解“動鐘變慢”？提示：運動的時鐘變慢：時鐘相對于觀察者靜止時，走得快；相對于觀察者運動時，觀察者會看到它變慢了，運動速度越快，效果越明顯，即運動著的時鐘變慢了。t，其中t為地面觀察者測得的時間間隔，為相對觀察者靜止時測得的時間間隔。例3一張宣傳畫是邊長為5 m的正方形，一高速列車以2108 m/s的速度接近此宣傳畫，在司機看來，這張宣傳畫是什么樣子？1尺沿任何方向運動其長度都縮短嗎？提示：尺沿其長度方向運動時縮短，在垂直于運動方向長度不變。2當發(fā)生動尺變短時如何計算其長度？提示：由相對論長度公式ll0求解。例4介子與質子相碰可產生其他粒子。其中有一種k0粒子，它經d1101 m的距離便衰變成兩個具有相反電荷的介子。若k0粒子的速率為v2.24108 m/s，試求其固有壽命。應用相對論“效應”解題的一般步驟首先，應該通過審題確定研究對象及研究對象的運動速度。其次，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。最后，應用“尺縮效應公式”或“時間延緩效應公式”進行計算。相對論理解的三個誤區(qū)示例用相對論的觀點判斷，下列說法不正確的是()A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B在地面上的人看來，以10 km/s的速度運動的飛船中的時鐘會變慢，但是飛船中的航天員卻看到時鐘是準確的C在地面上的人看來，以10 km/s的速度運動的飛船在運動方向上會變窄D當物體運動的速度vc時，“時間膨脹”和“長度收縮”效果可忽略不計誤區(qū)1：誤認為運動的物體長度都會有明顯的收縮其原因是不清楚長度收縮的相對性，當vc時，長度收縮效應顯著；當vc時，長度收縮效應可忽略。誤區(qū)2：誤認為長度收縮可以發(fā)生于任何方向這是由于不理解空間的相對性、長度收縮效應只能發(fā)生在運動方向上。誤區(qū)3：誤用經典力學的相對性原理分析光速問題產生誤區(qū)的原因是對光速不變原理的理解不透徹。真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的。如圖所示，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_。(填寫選項前的字母)A0.4c B0.5c C0.9c D1.0c要點一相對論的誕生1. 關于狹義相對論的兩個假設，正確的是()A在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的B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C真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的D真空中的光速在不同的慣性參考系中是有差別的要點二時間和空間的相對性2. A、B兩架飛機沿地面上一足球場的長軸方向在其上空高速飛過，且