2017-2018學年高中物理 第六章 相對論 第1、2節(jié) 牛頓力學中運動的相對性教學案 教科版選修3-4

1、第1、2節(jié) 牛頓力學中運動的相對性 狹義相對論的兩個基本假設1.經(jīng)典的時空觀認為時間是絕對的，空間是絕對的，時間和空間相互獨立、互不相關。2愛因斯坦狹義相對論認為對不同的慣性系，物理規(guī)律都是一樣的。3在不同的慣性系中，光在真空中傳播的速率都是一樣的，恒為c，這就是光速不變原理。牛頓力學中運動的相對性自讀教材抓基礎1伽利略相對性原理(1)在做勻速直線運動的慣性參考系中，力學現(xiàn)象都以同樣的規(guī)律進行。(2)在任何慣性參考系中，力學的規(guī)律都是一樣的，都可以用牛頓定律來描述。2經(jīng)典時空觀牛頓認為：絕對的、真正的和數(shù)學的時間在均勻地、與任何外界事物無關地流逝著；絕對空間與外界任何事物無關，永遠是相同的和不

2、動的。時間和空間相互獨立、互不相關。3伽利略速度變換相對地面以速率u開行的車廂內(nèi)，物體相對于車廂以速率v向前運動時，物體對地面的速率就是vuv；如果物體向后運動時，相對于地面的速率就是vuv。速率從一個參考系變換到另一個參考系的關系式稱為伽利略速度變換公式。跟隨名師解疑難1經(jīng)典力學的相對性原理的理解(1)經(jīng)典力學相對性原理：力學規(guī)律在任何慣性系中都是相同的，即任何慣性系都是等價的。但物體相對于不同的參考系運動的結果不同。(2)理解經(jīng)典力學的相對性原理應注意的問題：慣性系和非慣性系。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，勻

3、速運動的汽車、輪船等作為參考系，就是慣性系。牛頓運動定律不成立的參考系稱為非慣性系。例如我們坐在加速的車廂里，以車廂為參考系觀察路邊的樹木房屋向后方加速運動，根據(jù)牛頓運動定律，房屋樹木應該受到不為零的合外力作用，但事實上沒有，也就是牛頓運動定律不成立。這里加速的車廂就是非慣性系。 這里的力學規(guī)律指的是“經(jīng)典力學規(guī)律”。2絕對時空觀的認識(1)絕對時間：兩個同時發(fā)生的事件，不論是靜止參考系中的觀測者還是勻速直線運動參考系中的觀測者，他們測得這兩個事件發(fā)生的時刻都是相同的，某事件經(jīng)歷的時間不會因參考系不同而不同?？梢姡巴瑫r”是絕對的，時間也是絕對的，時間永遠均勻地流逝著，與物質(zhì)無關，與運動無關。

4、(2)絕對空間：宇宙中存在一個絕對靜止的慣性參考系(簡稱慣性系)，力學規(guī)律首先應當能在這個參考系中準確地陳述，這個絕對靜止的慣性系與時間無關，永恒不變，它可以脫離物質(zhì)獨立存在。這就是絕對空間概念。(3)經(jīng)典力學的伽利略變換式：。學后自檢(小試身手)以下說法中正確的是()A經(jīng)典物理中的速度合成公式在任何情況下都是適用的B經(jīng)典物理規(guī)律也適用于高速運動的物體C力學規(guī)律在一個靜止的參考系和一個勻速運動的參考系中是不等價的D力學規(guī)律在任何慣性系里都是等價的解析：選D在所有慣性系中，一切物理規(guī)律都是等價的，故D正確，C錯誤；經(jīng)典物理規(guī)律是狹義相對論在低速狀態(tài)下的一個近似，所以經(jīng)典物理規(guī)律只適用于低速運動的

5、物體，而經(jīng)典物理中的速度合成公式也只適用于低速情況，故A、B均錯誤。狹義相對論的兩個基本假設自讀教材抓基礎1牛頓力學與電磁學理論的矛盾按照麥克斯韋理論，真空中的光速c應當是一個電磁學常量，在不同慣性系中應當有相同的值，按照伽利略速度變換公式，在不同慣性系中的真空中光速應當有不同的值。2兩個基本假設愛因斯坦相對性原理對不同的慣性系，物理規(guī)律(包括力學的和電磁的)都是一樣的光速不變原理光在真空中運動的速度在任何慣性系中測得的數(shù)值都是相同的跟隨名師解疑難1愛因斯坦相對性原理對于描述一切物理過程(包括物體位置變動、電磁以及原子過程)的規(guī)律，所有慣性系都是等價的，這里的物理過程包括光在內(nèi)。愛因斯坦把伽利

6、略的力學相對性原理推廣到了電磁物理規(guī)律和一切其他規(guī)律，成為第一個假設。愛因斯坦的狹義相對性原理是伽利略力學相對性原理的推廣。2光速不變原理在任何慣性系中，光在真空中的速度恒為c，與光源的運動和觀測者的運動無關，即光的傳播速率不遵守伽利略速度變換公式。學后自檢(小試身手)(1)如圖611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？圖611(2)參考系O相對于參考系O以速度v向右運動，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，人看到的光速又是多少？解析：根據(jù)狹義相對論理論，光速是不變的，都應是c。答案：三種情況都是c對經(jīng)典力學相對性的認識典題例析1如圖612

7、所示，在列車車廂的光滑水平面上有一質(zhì)量為m5 kg的小球，正隨車廂一起以20 m/s的速度勻速前進。現(xiàn)在給小球一個水平向前的FT5 N的拉力作用，求經(jīng)10 s時間，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612思路點撥解答本題應注意以下兩點：(1)在不同參考系中，研究對象的運動狀態(tài)可能不一樣；(2)應用牛頓第二定律和運動學解決小球的運動問題。解析：對車上的觀察者：小球的初速度為0，加速度a1 m/s2,10 s末小球的速度v1at10 m/s。對地上的觀察者：小球的初速度v020 m/s，加速度仍為a1 m/s2，10 s末小球的速度v2v0at30 m/s。答案：10 m/

8、s30 m/s探規(guī)尋律在兩個慣性系中，雖然觀察到的結果并不相同，但我們卻應用了同樣的運動定律和速度合成法則，也就是說，力學規(guī)律在任何慣性系中都是相同的。跟蹤演練甲車以20 m/s的速度向東行駛，乙車以15 m/s的速度向西行駛，則甲車相對于乙車的速度大小為_，方向為_。解析：甲車的速度v20 m/s，乙車的速度u15 m/s，由伽利略速度變換公式vuv，得甲車相對于乙車的速度vvu35 m/s。答案：35 m/s向東對狹義相對論的兩個基本假設的理解典題例析2屬于狹義相對論基本假設的是：在不同的慣性系中()A真空中光速不變B時間間隔具有相對性C物體的質(zhì)量不變 D物體的能量與質(zhì)量成正比思路點撥解答

9、本題的關鍵是牢記狹義相對論基本假設，要與時間間隔的相對性、相對論質(zhì)量等區(qū)分開來。解析：狹義相對論基本假設：一是在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的；二是真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的，即光速不變原理，由此可知A屬于狹義相對論基本假設，故A正確，B、C、D錯誤。答案：A探規(guī)尋律理解狹義相對論的兩個基本假設，熟記狹義相對論兩個基本假設的具體內(nèi)容。(1)愛因斯坦相對性原理：對不同的慣性系，物理規(guī)律(包括力學、電磁學、光學等)都是一樣的。(2)光速不變原理：在任何慣性系中，光在真空中的速度恒為c，與光源的運動和觀測者的運動無關。在此基礎上相關問題就會迎刃而解了。跟蹤演練下列幾種說法

10、：(1)所有慣性系對物理基本規(guī)律都是等價的。(2)在真空中，光的速率與光的頻率、光源的運動狀態(tài)無關。(3)在任何慣性系中，光在真空中沿任何方向的傳播速率都相同。其中正確的說法是()A只有(1)、(2)是正確的B只有(1)、(3)的正確的C只有(2)、(3)是正確的D三種說法都是正確的解析：選D根據(jù)愛因斯坦相對性原理可知，對不同的慣性系，物理規(guī)律都是一樣的，因此說法(1)正確；根據(jù)光速不變原理知，光的傳播速率不遵守伽利略速度變換公式，與光源的運動狀態(tài)無關，光速不變，光在真空中的速率是一常數(shù)。因此說法(2)和(3)也都正確，正確選項為D。課堂雙基落實1通常我們把地球和相對地面靜止或做勻速直線運動的

11、物體參考系看成是慣性系，若以下列系統(tǒng)為參考系，則屬于非慣性系的有()A停在地面上的汽車B繞地球做勻速圓周運動的飛船C在大海上勻速直線航行的輪船D進站時減速行駛的火車解析：選BD通俗來說，相對地面靜止或做勻速運動的物體就是慣性系，題中所給的四個對象，繞地球做勻速圓周運動的飛船的運動為變加速曲線運動(本選項特別易錯)，進站減速的火車的運動也是變速運動，故B、D正確，A、C錯誤。2根據(jù)伽利略相對性原理，可以得到下列結論()A任何力學規(guī)律在慣性系中都是相同的B同一力學規(guī)律在不同的慣性系中可能不同C在一個慣性參照系里不能用力學實驗判斷該參照系是否在勻速運動D在一個慣性參照系里可以用力學實驗判斷該參照系是

12、否在勻速運動解析：選AC伽利略的相對性原理是：力學規(guī)律在任何慣性系中都是相同的，故選項A正確，B錯誤；根據(jù)伽利略相對性原理的另一種表述，選項C正確，D錯誤。3設某人在速度為0.5c的飛船上，打開一個光源，則下列說法正確的是()A飛船正前方地面上的觀察者看到這一光速為1.5cB飛船正后方地面上的觀察者看到這一光速為0.5cC在垂直飛船前進方向的地面上的觀察者看到這一光速是cD在地面上任何地方的觀察者看到的光速都是c解析：選CD根據(jù)光速不變原理可知C、D正確。4關于狹義相對論的兩個假設，下列說法正確的是()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)

13、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解析：選AC狹義相對論的兩個基本假設分別是愛因斯坦相對性原理和光速不變原理。選項A、C正確。課下綜合檢測1如果牛頓運動定律在參考系A中成立，而參考系B相對于A做勻速直線運動，則在參考系B中 ()A牛頓運動定律也同樣成立B牛頓運動定律不能成立CA和B兩個參考系中，一切物理定律都是相同的D參考系B也是慣性參考系解析：選ACD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，D正確；根據(jù)狹義相對性原理，在不同的慣性參考系中一切物理定律都是相同的，A、C正確，B錯誤。2下列關于狹義相對性原理的說法中正

14、確的是()A狹義相對性原理是指力學規(guī)律在一切參考系中都相同B狹義相對性原理是指一切物理規(guī)律在一切參考系中都相同C狹義相對性原理是指一切物理規(guī)律在所有慣性參考系中都相同D狹義相對性原理與經(jīng)典相對性原理沒有區(qū)別解析：選C經(jīng)典力學的相對性原理是指一切力學規(guī)律在所有慣性系中都是相同的，而狹義相對性原理是指一切物理規(guī)律在所有慣性參考系中都是相同的，狹義相對性原理中的“規(guī)律”是指一切物理規(guī)律，經(jīng)典力學的相對性原理中的“規(guī)律”只是指力學規(guī)律，其范圍不同。因此選項C是正確的，其他選項都不對。3下列關于經(jīng)典力學的時空觀的說法中不正確的是()A經(jīng)典力學的時空觀中，同時是絕對的，即在一個參考系中的觀察者在某一時刻觀

15、察到的兩個事件，對另一參考系中的觀察者來說也是同時發(fā)生的B在經(jīng)典力學的時空觀中，時間間隔是絕對的，即任何事件(或物體的運動)所經(jīng)歷的時間，在不同的參考系中測量都是相同的，而與參考系的選取無關C在經(jīng)典力學的時空觀中，空間距離是絕對的，即如果各個參考系中用來測量長度的標準相同，那么空間兩點距離是絕對的不變的量值，而與參考系選取無關D經(jīng)典力學的時空觀就是一個絕對的時空觀，時間與空間、物體的運動有關解析：選D經(jīng)典的時空觀認為，時間、空間均是絕對的，與物體的運動狀態(tài)無關。同時也是絕對的，即在一個參考系中同時發(fā)生的兩個事件，在不同參考系中觀察也是同時發(fā)生的，故A、B、C均正確，D錯誤。4如圖1所示，沿平直

16、鐵路線有間距相等的三座鐵塔A、B和C。假想有一列車沿AC方向以接近光速行駛，當鐵塔B發(fā)出一個閃光，列車上的觀測者測得A、C兩鐵塔被照亮的順序是()圖1A同時被照亮 BA先被照亮CC先被照亮 D無法判斷解析：選C火車上的觀察者是以火車為參考系，燈塔A、B、C均沿與火車運動的反向運動(即沿CA方向)。B發(fā)出的光向A、C傳播的過程中，A是遠離光線運動，C是向著光線運動，在火車上的觀察者看，光線先傳播到C，即C光被照亮。5在做勻速直線運動的火車車廂里，某個座位上的人豎直向上拋出一個小球，下列幾種說法中正確的是()A小球依然落在該座位上B相對火車靜止的觀察者看到小球做豎直上拋運動C在路邊的觀察者看到小球

17、做豎直上拋運動D在路邊的觀察者看到小球做向前的平拋運動解析：選AB由于火車的運動是低速狀態(tài)下的運動，其運動規(guī)律滿足牛頓運動定律，適合牛頓的絕對時空觀理論，被拋起的小球只受重力作用，在水平方向上不受力的作用，因此仍舊落回原處，A正確；相對火車靜止的觀察者，與小球具有相同的水平速度，水平方向相對靜止，故看到小球做豎直上拋運動，B正確；路邊的觀察者看到拋起的小球，在水平方向上做勻速直線運動，在豎直方向上做豎直上拋運動，因此看到小球做向前的斜上拋運動，選項C、D均錯誤。6觀察者甲、乙分別靜止在慣性系S、S中，S相對于S以速度u運動，S中的一個固定光源發(fā)出一束光與u同向。下列結論正確的是()乙測得光速為c；甲測得光速為(cu)；甲測得光速為(cu)；甲測得光相對于乙的速度為(cu)。A BC D解析：選B根據(jù)狹義相對論的光速不變原理知，光速在任何慣性參考系中的速度都相同，等于c。因此，乙測得的光速為c，正確；又知乙相對于甲的速度為u，且與光速同向，則甲測得光速相對于乙的速度為(cu)，正確。由以上分析得知選項B正確，而其他選項錯誤。7廣州的一個人在聽到收音機報時：“剛才最后一響是北京時間7點整”的時候，他在最后一響時，把表對到7點整，北京的鐘和廣州的鐘是一致的嗎？怎樣才能使它們一致？解析：電磁波的傳播速度等于光速，從北京傳到廣州，是需要一