高中物理 第5章 新時空觀的確立 5.1 電磁場理論引發(fā)的怪異問題 5.2 狹義相對論的基本原理學(xué)案 滬科版-4

1、學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精5。1電磁場理論引發(fā)的怪異問題5.2狹義相對論的基本原理學(xué)習(xí)目標(biāo) 1。理解伽利略相對性原理。2.了解狹義相對論的兩條基本公設(shè).3。由伽利略變換和洛倫茲變換體會經(jīng)典物理學(xué)的時空觀和狹義相對論的時空觀的不同.4.了解同時的相對性和相對論速度變換公式1邁克耳孫莫雷實(shí)驗(yàn)說明，光在任何方向上傳播時，相對于地球的速度都是相同的即光速c是不變的2伽利略相對性原理：對于力學(xué)規(guī)律來說，一切慣性系都是等價的3狹義相對論的兩條公設(shè)為:愛因斯坦相對性原理和光速不變原理4同時的相對性經(jīng)典物理學(xué)家認(rèn)為同時是絕對的,與參考系無關(guān)，狹義相對論的時空觀認(rèn)為同時是相對的，即在一個慣性系中不同地點(diǎn)同時發(fā)生

2、的兩個事件，在另一個慣性系中不一定是同時的5相對論速度變換公式若高速運(yùn)動的飛船相對于地球的速度為v,飛船上的某物體以速度u沿著飛船前進(jìn)的方向相對飛船運(yùn)動,那么物體相對于地球的速度u.一、電磁場理論引發(fā)的怪異問題導(dǎo)學(xué)探究1舉例說明電磁場理論與經(jīng)典物理學(xué)存在著尖銳的矛盾答案一輛車對地做勻速直線運(yùn)動速度為v，若自車廂后壁發(fā)出一個閃光，按照經(jīng)典物理速度合成公式，這個閃光對地的速度為vcv。但電磁場理論中光在真空中的傳播速度為c，并不涉及參考系問題2邁克耳孫莫雷實(shí)驗(yàn)說明了什么？答案說明光速c是不變的知識深化1按經(jīng)典物理速度合成公式，一個人在相對地面以速度v運(yùn)動的車或船上，向前進(jìn)方向擲出一個相對于自己以速

3、度u運(yùn)動的球，則球相對地面的速度應(yīng)為vuv.2對光的傳播應(yīng)用了經(jīng)典的物理速度合成公式后,得出的結(jié)果與電磁場理論中“光在真空中的傳播速度為c”產(chǎn)生了矛盾即經(jīng)典的速度合成公式對電磁學(xué)不適用3邁克耳孫莫雷實(shí)驗(yàn)說明：光在任何方向上傳播時，相對地球的速度都是相同的也就是說,地球相對于“以太”的速度v實(shí)際上為零，或者說“以太根本不存在光速c是不變的4伽利略相對性原理：對于力學(xué)規(guī)律來說，一切慣性系都是等價的例1如圖1所示，在列車車廂的光滑水平底面上有一個質(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(jìn)現(xiàn)在給小球一個水平向前的f5 n的拉力作用，求經(jīng)10 s時，車廂里的觀察者和地面上的觀察者看

4、到小球的速度分別是多少？圖1答案10 m/s30 m/s解析對車廂里的觀察者物體的初速度為0，加速度a1 m/s2經(jīng)10 s時，速度v1at10 m/s.對地面上的觀察者解法一物體初速度v020 m/s加速度相同a1 m/s2經(jīng)10 s時，速度v2v0at30 m/s.解法二根據(jù)速度合成法則v2v1v0（1020） m/s30 m/s.二、狹義相對論的兩條公設(shè)導(dǎo)學(xué)探究1在伽利略變換中，時間和空間是否有關(guān)系，它們與物體的運(yùn)動有無關(guān)系？答案時間和空間是分離的時間尺度和空間尺度跟物體運(yùn)動無關(guān)，都是絕對的2面對電磁場理論與經(jīng)典物理學(xué)之間出現(xiàn)的矛盾,愛因斯坦對時間和空間又是怎樣理解的？答案愛因斯坦認(rèn)為,

5、空間和時間在本質(zhì)上是統(tǒng)一的，空間和時間不是分離的知識深化狹義相對論的兩個基本公設(shè)1愛因斯坦相對性原理：在所有相互做勻速直線運(yùn)動的慣性參考系中，物理規(guī)律都是相同的2光速不變原理：在所有相互做勻速直線運(yùn)動的慣性參考系中，光在真空中的速度都是相等的例2考慮以下幾個問題：(1)如圖2所示,參考系o相對于參考系o靜止時，人看到的光速應(yīng)是多少？圖2（2)參考系o相對于參考系o以速度v向右運(yùn)動時，人看到的光速應(yīng)是多少?（3)參考系o相對于參考系o以速度v向左運(yùn)動時，人看到的光速又是多少?答案（1）c(2)c(3）c解析光速不變原理指的是真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的故三種情況下人看到的光速都是c

6、。三、洛倫茲變換、同時的相對性導(dǎo)學(xué)探究如圖3所示，一列火車沿平直軌道飛快地勻速行駛，車廂中央的光源發(fā)出了一個閃光，閃光照亮了車廂的前壁和后壁車上的人觀察到閃光同時照亮了前后壁嗎？地上的人怎么認(rèn)為?圖3答案車上的人認(rèn)為閃光同時照亮了前后壁，地上的人認(rèn)為先照亮后壁知識深化1洛倫茲變換2同時的相對性（1)經(jīng)典物理學(xué)家認(rèn)為：如果兩個事件在一個參考系中是同時發(fā)生的，那么在另一個參考系中觀察也一定是同時發(fā)生的即同時是絕對的,與所在的慣性參考系無關(guān)(2）狹義相對論的時空觀認(rèn)為：同時是相對的，即在一個慣性系中不同地點(diǎn)同時發(fā)生的兩個事件,在另一個慣性系中不一定是同時的,跟觀察者所選取的參考系有關(guān)延伸思考你能夠在

7、vc時，由洛倫茲變換得到伽利略變換嗎？答案當(dāng)vc時，公式x中的很小近似為零，故xxvt；公式t中也近似為零，則tt。例3如圖4所示，沿平直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(dāng)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4a同時被照亮ba先被照亮cc先被照亮 d無法判斷答案c解析列車上的觀察者看到的是由b發(fā)出后經(jīng)過a和c反射的光，由于列車在這段時間內(nèi)向c運(yùn)動，靠近c(diǎn)而遠(yuǎn)離a,所以列車上的觀察者看到c先被照亮，故只有c正確四、相對論速度變換公式導(dǎo)學(xué)探究一列火車正以v50 m/s的速度高速行駛，列車內(nèi)一乘客以相對列車u5 m/s的速

8、度向前跑，站臺上的觀察者測得該乘客的速度是uvu55 m/s.若列車的速度是0.9c，乘客的速度是0.5c，那么站臺上的觀察者測得該乘客的速度為0.9c0.5c1。4c嗎？答案不是知識深化相對論速度變換公式1公式：設(shè)高速行駛的火車的速度為v，車上的人相對火車以速度u運(yùn)動，人相對地面的速度為u，則2結(jié)論：光速c是物體運(yùn)動速度的極限，且相對任何參考系，光速都是不變的3理解：若vc,uc時，可忽略不計，即11,相對論速度合成公式可近似變?yōu)閡vu.例4地球上一觀察者，看見一飛船a以速度2。5108 m/s從他身邊飛過,另一飛船b以速度2.0108 m/s跟隨a飛行求：（1)a上的乘客看到b的相對速度；

9、(2）b上的乘客看到a的相對速度答案(1)1.125108 m/s（2)1。125108 m/s解析(1)a上的乘客看地面上的人以2。5108 m/s向后運(yùn)動地面上的人看b以2。0108 m/s向前運(yùn)動,則a上的乘客看到b的相對速度為u108 m/s1。125108 m/s.（2）b上的乘客看到a的相對速度為1。125108 m/s。2狹義相對論的基本原理1通常我們把地球和相對于地面靜止或勻速運(yùn)動的參考系看成慣性系，若以下列系統(tǒng)為參考系，則其中屬于非慣性系的有（）a停在地面上的汽車b繞地球做勻速圓周運(yùn)動的飛船c在大海上勻速直線航行的輪船d以較大速度勻速運(yùn)動的磁懸浮列車答案b解析由慣性系和非慣性

10、系的概念可知選b.2關(guān)于狹義相對論，下列說法不正確的是（)a狹義相對論認(rèn)為在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的b狹義相對論認(rèn)為在一切慣性系中，光在真空中的速度都等于c，與光源的運(yùn)動無關(guān)c狹義相對論只涉及無加速度運(yùn)動的慣性系d狹義相對論任何情況下都適用答案d解析由狹義相對論原理可知d錯誤3(多選）下列關(guān)于經(jīng)典力學(xué)的時空觀，正確的是（)a經(jīng)典力學(xué)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(xué)的時空觀中，時間間隔是絕對的，即任何事件(或物體的運(yùn)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

11、無關(guān)c在經(jīng)典力學(xué)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(biāo)準(zhǔn)相同，那么空間兩點(diǎn)距離是絕對不變的量值，而與參考系的選取無關(guān)d經(jīng)典力學(xué)的時空觀就是一個絕對的時空觀,時間、空間與物體的運(yùn)動無關(guān)答案abcd解析由經(jīng)典力學(xué)時空觀內(nèi)容可知a、b、c、d正確4設(shè)想有一艘飛船以v0.8c的速度在地球上空飛行，如果這時從飛船上沿其運(yùn)動方向拋出一物體，該物體相對于飛船的速度為0。9c，從地面上的人看來,物體的速度為（）a1.7c b0.1c c0。99c d無法確定答案c解析根據(jù)相對論速度變換公式：u，得u0.99c，故選項(xiàng)c正確課時作業(yè)一、選擇題1(多選）某地發(fā)生洪澇災(zāi)害，災(zāi)情緊急，特派一

12、飛機(jī)前往，飛機(jī)在某高度做勻速直線運(yùn)動，投放一包救急品，災(zāi)民看到物品做曲線運(yùn)動，飛行員看到物品做自由落體運(yùn)動，物品剛好落到災(zāi)民救濟(jì)處，根據(jù)經(jīng)典時空觀，則下列說法正確的是（)a飛機(jī)為非慣性參考系b飛機(jī)為慣性參考系c災(zāi)民為非慣性參考系d災(zāi)民為慣性參考系答案bd解析物品投放后，僅受重力作用，飛行員看到物品是做初速度為零的自由落體運(yùn)動，符合牛頓運(yùn)動定律，故飛機(jī)為慣性參考系，b對；而地面上的人員看到物品做初速度不為零的拋體運(yùn)動，也符合牛頓運(yùn)動定律,d也對2(多選)關(guān)于牛頓力學(xué)的適用范圍，下列說法正確的是()a適用于宏觀物體b適用于微觀物體c適用于高速運(yùn)動的物體d適用于低速運(yùn)動的物體答案ad解析由經(jīng)典力學(xué)的

13、局限性可知a、d正確3（多選)根據(jù)伽利略相對性原理，可以得到下列結(jié)論()a力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的b同一力學(xué)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(xué)實(shí)驗(yàn)判斷該參照系是否做勻速直線運(yùn)動d在一個慣性參照系里可以用力學(xué)實(shí)驗(yàn)判斷該參照系是否做勻速直線運(yùn)動答案ac解析由伽利略相對性原理可知a、c正確4如圖1所示，強(qiáng)強(qiáng)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(qiáng)強(qiáng)向壯壯發(fā)出一束光進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，則壯壯觀測到該光束的傳播速度為（）圖1a0.4cb0.5cc0.9cdc答案d5在高速運(yùn)動的火車上，設(shè)車對地面的速度為v，車上的人以速度u沿著火車前進(jìn)的

14、方向相對火車運(yùn)動，那么他相對地面的速度u與uv的關(guān)系是（)auuv buuvcuuv d以上均不正確答案b解析由相對論速度變換公式可知b正確6（多選）判斷下面說法中正確的是（)a在以c沿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沿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沿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沿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(jù)狹義相對論的基本公設(shè)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，對不同的慣性系是相同的，因此c、d正確，a、b錯誤二、非選擇題7若一宇宙飛船對地以速度v運(yùn)動，宇航員在飛船內(nèi)沿同方向測得光速為c，問在地面上的觀察者看來，光速應(yīng)為vc嗎？答案在地面上的觀察者看來，光速是c，而不是vc。解析由相對論速度變換公式u，式中u、v分別為v和c，代入公式求得光對地速度uc.8如圖2所示，沿鐵道排列的兩電線桿正中央安裝一閃光裝置,光信號到達(dá)一電線桿稱為事件1，到達(dá)另一電線桿稱為事件2.從地面上的觀察者和運(yùn)動車廂中的觀察者看來，兩事件是否是同時事件？圖2答案在地面上的觀察者看來，事件1、2同時發(fā)生；在運(yùn)動車廂中的觀察者看來，事件2比事件1先發(fā)生解析從地面上的觀察者看來，光源在兩根電線桿的正中