時間和空間的相對性

1、相對論的誕生時間和空間的相對性（ 教師用書獨具 ）課程要求1 . 知道經(jīng)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(jié)論3 . 了解經(jīng)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 類認識世界的影響課標解讀1 . 理解經(jīng)典的相對性原理2 . 了解光的傳播與經(jīng)典的速度合成法則之間的矛盾3 . 理解狹義相對論的兩個基本假設4 . 理解同時的相對性、時間間隔的相對性和長度的相對性5 . 知道時間和空間不是脫離物質(zhì)而單獨存在的教學地位 本節(jié)介紹相對論的簡單知識，使學生對相對論有一個初步認識（教師用書獨具）新課導入建議1971年人類將三只銫原子

2、鐘分別放到地面和噴氣式飛機上驗證相對論：在 地面將三個銫原子鐘調(diào)整同步，把兩個分別放在向東、向西在赤道上空高速飛行 的飛機上，飛行一周后與留在地面的銫原子鐘比較，三只銫原子鐘跑的不一樣快， 為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象呢？通過這節(jié)課的學習，將明白其中的道理.W4yZWJ7教學流程設計課前預習安排1. 看教材2. 學生合作討論完成【課前自主導學】步驟1:導入新課，本節(jié)教學地位分析步驟2:老師提問，學生回答補充，檢查預習效果步驟3：師生互動完成“探究1”教師講解例題7V1L80I步驟7：先由學生自己總結(jié)本節(jié)的主要知識，教師點評，安排學生課下完成 【課后知能檢測】|步驟6:指導學生完成【當堂雙基達標】驗證學

3、習情況步驟5:師生互動完成“探究2”方式同完成“探究T步驟4：讓學生完成【遷移應用】，檢查完成情況并點評GGjYGh1課標解讀重點K難點1.知道經(jīng)典的相對性原理，能說出狹義 相對論的實驗基礎和它的兩個基本假設2.能說出狹義相對論的幾個主要結(jié)論.3.了解經(jīng)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1.狹義相對論的兩個基本假設.（重點）2.時間與空間的相對性的理解.（難點）相對論的誕生1.基本知識（1）經(jīng)典的相對性原理 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(nèi)進行的任何力學實驗都不能判斷這個慣性參考系是否相對于另一個慣性系做勻速直線運動

4、.Syinldj。 表述三：任何慣性參考系都是平權(quán)的.(2) 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. 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.2 .思考判斷(1) 靜止或勻速直線運動的參考系是慣性系.(V)(2) 由于在任何慣性系中力學規(guī)律都是相同的，因此，研究力學問題時可以 選擇任何慣性系.(V)(3) 在不同的慣性系中，光速是不相同的.(X)3. 探究交流一只蒼蠅從一列時速300千米的火車里起飛，按理說，它的飛行時速至少要 達到300千米才能追得上火車.請問：當它起飛后，它是會被甩到車尾摔死，還是安然無恙？【提示】蒼蠅起飛

5、前相對火車靜止，所以已經(jīng)擁有火車 300千米的時速,因此起飛后安然無恙.時間和空間的相對性1. 基本知識(1) “同時”的相對性 經(jīng)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-個慣性系中觀察也是同時的. 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可能不是同時的.13isleB。(2) “長度”的相對性 經(jīng)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. 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, 其長度總比靜止長度小，但在垂直于桿的運動方向上，桿的長度沒有變化.IDIZj1i

6、 相對長度公式：設相對于桿靜止的觀察者認為桿的長度為I。，與桿有相對 運動的人認為桿的長度為I，桿相對于觀察者的速度為V,則I、丨0、V的關系是： I = I 1( V)2. LYTxKZr。(3) 時間間隔的相對性 經(jīng)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. 相對論的時空觀：某兩個事件，在不同的慣性參考系中觀察，它們的時間間隔是不同的，慣性系速度越大，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、化學過程和生命過程都變慢了.h9DpmqD 相對時間間隔公式：設 T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

7、時間間隔，則它們的關系是： t2.探究交流運動的時針變慢是不是因為時鐘的結(jié)構(gòu)因運動發(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，不是因為時鐘的結(jié)構(gòu)或精度因運動而發(fā)生了改變.4vEyfFh。經(jīng)典的相對性原理與狹義相對性原理【問題導思】1 .慣性系與非慣性系有何不同？2 .如何理解相對性原理？1. 慣性系和非慣性系牛頓運動定律能夠成立的參考系，相對于這個慣性系做勻速直線運動的另一 個參考系也是慣性系.牛頓運動定律不成立的參考系稱為非慣性系.2. 伽利略相對性原理力學規(guī)律在任何慣性系中都是相同的，即任何慣性參考系都是平權(quán)的.3. 相對性原理與電磁規(guī)律根據(jù)麥克斯韋的電

8、磁理論，真空中的光速在任何慣性系中都是一個常量， 但 是按照伽利略的相對性原理，在不同慣性系中的光速應是各不相同的. 邁克耳孫 莫雷實驗證明：不論光源和觀察者做怎樣的相對運動， 光速都是相同的.BvnqDUw4. 邁克耳孫一莫雷實驗(1) 實驗背景：根據(jù)麥克斯韋的電磁理論可以直接得到真空中電磁波的速度，并不需要初始條件，也就是說，“電磁波的速度是c ”，這本身就是電磁規(guī)律的 一部分，而不是電磁規(guī)律應用于某個具體事物的結(jié)論于是，問題出現(xiàn)了：麥克 斯韋的電磁理論相對哪個參考系成立？如果它相對參考系S是正確的，另外還有一個參考系S', S'相對于S以速度v運動，那么光相對于S'

9、;的速度應該是(c V)而不是C，好像電磁規(guī)律不是對任何慣性系都一樣.BWiYYev(2) 實驗結(jié)論：不論光源與觀察者做怎樣的相對運動，光速都是一樣的.狹義相對論認為：光速C是宇宙中的最大速度，實際物體無論怎樣加速， 其速度只能接近而不能超越光速C.飛船在高空以 0.1c 的速度向目 標飛行，從飛船上向目標方向發(fā)射出一個光信號， 則在地面的觀察者看來光信號 的速度是 1.1c 嗎？ zwI4jkb 。【解析】由經(jīng)典力學的相對性原理可知，光信號相對地面的速度V= C+0.1C = 1.1 C ,但這一結(jié)論是錯誤的.KxLGoiO。根據(jù)狹義相對論知，真空中的光速相對于飛船為 C,相對于地面也為C，

10、對 不同的慣性參考系 都 是相同 的 ，這 一 判斷已 被麥克耳孫 莫雷實 驗所證 實. 6q7UyVG?！敬鸢浮吭诘孛娴挠^察者看來光信號的速度為 C,不是1.1 C.1 . 下列關于經(jīng)典力學的時空觀，正確的是 ()A. 在經(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T6tPA5XB. 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OrQLuJyC. 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

11、相同，那么空間兩點距離是絕對不變的量值，而與參考系的選取 無關 V7SZN4PD. 經(jīng)典力學的時空觀就是一個絕對的時空觀，時間、空間與物體的運動無 關【解析】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、D均正確.QvSxwqX【答案】 ABCD怎樣理解“動尺變短”和“動鐘變慢”【問題導思】時間間隔的相對性公式： T中，T是相對事件發(fā)生地靜止的觀察者測量同一地點的兩個事件發(fā)生的時間間隔，而厶t是相對于事件發(fā)生地以速度V運動的觀察者測量同一地點的同樣兩個事件發(fā)生的時間間隔.也就是

12、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， 這叫做狹義 相對論中的時間膨脹.nXobKNS3.理解要點(1) 時間間隔、長度的變化，都是由于物質(zhì)的相對運動引起的一種觀測效應,它與所選取的參考系有關，物質(zhì)本身的結(jié)構(gòu)并沒有變化.RSaJWXI(2) 兩個事件的時間間隔和物體的長度，必須與所選取的參考系相聯(lián)系，如 果在沒有選取參考系的情況下討論時間的長短及空間的尺寸，是沒有任何意義 的.R2kxfDx。以上結(jié)論是狹義相對論的必然結(jié)論，而狹義相對論的正確性已被實驗證實， 所以以上結(jié)論是高速世界中必然發(fā)生的現(xiàn)象， 是客觀存在的事實，絕不是人們的 主觀臆造，人們之所以平常觀察不到這些現(xiàn)象

13、， 是因為我們生活在低速運動的世 界里.XTxaYIR地面上長100 km的鐵路上空有 一火箭沿鐵路方向以30 km/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0.6 c,則火箭上的人看到的鐵路的長度又是多少？ FQBJk8J【解析】當火箭速度較低時，長度基本不變，還是 100 km.當火箭的速度達到0.6 c時，由相對論長度公式I = 101( c) 2代入相應的數(shù)據(jù)解得：1 = 100X 1 0.62 km = 80 km. pmgOBcN【答案】100 km 80 km2 . 一觀察者測得運動著的米尺為0.5 m長，求此米尺以多大的速度移動.【解析】以觀察者

14、為一參考系測得的長度為I，米尺為另一參考系，測得米尺的長度為I根據(jù)公式I二I '1( V)2, YNZpJxt。c = 3.0 x 108 m/s , l'= 1 m, I = 0.5 m 所以：v = 0.866 c= 2.60 x 108 m/s.【答案】 2.60 x 108 m/s時間和空間的相對性1. 牛頓運動定律不適用下列哪些情況 ( )A. 研究原子核外部電子繞核運動的情況B. 研究“神舟”八號的升空過程C. 研究地球繞太陽公轉(zhuǎn)D. 研究超音速飛機的運動【解析】 經(jīng)典力學不適用于微觀世界，故 A錯；B C D三個選項中，各 種運動的速率都是比較大的， 但相對于光速

15、來說都是低速運動， 完全可以用牛頓 運動定律研究其規(guī)律，故選A. g9mumMS【答案】 A2. 關于時間和空間，在學習狹義相對論后我們應認識到 ()A. 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B. 空間與時間之間是沒有聯(lián)系的C. 有物質(zhì)才有空間和時間D. 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【解析】 經(jīng)典物理學認為空間和時間是脫離物質(zhì)存在的， 是絕對的， 空間 與時間之間也是沒有聯(lián)系的， 在相對論力學中， 時間和空間是和物質(zhì)的運動相聯(lián) 系的.只有在物質(zhì)存在時才有空間和時間的概念， 時間和空間是相互聯(lián)系且是相 對的. Hj

16、hOzMc?！敬鸢浮?CD3. 假設有一天某人坐在“神舟”號飛船上，以 0.5c 的速度遨游太空， 當他打開一個光源時，下列說法正確的是 () zKenNaM。A. 飛船正前方地面上的觀察者看到這一光速為1.5 cB. 飛船正后方地面上的觀察者看到這一光速為0.5 cC在垂直飛船前進方向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】 根據(jù)狹義相對論的假設 (2) ，真空中的光速相對于不同的慣性參 考系是相同的，即在地面上任何地方的觀察者看到的光速都是c，A B錯誤，C、D 正確. Je0PK6Q?！敬鸢浮?CD4. 屬于狹義相對論基本假設的是：在不同的慣性系

17、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【解析】 本題考查了相對論的基本知識， 對于這類問題的解答重點在于有 關基本知識的記憶上.由狹義相對論的基本假設可知A項是正確的.rdxoEdP。【答案】 A5. 考慮幾個問題：(1) 如圖151 1所示，參考系0，相對于參考系0靜止時，人看到的光速 應是多少？圖 15 1 1(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？【解析】 根據(jù)速度合成法則，第一種情況人看到的光速應是 c,第

18、二種情 況是c- v，第三種情況應是c + v.而根據(jù)狹義相對論理論，光速是不變的，都應 是 c. SVCXFA。【答案】 三種情況都是 c1. 關于狹義相對論的說法，不正確的是 ()A. 狹義相對論認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 的運動無關C狹義相對論只涉及無加速運動的慣性系D.狹義相對論在任何情況下都適用【解析】 由狹義相對論的兩個基本假設可知，A、B 均正確；狹義相對論只涉及無加速運動的慣性系，故 C正確，D錯誤.yjfp2aQ?！敬鸢浮?D2. 愛因斯坦相對論的提出，是物理學思想的重大革命，因為它（）

19、A. 揭示了時間、空間并非絕對不變的屬性B. 借鑒了法國科學家拉瓦錫的學說C否定了牛頓力學的原理D.修正了能量、質(zhì)量相互轉(zhuǎn)化的理論【解析】 愛因斯坦相對論揭示了時間、空間并非絕對不變的屬性.【答案】 A3 . 有兄弟兩人，哥哥乘坐宇宙飛船以接近光速的速度離開地球去遨游太 空，經(jīng)過一段時間返回地球， 哥哥驚奇地發(fā)現(xiàn)弟弟比自己要蒼老許多， 該現(xiàn)象的 科學解釋是（）DGUXQ8tA. 哥哥在太空中發(fā)生了基因突變，停止生長了B. 弟弟思念哥哥而加速生長了C. 由相對論可知，物體速度越大，物體上的時間進程越慢，生理進程也越慢D. 這是神話，科學無法解釋【解析】 根據(jù)狹義相對論的理論， 運動的時鐘會變“慢

20、”， 哥哥相對于弟 弟而言以接近光速的速度運動，因而哥哥顯得比弟弟年輕，故選C.vDn4gUA?！敬鸢浮?C4. 下列說法中不正確的是 （）A. 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(jīng)典物 理學家的觀點B. 根沿自身長度方向運動的桿，其長度總比桿靜止時的長度小C一根桿的長度靜止時為丨0,不管桿如何運動，桿的長度均小于 丨0D.如果兩根平行的桿在沿自己的長度方向上做相對運動，與它們一起運動 的兩位觀察者都會認為對方的桿縮短了【解析】 若桿沿垂直于自身長度的方向運動，它的長度將不變，C選項正確【答案】 C圖 15 1 25. 如圖151 2所示，你站在水平木桿AB的中央附近，并且

21、看到木桿 落在地面上時是兩端同時著地的， 所以，你認為這木桿是平著落到了地面上； 若 此時飛飛小姐正以接近光速的速度從你前面掠過，她看到B端比A端先落地，因 而她認為木桿是向右傾斜著落地的她的看法是 （）npQNDW9A. 正確的B. 錯誤的C. 她應感覺到木桿在朝她運動D. 她應感覺到木桿在遠離她運動【解析】 當飛飛小姐掠過木桿時，在她看來，木桿不僅在下落，而且還在 朝她運動， 正好像星體朝你的飛船運動一樣. 因此， 在你看來同時發(fā)生的兩個事 件，在飛飛小姐看來首先在 B端發(fā)生.到底在A和B處的兩個事件是同時發(fā)生， 還是在 B 處先發(fā)生？這一問題是沒有意義的. 因為運動是相對的， 對運動的描

22、述 取決于選擇的參考系. 對于你來說木桿是平著下落的， 對飛飛小姐來說木桿是向BbotpuF。右斜著下落的，雖然難以置信，但你和她都是正確的【答案】 AC6. 如圖 1513 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(lián)絡， 則壯壯觀測到該光束的傳播速度為 () 8J5csxT。圖 15 1 3A0.4 cB 0.5cC0.9 c D c【解析】 由狹義相對論的基本假設： 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可知D正確.9Gqo7lU。【答案】 D7. 慣性系 S 中有一邊長為 l

23、 的正方形 ( 如圖 A 所示) ，從相對 S 系沿 x 方向以接近光速飛行的飛行器上測得該正方形的圖象是 () bdmuh5y?！窘馕觥坑上鄬φ撝RI二l°、/l（ V）2得運動方向上的邊的邊長變短，垂直運動方向的邊的邊長不變，C圖象正確.yXbBYpN【答案】C8. （2013 鎮(zhèn)江高二檢測）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，貝U下列說法正確的是（）bnkfulq。A. 甲看到乙的手中的尺長度比乙看到自己手中的尺長度大B. 甲看到乙的手中的尺長度比乙看到自己手中的尺長度小C. 乙看到甲的手中的尺

24、長度比甲看到自己手中的尺長度大D. 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【解析】由l=l。. 1（ ；） 2可知，運動的觀察者觀察靜止的尺子和靜止的觀察者觀察運動的尺子時，都發(fā)現(xiàn)對方手中的尺子比自己手中的變短了，故B 正確，A、C、D 錯誤.KHoLwPs【答案】B9. 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 是飛船中的宇航員卻看到時鐘是準確的jqwj6fq。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

25、向上會變窄, 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e6jOlOC。D.當物體運動的速度v c時，“時間膨脹”和“長度收縮”效果可忽略不 計【解析】 按照相對論的觀點，時間和空間都是相對的， A錯誤；由厶t =11 . 一艘宇宙飛船的船身長度為90 m,相對地面以u= 0.8 c的速度在一觀測站的上空飛過.(1) 觀測站測得飛船的船身通過觀測站的時間間隔是多少？(2) 宇航員測得船身通過觀測站的時間間隔是多少？【解析】(1)觀測站測得船身的長度為L= Lo 1-u2/c2= 90 1-0.82 m=L 54 m54 m,通過觀測站的時間間隔為 t =-= 2.25 X 10-7 s .宇航員測得u 0.8 c飛船船身通過觀測站的時間間隔為t = L =等 = 3.75 X 10-7 S. bF15zC3u 0.8c【答案】(1)2.25 X 10-7 s(2)3.75 X 10