物理人教版選修3-4學案第十五章第2節(jié)時間和空間的相對性

1．知道同時的相對性、長度的相對性、時間間隔的相對性。2．了解時空相對性的實驗驗證。3．知道狹義相對論的時空觀：空間和時間與物質(zhì)的運動狀態(tài)有關(guān)。根據(jù)相對論的時空觀，運動起來時間就會變慢，那么下面這件事情又怎樣判斷呢？地面上的人認為A、B兩個事件同時發(fā)生。對于坐在火箭中沿兩個事件發(fā)生地點的連線飛行的人來說，哪個事件先發(fā)生？提示：B事件先發(fā)生?？梢栽O(shè)想，在事件A發(fā)生時A處發(fā)出一個閃光，事件B發(fā)生時B處發(fā)出一個閃光。兩閃光相遇作為一個事件，發(fā)生在AB的中點，這在不同參考系中看都是一樣的。相遇在中點這個現(xiàn)象在地面上很容易解釋：兩個閃光同時發(fā)出，兩個閃光傳播的速度一樣，當然在中點相遇。但火箭上的人有如下推理：A、B撲面而來，在光向A、B傳播的過程中，A、B兩點向左移動了一段距離，所以光到A比到B多走一段距離，到B用時短些，所以火箭中的人認為B事件先發(fā)生。1．“同時”的相對性(1)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，在另一慣性系中觀察也是______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，在另一慣性系中觀察________的。2．“長度”的相對性(1)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________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要____。在垂直于運動方向上，桿的長度________。(3)相對論中桿的長度公式：________________，其中l(wèi)0是與桿靜止的人認為的長度，l是與桿相對運動速度為v的人認為的桿的長度。3．時間間隔的相對性(1)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______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，慣性系的速度越大，慣性系中的物理過程進行得越____。非但如此，慣性系中的一切物理過程都____了。(3)相對時間間隔公式：______________，式中Δτ表示靜止時慣性系中觀察的時間間隔，Δt表示以速度v高速運動的參考系中觀察同樣兩件事的時間間隔。4．時空相對性的驗證根據(jù)相對論，時間在運動中會進行得比較緩慢，也就是說，在空間中高速移動的時鐘，比固定于地面上的時鐘走得______。早在1941年，科學家通過對宇宙線的觀測證實了相對論的結(jié)論，美國科學家羅西和霍爾在不同高度統(tǒng)計了宇宙線中μ子的數(shù)量，結(jié)果與相對論預言完全一致。5．相對論的時空觀牛頓物理學的絕對時空觀：物理學的空間與時間是____的、______的、沒有聯(lián)系的，脫離物質(zhì)而單獨存在，與物質(zhì)的運動無關(guān)。而相對論認為：有物質(zhì)才有時間和空間，空間和時間與__________有關(guān)。人類對于空間、時間的進一步地認識而形成的新的時空觀，是建立在新的實驗事實和相關(guān)結(jié)論與傳統(tǒng)觀念不一致的矛盾基礎(chǔ)上，不斷發(fā)展、不斷完善起來的。答案：1．(1)同時(2)不是同時2．(1)相對運動(2)小沒有變化(3)l＝l0eq\r(1－\f(v,c)2)3．(1)相同(2)不同慢變慢(3)Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\f(v,c)2))4．慢5．絕對分離物體的運動狀態(tài)一、怎樣理解“動尺變短”和“動鐘變慢”1．動尺變短：狹義相對論中的長度公式：l＝l0eq\r(1－(\f(v,c))2)中，l0是相對于桿靜止的觀察者測出的桿的長度，而l可以認為是桿沿自己的長度方向以速度v運動時，靜止的觀察者測量的長度。還可以認為桿不動，而觀察者沿桿的長度方向以速度v運動時測出的桿的長度。2．動鐘變慢：時間間隔的相對性公式：Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－(\f(v,c))2))中，Δτ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Δt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。二、“動鐘變慢”公式的推導兩個完全相同的時鐘，對好指針，一個放在靜止的參考系中，一個放在運動的參考系中，運動的時鐘走得比靜止的要慢。一個物理事件發(fā)生在運動慣性系中，運動系中的觀察者測量的時間是Δt′，靜止的參考系中測量的時間是Δt，結(jié)果是Δt＞Δt′。例如，如圖甲所示，在運動的車廂里的觀察者看到從車廂底板發(fā)出的一束光經(jīng)頂板反射又回到底板，事件發(fā)生的時間為Δτ＝eq\f(2h,c)①甲乙在地面上的觀察者研究同一事件，經(jīng)歷的時間為Δt，如圖乙所示，由幾何關(guān)系有：cΔt＝2eq\r(h2＋(\f(vΔt,2))2)，即Δt＝eq\r(\f(4h2,c2－v2))②由①②兩式得：Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－(\f(v,c))2))。類型一長度的相對性【例1】長度測量與被測物體相對于觀察者的運動有關(guān)，物體在運動方向上長度縮短了。一艘宇宙飛船的船身長度為l0＝90m，相對地面以v＝的速度從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＝l0eq\r(1－\f(v2,c2))＝90eq\r(2)m＝54m通過觀測站的時間間隔為Δt＝eq\f(l,v)＝eq\f(54m,0.8c)×10－7s(2)宇航員測得飛船船身通過觀測站的時間間隔為Δt＝eq\f(l0,v)＝eq\f(90m)×10－7s答案：×10－7s×10－7s題后反思：在和被測物體有相對運動的觀察者看來，物體沿運動方向的長度變短了。類型二時間的相對性【例2】半人馬座α星是離太陽系最近的恒星，×1016m。設(shè)有一宇宙飛船自地球往返于半人馬座α星之間。若宇宙飛船的速度為，按地球上的時鐘計算，飛船往返一次需多少時間？若以飛船上的時鐘計算，解析：以地球上的時鐘計算Δt＝eq\f(s,v)＝eq\f(2××1016×3×108)s×108s＝8.46年；若以飛船上的時鐘計算：因為Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－(\f(v,c))2))所以得Δτ＝Δteq\r(1－(\f(v,c))2)×108×eq\r(2)s×105s＝60.9天。答案：題后反思：在運動的慣性參考系中觀測時間具有延緩效應(yīng)。1在一慣性系中觀測，有兩個事件同時不同地，則在其他慣性系中觀察，結(jié)果是()。A．一定同時B．可能同時C．不可能同時，但可能同地D．不可能同時，也不可能同地2一列火車以接近光的速度從我們身邊飛馳而過，下列說法中正確的是()。A．我們感到車廂和車窗的高度都變高了B．我們感到車廂和車窗的高度都變矮了C．我們感到車廂的前后壁的距離都變小了D．車上的人認為車上與車下的情況都與往常一樣3慣性系S中有一邊長為l的正方形，從相對S系沿x方向以接近光速勻速飛行的飛行器上測得該正方形的圖象是圖中的()。4如果你以接近于光速的速度朝一星體飛行，你是否可以根據(jù)下述變化發(fā)覺自己是在運動()。A．你的質(zhì)量在增加B．你的心臟跳動在慢下來C．你在變小D．你永遠不能由自身的變化判斷自己的運動5假設(shè)地面上有一火車以接近光速的速度運行，其內(nèi)站立著一個中等身材的人，站在路旁的人觀察車里的人，觀察的結(jié)果是()。A．這個人是一個矮胖子B．這個人是一個瘦高個