第六章 相对论

课本P101 思考与讨论
结论： 1、对于运动的火车上同时发生的两个事件， 对于地面就不是同时的 关键：在各个参考系中光速都为c 2、地面上同时发生的两个事件，对于运动的 火车也不是同时的 关键：相对运动
二、长度的相对性
l0
v
l
车上的人看到的车厢的长度： 车外的人看到的车厢的长度：
l0
l
l l0
Maxwell 方程组只在“以太”系中成 立 电磁规律不满足力学相对性原理 力学规律 满 足 力学相对性原理
迈克耳逊干涉仪
移动 M1 镜
M1 镜
M2镜 观察屏
迈克耳逊 —— 莫雷实验
假设： “以太”相对太阳静止
π 2
M2
c2 v 2

S
c-v c+v

v
M1
P
干涉条纹
迈克耳逊 —— 莫雷实验
t
t0 v 1 c
2
l l0
v 1 c
2
当两个参考系的 相对速度可与光速相 比时，时间与空间的 相对性才比较明显．
狭义相对论的结论已经完全得到证实，实际 上它已经成为微观粒子研究的基础之一．
五、相对论的时空观
牛顿物理学的绝对时空观：物理学的空间 与时间是绝对分离没有联系的，脱离物质而 单独存在，与物质的运动无关。 而相对论认为：有物质才有时间和空间， 空间和时间与物体的运动状态有关。 人类对于空间、时间更进一步的认识而形 成的新的时空观，是建立在新的实验事实和 相关结论与传统观念不一致的矛盾基础上， 不断发展、不断完善起来的。
质能方程表达了物体的质量和它所具有的 能量之间的关系.
Ek E E0
物体的动能
m0 v 1 c
2
运动时的能量
静止时的能量
m
Ek
1 m0 v 2 2
在v ＜ ＜ c时的一种近似 这就是动能表达式．
E mc2
具体推导过程如下：
Ek E E0
E mc
2
第六章 相对论
青神中学高二备课组
第六章 相对论
• §6.1牛顿力学中运动的相对性 • §6.2 狭义相对论的两个基本假设 • §6.3 时间、长度的相对性 • §6.4相对论的速度变换公式 质能关系
本章简介
本章主要内容是狭义相对论的基础知识，包括它的理论假设、时 间和空间的相对性，速度叠加公式和质能公式。 时空观是人们对时间和空间的基础观点，随着生产和科技的发展， 在不同历史时期人们有不同的时空观，为了对比这些时空观，在本章 的第一节讲述了经典时空观和伽利略速度变换，在第五节还介绍了一 些关于广义相对论的粗浅知识及宇宙演化的概略描述。除知识以外本 章还介绍了相对论建立对人类思想包括科学世界观的影响。 相对论的一些内容在《物理 必修2》中讲述经典力学的局限性时已 有提及，本章进一步介绍了相对论的基本概念和人类自然界的逐步深 入的过程，目的在于提高学生的现代科学素养，并激发学生的求知欲 与创新思想。 由于本章内容离实际生活经验太远，且难于用实验直接演示。所 以本章教学上采取教师宣讲的方式。又因为本章要求学生“知道”的 知识点确实有些“怪异”，离学生原有的知识距离较大而且学时较少， 所以就哟啊球教师自己要确实弄懂这些知识点的含义，然后以简要明 确的方式，配合必要的示意图，准确的讲给学生。本章各节的前后逻 辑关系很强，教师要充分注意到这一点而有效地加以教学。
小 结
一、“同时”是相对的 二、长度的相对性
v l l0 1 c
t t0
2
三、时间间隔的相对性
v 1 c
2
§ 6.4 相对性的速度变换公式
质能关系
• • • • • • • • • • • 知识与技能： （1）运动速度的相对论变换 （2）相对论质量 （3）质能方程 过程与方法： 让学生体会到自洽性检验是科学理论研究的一个基本方法。 情感态度和价值观： 体会物理学中蕴含的简单与和谐之美（质能方程） 教学重点、难点 ： 重点：三个公式 难点：运动速度的相对性变换
三、时间间隔的相对性
在站台上看运 动火车上的钟
在火车上看运 动站台上的钟
由光速不变原理便 得到不同的时间间隔 高速运行的列车上，由车厢底部发出的闪光，对 于车上的人来说，闪光是在竖直方向反射的，而车 厢外的人认为被接收的反射光是沿斜线传播的．
h
对于车厢内的人： t0 2h c 对于车厢外的人： t
四、时空相对性的实验验证
根据相对论，时间 在运动中会进行的比 较缓慢，也就是说， 在空间中高速移动的 时钟，比固定于地面 上的时钟走得慢．
1971年，科学家将铯原子钟放在喷气式飞机中作环 球飞行，然后与地面的基准钟对照．实验结果与理论预 言符合的很好．这是相对论的第一次宏观验证．
早在1941年，科学家通过对宇宙线的 观测证实了相对论的结论，美国科学家罗 西和霍尔在不同高度统计了宇宙线中μ 子 的数量，结果与相对论预言完全一致．
,
u v 而相对论速度变换公式：u u v 1 2 c 得u=0.966C 仍然未达到C
二、相对论质量
物体的运动速度不能无限增加，那么物 体的质量是否随着速度而变化？ 严格的论证表明，物体高速（与光速相 比）运动时的质量与它静止时的质量之间有 下面的关系： m0 m 2 v 1 c m为运动质量
一、相对论的速度变换公式
v
u
车对地的速度为v，人对车的速度为u/
u v u 地面上的人看到车上 u v 人相对地面的速度为： 1 c2
• 例如：地面上空以v=0.9C飞行的飞船，向前 , 发射一导弹，导弹对飞船的速率为u =0.5C • 按照伽利略速度变换公式：u= v+ u 得，导弹 对地面的速度u=0.9C+ 0.5C=1.4C ,超过了真 空中的光速! 该公式不再适用。 •
1 m0 v 2 2
1 2 Ek m0 v 2
这就是我们过去熟悉的动能表达式，这也 能让我们看出，牛顿力学是相对论力学在低速 情况下的特例．
课本P116 思考与讨论
教学活动
一、伽利略（牛顿力学）相对性原理 问1：选择不同的惯性参考系，观察同一物体的运 动，虽然测得的位置、速度、运动轨迹等会有 不同，但遵循的力学定律是否相同呢？ 在学生进行思考的基础上，再利用“伽利略大船” 来形象的说明相对性原理。
视频： 伽利略大船
结论：在任何惯性参考系中，力学的规律都是一
样的，都可以用牛顿定律来描述。
假设： “以太”相对太阳静止
M2

O
v

M1
S
预计干涉条纹移动
干涉条纹
N 0.4 ?
N 0
迈克耳逊 — 莫雷实验的零结果
二. 狭义相对论的两个基本假设
1905年，A.Einstein 首次提出了狭义相对论的两个假设 1. 光速不变原理 在所有的惯性系中，光在真空中的传播速率为 C 。
二、经典时空观
问2：在不同的惯性系中对同一件事情经 历Hale Waihona Puke Baidu时间和同一个物体占有的空间即它 的尺寸，测量得到的结果会相同吗？
结论：经典时空观认为时间和空间是脱 离物质而存在的、是绝对的，时间和空 间是相对独立没有联系的。
三、伽利略速度变换 由伽利略坐标变换可求得 速度变换公式。 在一节相对地面以速率开 行的车厢内，小丽相对于车 厢以速率向前跑时，则她对 地的速率 v u v 如果她相对车厢以速度向 后跑时，则她对地的速率：
v 1 c
2
动尺变短（空间收缩效应） S
O
Y
′ S Y′
u
B
X X ′
O′
A l
x1
●
注意： 长度缩短效应只发生在相对运动的方向上 如上例中的 X 轴方向上，在Y 轴方向上 无长度缩短效应
结论
一条沿自身长度方向运动的杆， 其长度总比杆静止时的长度小
斐克小伙剑术精， 出刺迅捷如流星， 由于空间收缩性， 长剑变成小铁钉.
v u v
§6.2 狭义相对论的两个基本假设
一. 光速的伽利略速度变换未能被实验证实
“以太”的假说 Maxwell 电磁场方程组 伽利略速度变换
1 c 2.998 108 m s 0 0
只有在“以太” 中光沿各方向的光速都 为C 地球上各方向 的光速不同 迈克耳逊— 莫雷 实验
﹥ m0为静止质量
微观粒子的速度很高，它的质量明显 的大于静止质量．在研究制造回旋加速器 时必须考虑相对论效应的影响．
1988年，中 国第一座高能粒 子加速器——北 京正负电子对撞 机首次对撞成功
三、质能方程
物体的能量和质量之间 存在密切的联系，他们的关 系是：
E mc
2
这就是著名的爱因斯坦质能方程
c 299 792 458 m/s
说明： 光速不随观察者的运动而变化 光速不随光源的运动而变化
2. 狭义相对性原理
一切物理规律在所有惯性系中具有相同的形式 说明：所有惯性系都处于平等地位，没有任何理由选某 一个参考系并把它置于特殊的与众不同的地位。
讨论
(1) Einstein 相对性原理 是 Newton力学相对性原理的 发展
t
t0 v 1 c
2
4h 2 c2 v2
相对速度与动钟延缓效应 (τ =1s）
• • • • • • • • V（米/秒） 0.1c=3×107 0.5c 0.8c 0.9c 0.99c 0.999c 0.9998c • • • • • • • • T(秒) 1.01 1.15 1.67 2.29 7.1 22.4 50
在经典物理家的头脑中，如果两个事 件在一个参考系中看来是同时的，在另一 个参考系中看来也一定是同时的，但是如 果接受爱因斯坦的两个假设，我们会得出 “同时是相对的”这样一个结论。
一、“同时”的相对性
车厢上的人和地面上的人看到车厢中间灯光到 达前后车厢的先后是不一样的． 车上的观察者认为光同时到达车厢的前后两壁 站台上的观察者认为光先到车厢后壁后到前壁
一切物理规律 力学规律
(2) 光速不变原理与伽利略的速度合成定理针锋相对
§ 6.3 时间、长度的相对性 教学目标
• 知识与技能： • （1）同时的相对性；（2）运动长度的收缩；（3）时间 间隔的相对；（4）了解时空相对性的验证；（5）了解相 对论时空观与经典物理时空观的主要区别 • 过程与方法： • （1）理解同时相对性的推演过程男；（2）理解从“同时 相对性”出发得出“运动长度和时间间隔的相对性”的过 程 • 情感态度和价值观： • （1）体会相对论崭新的时空观，体会相对论的建立对人 类认识世界的影响。（2）辩证地看待经典物理理论 • 教学重点、难点 ： • 从“同时”的相对性得出运动长度和时间间隔的相对性
Ek
m0 c 2 v 1 c
2
2
m0 c 2
E0 m0 c 2
v 1 c
v 1 c 1v 1 2c
2
2
1 v m0 c 2 m0 c 2 m0 c 2 2 c Ek 2 1v 1 2c
本章内容标准要求
1.知道狭义相对论的实验基础、基本原 理和主要结论。
2.了解经典时空观与相对论时空观的主 要区别，体会相对论的建立对人类 认识世界的影响。
§6.1牛顿力学中运动的相对性
教学目标 一、知识与技能： （1）使学生知道伽利略相对性原理 （2）使学生知道经典时空观 （3）使学生知道伽利略速度变换公式 二、过程与方法： 知道经典时空观和伽利略速度变换公式，以及伽利略相 对性原理是相对论出现之前的物理学发展背景。 三、情感态度和价值观： 辩证地看待经典物理理论 四、教学重点、难点 伽利略相对性原理，以及伽利略速度变换