高中物理第十五章相对论简介第1节相对论的诞生第2节时间和空间的相对性434物理
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• A．0.4c • B．0.5c • C．0.9c • D．c • 解析：由狭义相对论的基本假设：光速不变原理，真空中
的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，可知D正确。
12/12/2021
探究二 动尺变短和动钟变慢
• 世界上各式各样的钟：砂钟、电钟、机械钟、光钟和生物 钟。既然运动可以使某一种钟变慢，它一定会使所有的钟 都一样变慢。这种说法对吗？
12/12/2021
• 1．对惯性系和非惯性系的认识 • (1)惯性系
• 牛顿运动定律能够成立的参考系称为惯性参考系。相对于这个参 考系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性参考系。
• (2)非惯性系
• 牛顿定律不能成立的参考系称为非惯性参考系。例如：我们坐在 加速的车厢里，以车厢为参考系观察路边的树木房屋向后方加速 运动，根据牛顿第二定律，房屋和树木应该受到不为零的合力作 用，但事实上没有，也就是牛顿定律不成立，这里的加速车厢就 是非惯性参考系。
的局限性内容，在学习中要注意相对论时空观的学习。本 章的学习应采用独立思考和交流讨论相结合方法。在学习 本章的过程中，还应注意相对论的全面阐述，这要用到较 多的高等数学知识，在这里做到了解即可，不必深入探究 。
12/12/2021
第一节 相对论的诞生 第二节 时间和空间的相对性
12/12/2021
• 提示：对
12/12/2021
1．“动尺变短” 狭义相对论中的长度公式：l＝l0 1－vc2中，l0 是相对于杆静止的观察者测 出的杆的长度，而 l 可以认为是杆沿自己的长度方向以速度 v 运动时，静止的观 察者测量的长度。还可以认为是杆不动，而观察者沿杆的长度方向以速度 v 运动 时测出的杆的长度。
12/12/2021
• 3．时间间隔的相对性 • (1)经典的时空观：某两个事件，在不同的惯性系中观察，它们的时间间隔总
是__相__同__的___。 • (2)相对论的时间观：某两个事件，在不同的惯性参考系中观察，它们的时间
间隔是__不__同_____的。 • 设Δτ表示相对事件发生地静止的惯性系中观测的时间间隔，Δt表示相对事件
12/12/2021
• 『判一判』 • (1)牛顿运动定律在任何情况下都成立。( × ) • (2)狭义相对论的两个基本假设仅仅是猜想而已，没有任何依据。( × ) • (3)匀加速运动的参考系可以看作惯性系。( × ) • (4)在地面上的人看来，高速运行的动车组在运动方向上会变短，而车中的乘
客却感觉到地面上的人看起来扁一些。(√ ) • (5)相对论时空观认为空间和时间与物质的运动状态无关。( × )
伸出来
• C．两者都收缩，且收缩量相等，因此在某个位置，管子恰 好遮住梭镖
•12/1D2/20．21 所有这些都与观察者的运动情况有关
解题指导：“尺缩”效应公式 l＝l0 1－vc2中的 l 和 l0 是具有相对性的， 到底是管子收缩变短还是梭镖收缩变短，要看观察者所处的参考系。
• 解析：如果你是在相对于管子静止的参考系中观察运动着 的梭镖，那么梭镖看起来就比管子短，在某些位置梭镖会 完全在管子内部，然而当你和梭镖一起运动时，你看到的 管子就缩短了，所以在某些位置，你可以看到梭镖两端都 伸出管子。
12/12/2021
12/12/2021
课内探究
探究一 经典的相对性原理与狭义相对性原理
• 考虑几个问题：
• (1)如图所示，参考系O′相对于参考系O静止时，人看到的光速应是多少？ • (2)参考系O′相对于参考系O以速度v向右运动，人看到的光速应是多少？ • (3)参考系O相对于参考系O′以速度v向左运动，人看到的光速又是多少？ • 提示：根据狭义相对论理论知，光速是不变的，各种情况下光的速度都是c。
• 解析：狭义相对论的两个基本假设分别是狭义相对性原理和光速 不变原理，选项A、C正确。
12/12/2021
• 〔对点训练1〕 如图所示，强强乘坐速度为0.9c(c为光速 )的宇宙飞船追赶正前方的壮壮，壮壮的飞行速度为0.5c， 强强向壮壮发出一束光进D行联络，则壮壮观测到该光束的 传播速度为 ( )
12/12/2021
• 『选一选』 • 如图所示，沿平直铁路线有间距相等的三座铁塔A、B和C。假想有
一列车沿AC方向以接近光速行驶，当铁塔B发出一个闪光，列车上 的观测者测得A、C两铁塔被照亮的顺序是( )
C
• A．同时被照亮 • B．A先被照亮 • C．C先被照亮 • D．无法判断 • 解析：列车上的观察者看到的是由B发出后经过A和C反射的光，由
同。
12/12/2021
• (2)相对论的时空观：“长度”也具有____相__对___性，一条沿自身长度方向运动 的杆，其长度总比___静__止____时的长度小。
• 设相对于静止的观察者认为杆的长度为l0，与杆有相对运动的人认为杆的长度 为l，杆相对于观察者的速度为v，则l，l0，v的关系是：l＝_l_0 ___1_－___vc_2___。
素养提升
• 1．经典时空观 • 经典物理学认为空间和时间是脱离物质而存在的，是绝对
的，空间与时间也是没有联系的。 • 2．相对论时空观 • 相对论则认为空间和时间与物质的运动状态有关。前面已
12/12/2021
• 〔对点训练2〕 如图所示，在一个高速转动的巨大转盘 上，放着A、B、C三个C时钟，下列说法正确的是( )
• A．A时钟走得最慢，B时钟走得最快 • B．A时钟走得最慢，C时钟走得最快 • C．C时钟走得最慢，A时钟走得最快 • D．B时钟走得最慢，A时钟走得最快
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12/12/2021
2．“动钟变慢”
时间间隔的相对性公式：Δt＝
1Δ－τ vc2，Δτ 是相对事件发生地静止的观察
者测量同一地点的两个事件发生的时间间隔，而 Δt 是相对于事件发生地以速度
v 运动的观察者测量同一地点的同样两个事件发生的时间间隔。也就是说：在相
对运动的参考系中观测，事件变化过程的时间间隔变大了，这叫做狭义相对论中
于列车在这段时间内向C运动，而远离A，所以C的反射光先到达 列车上的观察者，看到C先被照亮，故只有C正确。
12/12/2021
• 『想一想』 • 假设地面上有一火车以接近光速的速度运行，车内站立着
一个中等身材的人，站在路旁边的人观察车里的这个人是 什么体形？ • 答案：是一个中等个子的瘦人 • 解析：人是站着的，路旁的人观察到的车内的人沿车运动 的方向上的长度(决定胖瘦)变短了，所以人变瘦。但人在 垂直于车运动方向上的长度(决定身高)不变。
的时间膨胀。
12/12/2021
• 3．分析时间间隔和长度变化时应注意的问题 • (1)时间间隔、长度的变化，都是由于物质的相对运动引起
的一种观测效应，它与所选取的参考系有关，物质本身的 结构并没有变化。 • (2)两个事件的时间间隔和物体的长度，必须与所选取的参 考系相联系，如果在没有选取参考系的情况下讨论时间的 长短及空间的尺寸，是没有任何意义的。
• 〔知 识 导 航〕
• 本章只是对相对论做了一个简单的介绍，在学习时可以主 要了解以下内容：狭义相对论的两个基本假设，时间和空 间的相对性，狭义相对论的其他结论 ，广义相对论简介等 知识。本章内容绝大多数是要求同学们了解或知道，更深 的内容要到以后继续学习。
12/12/2021
• 〔学 法 指 导〕 • 学习本章前应先复习、了解在前面学习过的有关经典力学
12/12/2021
时间和空间的相对性
• 1．“同时”的相对性 • (1)经典的时空观：在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一
个惯性系中观察_也__是__相__同__的_____。 • (2)相对论的时空观：“同时”具有_____相__对__性，即在同一个惯性系中不同地
点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察___不__一__定__同__时______。 • 2．“长度”的相对性 • (1)经典的时空观：一条杆的长度不会因为观察者是否与杆做_相__对__运__动___而不
解析：A、B、C 在同一转盘上，它们的角速度相同，由 v＝r·ω 可知 r 越大，
线速度 v 越大。Δt＝
1Δ－τ vc2可知，v 越大，Δt 越大，也就是说钟走得越慢。
从图中可以看出，A 时钟的线速度最小，C 时钟的线速度最大，故 A 时钟走得最
快，C 时钟走得最慢。
12/12/2021
12/12/2021
新课标导学
物理
选修3-4 ·人教版
12/12/2021
第十五章
相对论简介
12/12/2021
• 〔情 景 切 入〕
• 地球上有一对孪生兄弟，哥哥乘飞船遨游太空，弟弟仍留 在地球上。相对论告诉我们，当哥哥返回到地球时，遨游 太空的哥哥会更年轻！这就是有趣的“双生子佯谬”，它 展示了一个全新的时空观。
特别提醒：不管是“动尺变短”还是“动钟变慢”都是相对观察者的测量 结果而言，而尺子和钟本身的结构并不发生变化。
12/12/2021
•
如图，假设一根10 m长的梭镖以光速穿过一根10
m长的管子，它们的长度都是在静止状态下测量的。以下叙
述中最好的描述了梭镖穿过管子的情况的是( )
D
• A．梭镖收缩变短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它 • B．管子收缩变短，因此在某些位置上，梭镖从管子的两端
※ 了解同时的相对性 ※ 了解长度的相对性和时间间隔的相对性 ※ 了解相对论的时空观
12/12/2021
12/12/202112/12/0211课前预习
2
课内探究
3
素养提升
4
课堂达标
5
课时作业
12/12/2021
课前预习
经典的相对性原理 • 1．惯性系 • 如果__牛__顿__运__动____定律在某个参考系中成立，这个参考系就叫惯性系。 • 2．经典相对性原理 • 表述一：力学规律在任何___惯__性__系__中都是相同的。 • 表述二：在一个惯性参考系内进行的任何力学实验都____不__能___判断这个惯性
系是否相对于另一个惯性系做_匀__速__直__线_____运动。 • 表述三：任何惯性系都是___平__权____的。
12/12/2021
狭义相对论的两个基本假设
• 1．实验基础 • 不论光源与观测者做怎样的相对运动，光速都是
____一__样_的__。 • 2．两个基本假设
狭义相对性原理 在不同的_惯__性___参考系中，一切_物__理___规律都是相同的 光速不变原理 真空中的光速在不同的惯性参考系中都是__相__同__的
12/12/2021
• 2．伽利略相对性原理： • 力学规律在任何惯性系中都是相同的。 • 3．相对性原理与电磁规律： • (1)根据麦克斯韦的电磁理论，真空中的光速在任何惯性系
中都是一个常量，但是按照伽利略的相对性原理，在不同 惯性系中的光速应是各不相同的。
• (2)迈克耳孙—莫雷实验证明：不论光源与观察者做怎样的 相对运动，光速都是相同的。
12/12/2021
•
(多选)关于狭义相对论的两个假设，下列说法正确的
是( AC )
• A．在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的
• B．在不同的惯性参考系中，力学规律都一样，电磁规律不一样
• C．真空中的光速在不同的惯性参考中都是相同的
• D．真空中的光速在不同的惯性参考系中是有差别的
• 解题指导：爱因斯坦的狭义相对性原理是伽利略力学相对性原理 的推广，不仅包含了力学规律，也包含了电磁规律。
• 4．爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设： • (1)在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的； • (2)真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的。
12/12/2021
• 特别提醒：如何判断一个参考系是惯性参考系还是非惯性 参考系？我们通常选大地为惯性参考系，相对于地面静止 或做匀速运动的物体都是惯性参考系；相对于地面做变速 运动的物体都是非惯性参考系。
发：生Δt＝地_以__v_高__速_1_Δ运－_τ_动_vc_的2__参。考系中观察同样两事件的时间间隔，则它们的关系是
12/12/2021
• 4．相对论时空观 • (1)经典时空观：空间和时间是脱离物质存在的，是_____绝__对__的，空间和时间
之间也是__没__有_____联系的。 • (2)相对论时空观：空间和时间与物质的____运__动__状__态___有关。
的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，可知D正确。
12/12/2021
探究二 动尺变短和动钟变慢
• 世界上各式各样的钟：砂钟、电钟、机械钟、光钟和生物 钟。既然运动可以使某一种钟变慢，它一定会使所有的钟 都一样变慢。这种说法对吗？
12/12/2021
• 1．对惯性系和非惯性系的认识 • (1)惯性系
• 牛顿运动定律能够成立的参考系称为惯性参考系。相对于这个参 考系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性参考系。
• (2)非惯性系
• 牛顿定律不能成立的参考系称为非惯性参考系。例如：我们坐在 加速的车厢里，以车厢为参考系观察路边的树木房屋向后方加速 运动，根据牛顿第二定律，房屋和树木应该受到不为零的合力作 用，但事实上没有，也就是牛顿定律不成立，这里的加速车厢就 是非惯性参考系。
的局限性内容，在学习中要注意相对论时空观的学习。本 章的学习应采用独立思考和交流讨论相结合方法。在学习 本章的过程中，还应注意相对论的全面阐述，这要用到较 多的高等数学知识，在这里做到了解即可，不必深入探究 。
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第一节 相对论的诞生 第二节 时间和空间的相对性
12/12/2021
• 提示：对
12/12/2021
1．“动尺变短” 狭义相对论中的长度公式：l＝l0 1－vc2中，l0 是相对于杆静止的观察者测 出的杆的长度，而 l 可以认为是杆沿自己的长度方向以速度 v 运动时，静止的观 察者测量的长度。还可以认为是杆不动，而观察者沿杆的长度方向以速度 v 运动 时测出的杆的长度。
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• 3．时间间隔的相对性 • (1)经典的时空观：某两个事件，在不同的惯性系中观察，它们的时间间隔总
是__相__同__的___。 • (2)相对论的时间观：某两个事件，在不同的惯性参考系中观察，它们的时间
间隔是__不__同_____的。 • 设Δτ表示相对事件发生地静止的惯性系中观测的时间间隔，Δt表示相对事件
12/12/2021
• 『判一判』 • (1)牛顿运动定律在任何情况下都成立。( × ) • (2)狭义相对论的两个基本假设仅仅是猜想而已，没有任何依据。( × ) • (3)匀加速运动的参考系可以看作惯性系。( × ) • (4)在地面上的人看来，高速运行的动车组在运动方向上会变短，而车中的乘
客却感觉到地面上的人看起来扁一些。(√ ) • (5)相对论时空观认为空间和时间与物质的运动状态无关。( × )
伸出来
• C．两者都收缩，且收缩量相等，因此在某个位置，管子恰 好遮住梭镖
•12/1D2/20．21 所有这些都与观察者的运动情况有关
解题指导：“尺缩”效应公式 l＝l0 1－vc2中的 l 和 l0 是具有相对性的， 到底是管子收缩变短还是梭镖收缩变短，要看观察者所处的参考系。
• 解析：如果你是在相对于管子静止的参考系中观察运动着 的梭镖，那么梭镖看起来就比管子短，在某些位置梭镖会 完全在管子内部，然而当你和梭镖一起运动时，你看到的 管子就缩短了，所以在某些位置，你可以看到梭镖两端都 伸出管子。
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12/12/2021
课内探究
探究一 经典的相对性原理与狭义相对性原理
• 考虑几个问题：
• (1)如图所示，参考系O′相对于参考系O静止时，人看到的光速应是多少？ • (2)参考系O′相对于参考系O以速度v向右运动，人看到的光速应是多少？ • (3)参考系O相对于参考系O′以速度v向左运动，人看到的光速又是多少？ • 提示：根据狭义相对论理论知，光速是不变的，各种情况下光的速度都是c。
• 解析：狭义相对论的两个基本假设分别是狭义相对性原理和光速 不变原理，选项A、C正确。
12/12/2021
• 〔对点训练1〕 如图所示，强强乘坐速度为0.9c(c为光速 )的宇宙飞船追赶正前方的壮壮，壮壮的飞行速度为0.5c， 强强向壮壮发出一束光进D行联络，则壮壮观测到该光束的 传播速度为 ( )
12/12/2021
• 『选一选』 • 如图所示，沿平直铁路线有间距相等的三座铁塔A、B和C。假想有
一列车沿AC方向以接近光速行驶，当铁塔B发出一个闪光，列车上 的观测者测得A、C两铁塔被照亮的顺序是( )
C
• A．同时被照亮 • B．A先被照亮 • C．C先被照亮 • D．无法判断 • 解析：列车上的观察者看到的是由B发出后经过A和C反射的光，由
同。
12/12/2021
• (2)相对论的时空观：“长度”也具有____相__对___性，一条沿自身长度方向运动 的杆，其长度总比___静__止____时的长度小。
• 设相对于静止的观察者认为杆的长度为l0，与杆有相对运动的人认为杆的长度 为l，杆相对于观察者的速度为v，则l，l0，v的关系是：l＝_l_0 ___1_－___vc_2___。
素养提升
• 1．经典时空观 • 经典物理学认为空间和时间是脱离物质而存在的，是绝对
的，空间与时间也是没有联系的。 • 2．相对论时空观 • 相对论则认为空间和时间与物质的运动状态有关。前面已
12/12/2021
• 〔对点训练2〕 如图所示，在一个高速转动的巨大转盘 上，放着A、B、C三个C时钟，下列说法正确的是( )
• A．A时钟走得最慢，B时钟走得最快 • B．A时钟走得最慢，C时钟走得最快 • C．C时钟走得最慢，A时钟走得最快 • D．B时钟走得最慢，A时钟走得最快
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2．“动钟变慢”
时间间隔的相对性公式：Δt＝
1Δ－τ vc2，Δτ 是相对事件发生地静止的观察
者测量同一地点的两个事件发生的时间间隔，而 Δt 是相对于事件发生地以速度
v 运动的观察者测量同一地点的同样两个事件发生的时间间隔。也就是说：在相
对运动的参考系中观测，事件变化过程的时间间隔变大了，这叫做狭义相对论中
于列车在这段时间内向C运动，而远离A，所以C的反射光先到达 列车上的观察者，看到C先被照亮，故只有C正确。
12/12/2021
• 『想一想』 • 假设地面上有一火车以接近光速的速度运行，车内站立着
一个中等身材的人，站在路旁边的人观察车里的这个人是 什么体形？ • 答案：是一个中等个子的瘦人 • 解析：人是站着的，路旁的人观察到的车内的人沿车运动 的方向上的长度(决定胖瘦)变短了，所以人变瘦。但人在 垂直于车运动方向上的长度(决定身高)不变。
的时间膨胀。
12/12/2021
• 3．分析时间间隔和长度变化时应注意的问题 • (1)时间间隔、长度的变化，都是由于物质的相对运动引起
的一种观测效应，它与所选取的参考系有关，物质本身的 结构并没有变化。 • (2)两个事件的时间间隔和物体的长度，必须与所选取的参 考系相联系，如果在没有选取参考系的情况下讨论时间的 长短及空间的尺寸，是没有任何意义的。
• 〔知 识 导 航〕
• 本章只是对相对论做了一个简单的介绍，在学习时可以主 要了解以下内容：狭义相对论的两个基本假设，时间和空 间的相对性，狭义相对论的其他结论 ，广义相对论简介等 知识。本章内容绝大多数是要求同学们了解或知道，更深 的内容要到以后继续学习。
12/12/2021
• 〔学 法 指 导〕 • 学习本章前应先复习、了解在前面学习过的有关经典力学
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时间和空间的相对性
• 1．“同时”的相对性 • (1)经典的时空观：在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一
个惯性系中观察_也__是__相__同__的_____。 • (2)相对论的时空观：“同时”具有_____相__对__性，即在同一个惯性系中不同地
点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察___不__一__定__同__时______。 • 2．“长度”的相对性 • (1)经典的时空观：一条杆的长度不会因为观察者是否与杆做_相__对__运__动___而不
解析：A、B、C 在同一转盘上，它们的角速度相同，由 v＝r·ω 可知 r 越大，
线速度 v 越大。Δt＝
1Δ－τ vc2可知，v 越大，Δt 越大，也就是说钟走得越慢。
从图中可以看出，A 时钟的线速度最小，C 时钟的线速度最大，故 A 时钟走得最
快，C 时钟走得最慢。
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物理
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第十五章
相对论简介
12/12/2021
• 〔情 景 切 入〕
• 地球上有一对孪生兄弟，哥哥乘飞船遨游太空，弟弟仍留 在地球上。相对论告诉我们，当哥哥返回到地球时，遨游 太空的哥哥会更年轻！这就是有趣的“双生子佯谬”，它 展示了一个全新的时空观。
特别提醒：不管是“动尺变短”还是“动钟变慢”都是相对观察者的测量 结果而言，而尺子和钟本身的结构并不发生变化。
12/12/2021
•
如图，假设一根10 m长的梭镖以光速穿过一根10
m长的管子，它们的长度都是在静止状态下测量的。以下叙
述中最好的描述了梭镖穿过管子的情况的是( )
D
• A．梭镖收缩变短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它 • B．管子收缩变短，因此在某些位置上，梭镖从管子的两端
※ 了解同时的相对性 ※ 了解长度的相对性和时间间隔的相对性 ※ 了解相对论的时空观
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12/12/202112/12/0211课前预习
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课内探究
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素养提升
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课堂达标
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课时作业
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课前预习
经典的相对性原理 • 1．惯性系 • 如果__牛__顿__运__动____定律在某个参考系中成立，这个参考系就叫惯性系。 • 2．经典相对性原理 • 表述一：力学规律在任何___惯__性__系__中都是相同的。 • 表述二：在一个惯性参考系内进行的任何力学实验都____不__能___判断这个惯性
系是否相对于另一个惯性系做_匀__速__直__线_____运动。 • 表述三：任何惯性系都是___平__权____的。
12/12/2021
狭义相对论的两个基本假设
• 1．实验基础 • 不论光源与观测者做怎样的相对运动，光速都是
____一__样_的__。 • 2．两个基本假设
狭义相对性原理 在不同的_惯__性___参考系中，一切_物__理___规律都是相同的 光速不变原理 真空中的光速在不同的惯性参考系中都是__相__同__的
12/12/2021
• 2．伽利略相对性原理： • 力学规律在任何惯性系中都是相同的。 • 3．相对性原理与电磁规律： • (1)根据麦克斯韦的电磁理论，真空中的光速在任何惯性系
中都是一个常量，但是按照伽利略的相对性原理，在不同 惯性系中的光速应是各不相同的。
• (2)迈克耳孙—莫雷实验证明：不论光源与观察者做怎样的 相对运动，光速都是相同的。
12/12/2021
•
(多选)关于狭义相对论的两个假设，下列说法正确的
是( AC )
• A．在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的
• B．在不同的惯性参考系中，力学规律都一样，电磁规律不一样
• C．真空中的光速在不同的惯性参考中都是相同的
• D．真空中的光速在不同的惯性参考系中是有差别的
• 解题指导：爱因斯坦的狭义相对性原理是伽利略力学相对性原理 的推广，不仅包含了力学规律，也包含了电磁规律。
• 4．爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设： • (1)在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的； • (2)真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的。
12/12/2021
• 特别提醒：如何判断一个参考系是惯性参考系还是非惯性 参考系？我们通常选大地为惯性参考系，相对于地面静止 或做匀速运动的物体都是惯性参考系；相对于地面做变速 运动的物体都是非惯性参考系。
发：生Δt＝地_以__v_高__速_1_Δ运－_τ_动_vc_的2__参。考系中观察同样两事件的时间间隔，则它们的关系是
12/12/2021
• 4．相对论时空观 • (1)经典时空观：空间和时间是脱离物质存在的，是_____绝__对__的，空间和时间
之间也是__没__有_____联系的。 • (2)相对论时空观：空间和时间与物质的____运__动__状__态___有关。