高中物理第十五章相对论简介1相对论的诞生自我小测[新人教版]选修341
人教版高中物理选修3-4第十五章相对论简介基础知识梳理
第十五章相对论简介15. 1 相对论的诞生一、经典的相对性原理1.惯性系与非惯性系(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。
地面参考系是惯性系,相对于它做匀速运动的汽车、轮船作为参考系也是惯性系。
(2)非惯性系:如果牛顿运动定律在某个参考系中不成立,这个参考系就叫非惯性系。
我们坐在加速的车厢里,以车厢为参考系观察到路边的树木、房屋向后方加速运动,根据牛顿运动定律,房屋、树木应该受到不为零的合力作用,但事实上房屋、树木所受的合力为零,也就是牛顿运动定律不成立。
这里加速的车厢就是非惯性系,也就是说在非惯性系中力学规律不相同。
2.伽利略相对性原理表述1:力学规律在任何惯性系中都是相同的。
表述2: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3:任何惯性参考系都是平权的。
二、相对性原理与电磁规律1.相对性原理与电磁规律之间的矛盾(1)麦克斯韦的电磁理论得出的电磁波的速度不涉及参考系,也就是说在不同的参考系中光速不变。
(2)根据相对性原理,在不同的参考系中观测到的光速应与参考系有关。
在经典力学中如果某一惯性系相对另一个惯性系的速度为v,在此惯性系中有一物体速度为c，那么,此物体相对于另一惯性系的速度是 c+ v吗?根据伽利略相对性原理,答案是肯定的。
实验现象表明，不论光源和观察者做怎样的相对运动，光速都是恒定的．2.迈克耳孙一莫雷实验(1)实验装置如图所示(2)实验内容:转动干涉仪,在水平面内不同方向进行光的干涉实验,干涉条纹并没有预期移动。
(3)实验结论:光沿任何方向传播时,相对于地球的速度相同。
可见光和电磁波的运动不服从伽利略相对原理.任何参照系中测得的光在真空的速率都应该是3×108m/s。
3.伽利略相对性原理和爱因斯坦相对性原理的区别：(1)伽利略相对性原理指的是力学现象对一切惯性系来说,都遵循同样的规律;或者说,在研究力学规律时,一切惯性参考系都是等价、平权的,所以无法借助力学的手段确定惯性系自身的运动状态。
人教版高中物理选修3-4 第十五章 1~2 相对论的诞生 狭义相对论简介
1相对论的诞生2时间和空间的相对性[学习目标] 1.知道经典的相对性原理，知道狭义相对论的实验基础和它的两个基本假设.2.知道狭义相对论的几个主要结论.3.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．一、经典相对性原理与狭义相对论的两个基本假设[导学探究](1)如图1所示，小球相对于参考系O以速度v向右抛出，人相对于参考系O′静止，当参考系O′相对于参考系O静止、以速度v向右运动和以速度v向左运动时，人观察到小球的速度分别为多大？图1(2)如图2所示，光源相对于参考系O静止，人相对于参考系O′静止，当参考系O′相对于参考系O′静止、以速度v向右运动和以速度v向左运动时，人观察到的光源发出光的传播速度分别为多大？图2答案(1)分别是v0、v0－v、v0＋v(2)人观察到的光速都是c[知识梳理]1．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，这个参考系就叫做惯性系，相对一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系．(2)相对性原理：力学规律在任何惯性系中都是相同的，这个论述叫做伽利略相对性原理．经典的相对性原理的三种表述：①表述一：力学规律在任何惯性系中都是相同的．②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．③表述三：任何惯性参考系都是平权的．2．经典相对性原理解释电磁规律的困难迈克耳孙—莫雷实验证明了光速是不变的，这与传统的速度合成法则是矛盾的．3．狭义相对论的两个基本假设(1)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．(2)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．[即学即用]判断下列说法的正误．(1)根据伽利略相对性原理，在一个惯性参考系里不能用力学实验判断该参考系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动．(√)(2)根据伽利略相对性原理，同一力学规律在不同的惯性系中可能不同．(×)(3)在真空中，若物体以速度v背离光源运动，则光相对物体的速度为c－v.(×)(4)迈克耳孙—莫雷实验得出的结论是：不论光源与观察者做怎样的相对运动，光速都是一样的．(√)(5)光速不变原理是：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的．(√)(6)根据狭义相对论的两个假设，在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的．(√)二、时间和空间的相对性[导学探究]如图3所示，一列车以速度v经过站台，站台中部的观察者C看到列车车头正好到达站台最右端的A人时，车尾正好到达站台最左端的B人．图3(1)若此时站台上的观察者C看到A、B两人同时面向列车举起手中的小红旗，那么站在列车中点的观察者C′看到A、B两人是同时举旗的吗？如果不是同时举旗，他会看到哪个人先举旗？(2)站台上的观察者C看到列车长度刚好和站台长度相同，列车上的观察者C′认为列车长度和站台长度相同吗？如果不相同，他认为列车长还是站台长？(3)假定列车上的观察者C ′举起小红旗向站台上的A 、B 两人挥动致意，他认为自己从举起小红旗到放下小红旗的时间为t ，站台上的观察者C 观察到他举旗的时间也为t 吗？如果不是t ，他认为这个时间比t 长还是短？答案 (1)不是同时举旗，他看到A 人先举旗 (2)列车长度和站台长度不相同，站台要短一些 (3)不是t ，他认为这个时间比t 长 [知识梳理] 时间和长度的相对性 1．“同时”的相对性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时： (1)经典的时空观认为一定(填“一定”或“不一定”)是同时发生的． (2)狭义相对论的时空观认为不一定(填“一定”或“不一定”)是同时发生的． 2．长度的相对性(尺缩效应)(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同． (2)狭义相对论认为“动尺变短”：狭义相对论中的长度公式：l ＝l 0 1－(vc)2，但垂直于杆的运动方向上，杆的长度不变． 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)狭义相对论认为“动钟变慢”：时间间隔的相对性公式 Δt ＝Δτ1－(vc)2，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的时间膨胀． 4．经典时空观和狭义相对论时空观(1)经典时空观：空间和时间脱离物质而存在，是绝对的，空间和时间没有联系，即与物质的运动状态无关．(2)狭义相对论时空观：有物质才有时间和空间，空间和时间与物质运动状态有关． [即学即用] 判断下列说法的正误．(1)一根杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同，这是经典物理学家的观点．(√) (2)一根杆的长度静止时为l 0，不管杆如何运动，杆的长度均小于l 0.(×) (3)“动钟变慢”是时钟的精度因运动而发生了变化．(×)(4)长度、时间的测量结果会随物体与观察者的相对运动状态的改变而改变．(√) (5)高速运动的飞船中的宇航员发现地面的时钟变慢了．(√)(6)地面上的人认为两个事件同时发生，而高速运动的飞船中的宇航员却不这么认为．(√)一、经典的相对性原理与狭义相对论 应用狭义相对论的几点注意1．惯性系与非惯性系的确定：我们通常选取大地为惯性系，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． 2．光的传播速度与惯性系的选取无关．在任何情况下，真空中的光速都是c . 3．力学规律相对于惯性系来说都是相同的．例1 如图4所示，在列车车厢里的光滑水平面上有一个质量为m ＝5 kg 的小球，正随车厢一起以20 m/s 的速度匀速前进．现在给小球一个水平向前的F ＝5 N 的拉力作用，求经10 s 时，车厢里的观察者和地面上的观察者看到小球的速度分别是多少？图4答案 10 m /s 30 m/s解析 对车上的观察者：小球的初速度v 0＝0，加速度a ＝Fm ＝1 m /s 2，经过10 s ，速度v 1＝at ＝10 m/s.对地上的观察者：小球初速度v 0＝20 m/s ，加速度为a ＝Fm ＝1 m /s 2.经过10 s ，速度v 2＝v 0＋at ＝30 m/s.两个观察者的结果虽然不同，但都利用了牛顿运动定律，因此都是惯性参考系.观察的结果不同，是因为选择了不同的参考系.例2 (多选)下面说法正确的是( )A ．在以11 000c 竖直方向升空的火箭上向前发出的光，对地速度一定比c 大B ．在以11 000c 竖直方向升空的火箭上向后发出的光，对地速度一定比c 小C ．在以11 000c 竖直方向升空的火箭上沿水平方向发出的光对地速度为cD ．在以11 000c 竖直方向升空的火箭上向任一方向发出的光对地速度都为c答案 CD解析 根据狭义相对论的基本假设——光速不变原理可知：真空中的光速相对于火箭的速度为c ，相对于地面的速度也为c ，即对不同的惯性参考系光速是相同的，因此C 、D 正确，A 、B 错误．二、时间和空间的相对性应用相对论“效应”解题的一般步骤：(1)应该通过审题确定研究对象及研究对象的运动速度．(2)明确求解的问题，即明确求解静止参考系中的观察结果，还是运动参考系中的观察结果． (3)应用“尺缩效应公式”或“时间延缓效应公式”进行计算．例3 地面上长100 km 的铁路上空有一火箭沿铁路方向以30 km/s 的速度掠过，则火箭上的人看到铁路的长度应该为多少？如果火箭的速度达到0.6c ，则火箭上的人看到的铁路的长度又是多少？答案 100 km 80 km解析 当火箭速度较低时，长度基本不变，还是100 km.当火箭的速度达到0.6c 时，由相对论长度公式l ＝l 01－(vc)2代入相应的数据解得：l ＝100×1－0.62 km ＝80 km.例4 π＋介子是一种不稳定粒子，平均寿命是2.6×10－8 s(在它自己的参考系中测得) (1)如果此粒子相对于实验室以0.8c 的速度运动，那么在实验室坐标系中测量的π＋介子寿命多长？(2) 在(1)中实验室坐标系里测量的π＋介子在衰变前运动了多长距离？ 答案 (1)4.3×10－8 s (2)10.32 m解析 (1)π＋介子在实验室中的寿命为 Δt ＝Δτ1－(v c)2＝2.6×10－81－0.82s ≈4.3×10－8 s.(2)该粒子在衰变前运动的距离为x ＝v Δt ＝0.8×3×108×4.3×10－8 m ＝10.32 m.1．(多选)关于狭义相对论的两个假设，下列说法正确的是( ) 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系中都是相同的 D ．真空中的光速在不同的惯性参考系中是有差别的 答案 AC2.如图5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行联络，则壮壮观测到该光束的传播速度为( )图5A ．0.4cB ．0.5cC ．0.9cD ．c 答案 D解析 由狭义相对论的基本假设——光速不变原理可知，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．3．假设甲在接近光速的火车上看地面上乙的手中沿火车前进方向放置的尺，同时地面上的乙看甲的手中沿火车前进方向放置的相同的尺，则下列说法正确的是( ) A ．甲看到乙的手中的尺长度比乙看到自己手中的尺长度长 B ．甲看到乙的手中的尺长度比乙看到自己手中的尺长度短 C ．乙看到甲的手中的尺长度比甲看到自己手中的尺长度长 D ．乙看到甲的手中的尺长度与甲看到自己手中的尺长度相同 答案 B 解析 由l ＝l 01－(vc)2可知，运动的观察者观察静止的尺和静止的观察者观察运动的尺时，都发现对方手中的尺比自己手中的尺短，故B 正确，A 、C 、D 错误． 4．(多选)用相对论的观点判断下列说法，其中正确的是( )A ．时间和空间都是绝对的，在任何参考系中一个事件发生的时间和一个物体的长度总不会改变B ．在地面上看，以10 km/s 的速度运动的飞船中的时钟会变快，但是飞船中的宇航员却看到时钟是准确的C ．在地面上的人看来，以10 km/s 的速度运动的飞船在运动方向上会变短，而飞船中的宇航员却感觉到地面上的人看起来比飞船中的人扁一些D ．当物体运动的速度v 远小于c 时，“长度收缩”和“时间膨胀”效果可忽略不计 答案 CD解析 时间和空间都是相对的，没有绝对准确的时间和空间，所以A 错误．由l ＝l 01－(vc)2可知两处的人都感觉l ＜l 0，所以C 正确．由尺缩效应和钟慢效应公式可知，当v 远小于c 时，尺缩效应和钟慢效应都可以忽略不计，所以B 错误，D 正确．一、选择题1．(多选)关于牛顿力学的适用范围，下列说法正确的是( ) A ．适用于宏观物体 B ．适用于微观物体 C ．适用于高速运动的物体 D ．适用于低速运动的物体 答案 AD解析 由经典力学的局限性可知A 、D 正确． 2．关于相对论的认识，下列说法正确的是( )A ．因为时间是绝对的，所以我们在不同的参考系中观察到的时间进程都是相同的B ．空间与时间之间是没有联系的C ．在一个确定的参考系中观察，运动物体的空间距离和时间进程跟物体的运动状态有关D ．惯性系就是静止不动的参考系E ．同一力学规律在不同的惯性系中可能不同 答案 C3．如图1所示，世界上有各式各样的钟：砂钟、电子钟、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．这种说法是( )图1A ．对的，对各种钟的影响必须相同B ．不对，不一定对所有的钟的影响都一样C ．A 和B 分别说明了两种情况下的影响D ．以上说法全错 答案 A4．下列说法中正确的是( )A ．相对性原理能简单而自然地解释电磁学的问题B ．在真空中，若物体以速度v 背离光源运动，则光相对物体的速度为c －vC ．在真空中，若光源向着观察者以速度v 运动，则光相对于观察者的速度为c ＋vD ．迈克耳孙—莫雷实验得出的结论是：不论光源与观察者做怎样的相对运动，光速都是一样的 答案 D解析 相对性原理简单而自然，但在电磁学的领域里，涉及相对哪个参考系才成立的问题，故选项A 错误；根据狭义相对论的光速不变原理知，选项B 、C 错误，D 正确．5.如图2所示，在一个高速转动的巨大转盘上放着A 、B 、C 三个时钟，下列说法正确的是( )图2A ．A 时钟走时最慢，B 时钟走时最快 B ．A 时钟走时最慢，C 时钟走时最快 C ．C 时钟走时最慢，A 时钟走时最快D ．B 时钟走时最慢，A 时钟走时最快 答案 C解析 A 、B 、C 三个时钟中，C 相对于地面的速度最大，A 相对于地面的速度最小；由Δt ＝Δτ1－(v c)2可知，C 时钟走时最慢，A 时钟走时最快，故选项C 正确．6．如图3所示，沿平直铁路线上有间距相等的三座铁塔A 、B 和C .假想有一列车沿AC 方向以接近光速的速度行驶，当铁塔B 发出一个闪光，列车上的观察者测得A 、C 两铁塔被照亮的顺序是( )图3A ．同时被照亮B ．A 先被照亮C ．C 先被照亮D ．无法判断答案 C解析 以列车为参考系，塔A 、B 、C 向左高速运动，列车中的观测者认为光从B 到A 的距离大于光从B 到C 的距离，由t ＝lc知，光从B 到C 用时短，C 先被照亮．7．惯性系S 中有一边长为l 的正方形(如图4所示)，从相对S 系沿x 方向以接近光速的速度匀速飞行的飞行器上测得该正方形的图象是( )图4答案 C解析 由相对论长度公式l ＝l 0 1－(vc)2得，运动方向上的边长变短，垂直运动方向上的边长不变．8．某宇航员要到离地球5光年的星球上去旅行，如果希望把这段路程缩短为3光年，则他所乘飞船相对地球的速度为( ) A ．0.5c B ．0.6c C ．0.8c D ．0.9c答案 C解析 由l ＝l 0 1－(v c )2，且l l 0＝35可得：v ＝0.8c ，故C 正确．二、非选择题9．一长杆在车厢中静止，杆与车厢前进的方向平行．在车厢中测得杆长为1.0 m ，车厢以41.7 m /s 的速率行驶(相当于150 km/h)．求在地面测得的杆长． 答案 见解析 解析 l ＝l 0 1－(vc)2＝1－(41.73×108)2 m ≈1－1.93×10－14m. 10．一个摆钟在静止参考系中的摆动周期是3.0 s ，当一个观测者相对该摆钟以0.99c 的速度运动时，观测者测得的周期是多少？摆钟是变快了还是变慢了？ 答案 21.3 s 变慢了解析 由时间延缓效应公式：Δt ＝Δτ1－(v c )2，又已知Δτ＝T ＝3.0 s ， 所以可得：T ′＝T 1－(v c)2＝3.01－(0.991)2 s ≈21.3 s ， 由T ′＞T ，可看出摆钟变慢了．11．长度测量与被测物体相对于观察者的运动情况有关，物体在运动方向上长度会缩短．一艘宇宙飞船的船身长度为L 0＝90 m ，相对地面以v ＝0.8c 的速度从一观测站的上空飞过． (1)观测站测得飞船的船身通过观测站的时间间隔是多少？ (2)宇航员测得船身通过观测站的时间间隔是多少？ 答案 (1)2.25×10－7 s (2)3.75×10－7 s解析 (1)观测站测得船身的长度为L ＝L 0 1－(v c)2＝901－0.82 m ＝54 m ，通过观测站的时间间隔为Δt ＝L v ＝54 m0.8c＝2.25×10－7 s.(2)宇航员测得飞船船身通过观测站的时间间隔为 Δt ′＝L 0v ＝90 m 0.8c＝3.75×10－7 s.。
高中物理第十五章相对论简介1相对论的诞生2时间和空间的相对性达标训练新人教版选修3_4
——教学资料参考参考范本——高中物理第十五章相对论简介1相对论的诞生2时间和空间的相对性达标训练新人教版选修3_4______年______月______日____________________部门更上一层楼基础·巩固1.著名物理学家“开尔文勋爵”威廉·汤姆孙曾自信地宣称：“科学大厦已经基本完成”，但也承认，“明朗的天空中还有两朵小小的、令人不安的乌云”.他指的科学大厦是_______________，两朵乌云是________________.答案：以经典力学、热力学与统计物理学、电磁场理论为主要内容的物理学形成了完整的科学体系一是黑体辐射，一是光的速度.2.根据你的理解，你认为下列哪些观点是正确的（）A.在经典力学中，物体的质量是不随物体运动状态而改变的B.以牛顿运动定律为基础的经典力学理论具有局限性，它只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界C.相对论与量子力学的出现否定了经典力学理论D.伽利略的“自然数学化”的方法和牛顿的“归纳演绎法”是经典力学方法的典型答案：ABD3.下列服从经典力学规律的是（）A.自行车、汽车、火车、飞机等交通工具的运动B.发射导弹、人造卫星、宇宙飞船C.物体运动的速率接近于真空中的光速D.能量的不连续现象解析：经典力学只适用于宏观、低速运动的物体，所以A、B两项正确，C项错误；能量的不连续现象涉及量子论，不适合用经典力学来解释，所以选项D错误.答案：AB4.下列说法正确的是( )A.世界的过去、现在和将来都只有量的变化，而不会发生质的变化B.时间和空间不依赖人们的意识而存在C.时间和空间是绝对的D.时间和空间是紧密联系、不可分割的解析：根据狭义相对论的观点，时间和空间都不是绝对的，都是相对的.时间和空间不能割裂，是紧密联系的.所以选项A、B、C三项错误，选项D正确.答案：D5.一只长的标尺以接近光速穿过一根几米长的管子，它们的长度都是在静止状态下测量的.以下哪种叙述最恰当地描述了标尺穿过管子的情况( )A.标尺收缩变短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它B.标尺收缩变短，因此在某些位置上，标尺从管子的两端伸出来C.两者都收缩，且收缩量相等，因此在某个位置，管子恰好遮住标尺D.所有这些都与观察者的运动情况有关解析：观察者的运动情况不同，选取不同的惯性系，标尺与管子的相对速度也不相同，观察到的标尺和管子的长度也不相同，所以选项D正确.答案：D6.火箭以0.75c 的速度离开地球，从火箭上向地球发射一个光信号.火箭上测得光离开的速度是c ，根据过去熟悉的速度合成法则，光到达地球时地球上测得的光速是多少？根据狭义相对论的原理呢？解析：根据过去熟悉的速度合成法则，光相对于地球的速度是：v=c-0.75c=0.25c.而根据狭义相对论原理，光速与光源、观测者之间的相对运动没有关系，光速仍为c. 答案：0.25c c7.一张正方形的宣传画，正贴在铁路旁的墙上，一高速列车驶过时，在车上的司机看来这张宣传画画成了什么样子？解析：取列车为惯性系，宣传画相对于列车高速运动，根据尺缩效应，宣传画在运动方向上将变窄，但在垂直运动方向上没有发生变化. 答案：宣传画成了长方形，此画的高度不变，宽度变窄了. 综合·应用8.以8 km/s 的速度运行的人造卫星上一只完好的手表走过了1 min ，地面上的人认为它走过这1 min“实际”上花了________________min 时间?解析：卫星上观测到的时间为Δt′=1 min，卫星运动的速度为v=8×103 m/s，所以地面上观测到的时间为Δt== min=(1+3.6×10-10) min.2)(1'cv t -∆283)103108(-11⨯⨯答案：1+3.6×10-109.假如有一对孪生兄弟A 和B ，其中B 乘坐速度为v=0.9c 的火箭飞往大角星（牧夫座a 星），而后又飞回地球.根据A 在地球上的观测，大角星离地球有40万光年远，这次B 往返飞行经历时间为80.8年.如果B 在离开地球时，他们的年龄都为20岁，试问当B 回到地球时，A 的年龄为________________岁,B 的年龄为________________岁. 解析：设B 在飞船惯性系中经历时间为t′，根据时间延缓效应得：t=，即：80.8=，解得：t′=35.2年.所以B 回到地球时的年龄为20+35.2=55.2（年）221c v t -29.01'-t答案：A 的年龄为100.8岁，B 的年龄为55.2岁.10.人马星座a 星是离太阳系最近的恒星，它距地球4.3×1016 m.设有一宇宙飞船自地球往返于人马星座a 星之间.若宇宙飞船的速度为0.999c ，按地球上的时钟计算，飞船往返一次需时间________________.如以飞船上的时钟计算，往返一次的时间又为________________.解析：以地球上的时钟计算Δt== s=2.87×108 s=9年；vs 8161030.999104.32⨯⨯⨯⨯ 若以飞船上的时钟计算：因为Δt=Δt′/1-(v/c)2所以得Δt′=Δt=2.87×108×s=1.28×107 s=0.4年2)/(1c v -20.999-1答案：Δt=9年，Δt′=0.4年11.长度测量与被测物体相对于观察者的运动有关，物体在运动方向长度缩短了.一艘宇宙飞船的船身长度为L0=90 m ，相对地面以u=0.8c 的速度在一观测站的上空飞过.（1）观测站测得飞船的船身通过观测站的时间间隔是多少？ （2）宇航员测得船身通过观测站的时间间隔是多少？解析：（1）观测站测得船身的长度为L=L0=90×m=54 m 22/1c u -20.8-1通过观测站的时间间隔为Δt===2.25×10-7 su L 0.8c54（2）宇航员测得飞船船身通过观测站的时间间隔为Δt==3.75×10-7 scu L 8.0900=牛顿时空观是速度远小于光速时相对论时空观的近似。
人教版高中物理选修3-4第十五章相对论简介基础知识梳理
第十五章 相对论简介
15. 1 相对论的诞生 一、经典的相对性原理 1.惯性系与非惯性系 (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。
地面参考系是惯性系,相对于它做匀速运动的汽车、轮船作为参考系也是惯性系。 (2)非惯性系:如果牛顿运动定律在某个参考系中不成立,这个参考系就叫非惯性系。
在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的。 2.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,光速与光源观察者间的相对运 动没有关系。在两个假设的基础上爱因斯坦建立了一套完整的理论——狭义相对论 四、对光速不变原理的理解 1.真空中的光速不变
真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的,光速与光源、观察者间的相对 运动没有关系。 2.“超光速”不存在
这是爱因斯坦在前人的实验基础上提出的假设,这个假设是狭义相对论的基础. 之所以称为假设,是因为它只根据迈克耳孙一莫雷实验有限的几次实验提出的,还没 有经过数学的逻辑推理在大量的结论跟事实相符后,就成为狭义相对论原理。
第十五章 相对论简介
2/8
知识像烛光，能照亮一个人，也能照亮无数的人。--培根 15.2 时间和空间的相对性
车上的观察者认为：闪光从光源到前壁和后壁的距离相等,根据光速不变原理,闪 光同时到达前后两壁;车下的观察者认为：闪光从光源到后壁的距离比到前壁的距离 短，根据光速不变原理,闪光先到达后壁,后到达前壁。
二、长度的相对性 1.两种观点对“长度”的认识 (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同。 (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,但在垂直于运动方向上,杆的长度没有变化。 2.狭义相对论的长度变换公式
高中物理第十五章相对论简介1相对论的诞生2时刻和空间
1 相对论的诞生2 时刻和空间的相对性课堂互动三点剖析1.狭义相对论的两个大体假设(1)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。
(2)光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性系中都是相同的。
2.同时的相对性，长度的相对性，时刻距离的相对性。
同时的相对性：在经典物理学上，若是两个事件在一个参考系中以为是同时的，在另一个参考系中必然也是同时的；而按照爱因斯坦的两个假设，同时是相对的。
长度的相对性：(1)经典物理学以为，一条杆的长度不会因为观察者是不是与杆做相对运动而不同。
(2)若是与杆相对静止的人以为杆长是Ｌ0，与杆相对运动的人以为杆长是L ，则二者之间的关系为L=20)(1c v L -(3)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。
时刻距离的相对性:运动的人以为两个事件时刻距离为Δt′，地面观察者测得的时刻距离为Δt，二者之间关系为Δt=2)(1cv t -'∆。
3.相对论的时空观，相对性与绝对性。
相对论的时空观：相对论以为空间和时刻之间是有联系的，与物质的运动状态有关。
相对性与绝对性：时容量度是相对的，但客观事物的存在、发生与进展的进程又是绝对的，不以观察者所处的参考系的不同而改变。
各个击破【例1】 判断是不是正确：伽利略相针对性原理和爱因斯坦相对性原理是相同的。
解析：伽利略相对性原理适用于低速，爱因斯坦相对论适用于高速。
答案：错。
类题演练 牛顿的经典力学只适用于_________和_________。
答案：宏观 低速【例2】 假定一列火车沿着固定在惯性参考系K 中的直线轨道以不变的速度u 运动(u 较大)，第二惯性参考系K′连接在火车上，与火车一路运动，假定从火车的前后每一端发出一个闪电，有人出此刻K 系B 点，B 在A 和C 正中间，如图15-2-1所示，他观测到闪电同一瞬时抵达B 点，则坐在火车上中点B′的另一个观察者观测到什么样的“事件”？图15-2-1解析：坐在火车上中点B′的一个观察者发觉，来自火车前端C′的闪光比来自后端A′的闪光先期抵达B′。
高中物理 第十五章 相对论简介章末总结课件 新人教版选修34
，式中
v＋c
v分别为v和c，代入公式求得光对地的速度u＝
1＋vcc2
答＝案c. 在地面(dìmiàn)上的观第二察十四页者，共2看8页。来，光速是c不是v＋c.
1234
3.(质速关系和质能关系)电子的静止质量m0＝9.11×10－31 kg. (1)试分别用焦耳和电子伏为单位(dānwèi)来表示电子的静质能.
各是多少？
eU 解析(jiě xī) 由能量关系得eU＝(m－m0)c2，解c2得m＝
＋m1.06＝×31×0－10198×2 106
30 kg.
m0 1－vc2
kg＋9.11×10－31 kg≈2.69×10－
第二十六页，共28页。
12 3 4
解得v＝c 1－mm0＝2 3×108×
≈2.82×108 m/s.
解析 在相对于π介子(jièzǐ)运动的实验室中测得π介子(jièzǐ) 的平均寿命为Δt，则相对于π介子(jièzǐ)静止的观察者测得π 介子(jièzǐ)的平均寿命为
第九页，共28页。
一、时间(shíjiān)和空间的相对性
Δτ＝Δt
1－vc22 ＝4×10－8× s＝2.4×10－8 s
答案(dáàn) 2.4×10－8 s
结论
进程出现差别引力红移
第六页，共28页。
专题(zhuāntí)整合区
一、时间(shíjiān)和空间的相对性
二、质速关系(guān xì)和质能关系(guā 三、相对论速度变换公式
第七页，共28页。
一、时间(shíjiān)和空间的相对性
正确理解时间(shíjiān)和空间的相对性公式是求解此类问题
第十七页，共28页。
三、相对论速度(sùdù)变换公式
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课下作业 新人教版选修34
第1节相对论的诞生第2节时间和空间的相对性1．根据伽利略相对性原理，可以得到下列结论( )A．任何力学规律在惯性系中都是相同的B．同一力学规律在不同的惯性系中可能不同C．在一个惯性参照系里不能用力学实验判断该参照系是否在匀速运动D．在一个惯性参照系里可以用力学实验判断该参照系是否在匀速运动解析：伽利略的相对性原理是：力学规律在任何惯性系中都是相同的，故选项A正确，B错误；根据伽利略相对性原理的另一种表述，选项C正确，D错误。
答案：AC2．在狭义相对论中，下列说法中哪些是正确的( )①一切运动物体相对于观察者的速度都不能大于真空中的光速②长度、时间的测量结果都是随物体与观察者的相对状态而改变③惯性系中的观察者观察一个与他做匀速相对运动的时钟时，会看到这个时钟比与他相对静止的时钟走得慢些A．①③B．①②C．①②③D．②③解析：根据狭义相对论可知，光速是物体的极限速度，①正确；长度相对性和时间间隔的相对性可知②、③均正确。
故选C。
答案：C3．(2011·江苏高考)如图1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( )图1A．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出发后经过A和C反射的光，由于列车在这段时间内向C运动靠近C，而远离A，所以C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。
答案：C4．某宇航员要到离地球5光年的星球上去旅行，如果希望把这段路程缩短为3光年，则他所乘飞船相对地球的速度为( )A ．0.5 cB ．0.6 cC ．0.8 cD ．0.9 c解析：由l ＝l 01－v 2c 2，且l l 0＝35，可得v ＝45c ＝0.8 c ，故选项C 正确。
答案：C5．惯性系S 中有一边长为l 的正方形(如图2A 所示)。
高中物理 第十五章 相对论简介 1相对论的诞生自我小测 新人教版选修3-41
相对论的诞生1．如果牛顿定律在参考系A中成立，而参考系B相对于A做匀速直线运动，则在参考系B 中( )。
A．牛顿定律也同样成立B．牛顿定律不能成立C．A和B两个参考系中，一切物理定律都是相同的D．参考系B也是惯性参考系2．有关经典相对性原理的叙述中，正确的是( )。
A．经黄相对性原理对任何规律都适用B．经典相对性原理仅是针对力学规律而言的C．如果某个参考系中的力学规律相同，则这两个参考系一定都是惯性参考系D．利用相对性原理可以确定任一参考系是否是惯性参考系3．假设你正坐在一列火车中，下列判断中正确的是( )。
A．可以通过力学实验来判断火车是静止还是做匀速直线运动B．无法通过力学实验来判断火车是静止还是做匀速直线运动C．可以通过力学实验来判断火车是做匀速直线运动还是加速直线运动D．无法通过力学实验来判断火车是做匀速直线运动还是加速直线运动4．关于经典力学和狭义相对论，下列说法中正确的是( )。
A．经典力学只适用于低速运动，不适用于高速运动(速度接近真空中的光速)B．狭义相对论只适用于高速运动(速度接近真空中的光速)，不适用于低速运动C．经典力学既适用于低速运动，也适用于高速运动(速度接近真空中的光速)D．狭义相对论既适用于高速运动(速度接近真空中的光速)，也适用于低速运动5．如图所示，强强乘速度为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行联络，则壮壮观测到该光束的传播速度为( )。
A．0.4c B．0.5cC．0.9c D．1.0c6.在经典力学中，________是力学规律的基础，如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系就叫做________。
7．狭义相对论的两个基本假设是____________________________________________。
8．飞船在高空以110c的速度向目标飞行，从飞船上向目标发射一个光信号，则在地面观察者看来光信号速度是1.1c吗？参考答案1.答案：ACD 根据狭义相对性原理，在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的，则C项正确。
高中物理第十五章相对论简介1相对论的诞生2时间和空间的相对性课前预习素材新人教版选修3-4(new)
1 相对论的诞生2 时间和空间的相对性课前预习情景素材1.19世纪末期，经典物理学形成了完整的科学体系,自然界的各种物理现象几乎无一不能用它们来解释。
1900年著名物理学家汤姆孙充满自信地宣称：科学的大厦已经基本完成，未来的物理学只要做一些修修补补的工作就可以了。
不过他也承认，“明朗的天空中还有两朵小小的，令人不安的乌云”.那么这两朵乌云分别是什么？它们又引发了什么新理论?简答：分别是黑体辐射和光的速度。
对它们的研究分别摧生了量子理论和相对论。
2。
什么是时间？什么是空间？时间和空间有什么性质？经典物理学对这些问题并没有正面回答.但是从它对问题的处理上,我们体会到,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，空间与时间之间也是没有联系的.那么，相对论的时空观是否也是这样认为呢？简答：相对论的时空观认为空间和时间与物质的运动状态有关。
知识预览一、相对论的诞生1。
伽利略的相对性原理是：___________________。
答案：力学规律在任何惯性系中都是相同的2。
狭义相对论的两个基本假设分别是___________；________________。
答案：狭义相对性原理光速不变原理3.狭义相对性原理是指:___________________.答案:在不同惯性参考系中，一切物理定律都是相同的4。
光速不变原理的内容是:___________________。
答案:真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的5。
如果__________在某个参考系中成立，这个参考系叫做惯性系。
答案：牛顿运动定律二、时间和空间的相对性1。
长度的相对性是指，相对于观察者运动的物体的长度，总是________静止时的物体的长度。
答案:小于2。
同时的相对性是指,在不同的地点发生的两个事件，在一个惯性系里是同时的，但在另一个惯性系里看来却_________同时的。
答案：不是3.时间间隔的相对性是,某两个事件在不同的惯性系中观察，他们发生的时间间隔是___________的。
高中物理第十五章相对论简介1相对论的诞生学案1新人教
1 相对论的诞生1．经典的相对性原理(1)惯性系和非惯性系牛顿运动定律能够成立的参考系叫惯性系，匀速运动的汽车、轮船等作为参考系就是惯性系。
牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系，例如咱们坐在加速的车箱里，以车箱为参考系观察路边的树木、衡宇向后方加速运动，按照牛顿运动定律，衡宇、树木应该受到不为零的合外力作用，但事实上没有，也就是牛顿运动定律不成立，这里加速的车箱就是非惯性系。
相对于一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系。
(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，即任何惯性参考系都是平权的。
【例1】如图所示，在列车车箱的滑腻水平面上有一个质量为m ＝5 k g 的小球，正随车箱一路以20 m/s 的速度匀速前进。
此刻给小球一个水平向前的F ＝5 N 的拉力作用，求经10 s 时，车箱里的观察者和地面上的观察者看到小球的速度别离是多少？解析：对车上的观察者：物体的初速v 0＝0，加速度a ＝F m＝1 m/s 2 10 s 时速度v 1＝at ＝10 m/s对地上的观察者：物体初速度v 0＝20 m/s加速度相同a ＝F m＝1 m/s 2 10 s 末速度v 0＝v 0＋at ＝30 m/s 。
答案：10 m/s 30 m/s2．迈克耳孙—莫雷实验(1)实验装置：(2)实验内容：转动干与仪，在水平面内不同方向进行光的干与实验，干与条纹并无预期移动。
(3)实验结论：光沿任何方向传播时，相对于地球的速度是相同的，光速的不变性证明了那时很多人以为的以太参考系是不存在的。
【例2】迈克耳孙—莫雷实验说明了以下哪些结论( )A ．以太不存在B ．光速的合成知足经典力学法则C ．光速不变D ．光速是相对的，与参考系的选取有关解析：迈克耳孙—莫雷实验证明了光速不变的原理，同时也说明以太作为光速的参考系是不存在的。
答案：AC3．狭义相对论的两个大体假设第一个假设：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的，即自然界不存在特殊的惯性参考系，对于一切物理现象的描述来讲，所有惯性系都是等效的。
高中物理 第15章《相对论简介》课件 新人教选修34
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
动尺变短（空间收缩效应）
SY
O
Y′ S′ u
A l B
O′ x●
X X′
1
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.
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
4h2 c2 v2
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：
Emc2
这就是著名的爱因斯坦质能方程
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.
E k EE 0
物体的动能
运动时的能量
静止时的能量
m
m0
1
v
2
c
Emc2
高中物理 第十五章 相对论简介 1 相对论的诞生自主练习 新人教版选修3-4(2021年最新整理)
高中物理第十五章相对论简介1 相对论的诞生自主练习新人教版选修3-4 编辑整理：尊敬的读者朋友们：这里是精品文档编辑中心，本文档内容是由我和我的同事精心编辑整理后发布的，发布之前我们对文中内容进行仔细校对，但是难免会有疏漏的地方，但是任然希望（高中物理第十五章相对论简介1 相对论的诞生自主练习新人教版选修3-4）的内容能够给您的工作和学习带来便利。
同时也真诚的希望收到您的建议和反馈，这将是我们进步的源泉，前进的动力。
本文可编辑可修改，如果觉得对您有帮助请收藏以便随时查阅，最后祝您生活愉快业绩进步，以下为高中物理第十五章相对论简介1 相对论的诞生自主练习新人教版选修3-4的全部内容。
相对论的诞生我夯基我达标1.要描述一个物体的运动，必须选择________________.答案:参考系2.20世纪初，著名的物理学家爱因斯坦建立了_________________，使人们对时空观的认识产生了根本性的变革。
答案：狭义相对论3。
绝对时空观的特点是：______________、______________，时间和空间都是绝对的。
答案：时间和空间是分离的时间尺度和空间尺度与物质运动无关4。
在经典力学中，______________是力学规律的基础，如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系就叫做______________.答案：牛顿运动定律惯性系我综合我发展5.下列几种说法：（1）所有惯性系统对物理基本规律都是等价的.（2）在真空中，光的速度与光的频率、光源的运动状态无关.(3）在任何惯性系中，光在真空中沿任何方向的传播速度都相同。
关于上述说法（ )A.只有（1)(2）是正确的 B。
只有(1)(3)是正确的C.只有（2）（3）是正确的D.三种说法都是正确的思路解析:狭义相对论认为：物体所具有的一些物理量可以因所选参考系的不同而不同，但它们在不同的参考系中所遵从的物理规律却是相同的，即(1）(2）都是正确的。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
相对论的诞生
1．如果牛顿定律在参考系A中成立，而参考系B相对于A做匀速直线运动，则在参考系B 中( )。
A．牛顿定律也同样成立
B．牛顿定律不能成立
C．A和B两个参考系中，一切物理定律都是相同的
D．参考系B也是惯性参考系
2．有关经典相对性原理的叙述中，正确的是( )。
A．经黄相对性原理对任何规律都适用
B．经典相对性原理仅是针对力学规律而言的
C．如果某个参考系中的力学规律相同，则这两个参考系一定都是惯性参考系
D．利用相对性原理可以确定任一参考系是否是惯性参考系
3．假设你正坐在一列火车中，下列判断中正确的是( )。
A．可以通过力学实验来判断火车是静止还是做匀速直线运动
B．无法通过力学实验来判断火车是静止还是做匀速直线运动
C．可以通过力学实验来判断火车是做匀速直线运动还是加速直线运动
D．无法通过力学实验来判断火车是做匀速直线运动还是加速直线运动
4．关于经典力学和狭义相对论，下列说法中正确的是( )。
A．经典力学只适用于低速运动，不适用于高速运动(速度接近真空中的光速)
B．狭义相对论只适用于高速运动(速度接近真空中的光速)，不适用于低速运动
C．经典力学既适用于低速运动，也适用于高速运动(速度接近真空中的光速)
D．狭义相对论既适用于高速运动(速度接近真空中的光速)，也适用于低速运动
5．如图所示，强强乘速度为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行联络，则壮壮观测到该光束的传播速度为( )。
A．0.4c B．0.5c
C．0.9c D．1.0c
6.在经典力学中，________是力学规律的基础，如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系就叫做________。
7．狭义相对论的两个基本假设是____________________________________________。
8．飞船在高空以
1
10
c的速度向目标飞行，从飞船上向目标发射一个光信号，则在地面
观察者看来光信号速度是1.1c吗？
参考答案
1.答案：ACD 根据狭义相对性原理，在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的，则C项正确。
2.答案：B 经典相对性原理是从力学规律的角度来论述问题的，同时也仅对惯性参考系才成立，因此仅有B项正确。
3.答案：BC
4.答案：AD 狭义相对论既适用于高速运动的物体，也适用于低速运动的物体，经典力学是狭义相对论在一定条件下的特殊情形，只适用于低速运动的物体。
5.答案：D 真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的。
6.答案：牛顿运动定律惯性系
7.答案：狭义相对性原理和光速不变原理
8.答案：根据狭义相对论的假设，真空中光速对任何惯性参考系都是相同的，在地面观察者看来，光信号速度依然是c，而不是1.1c。