选修3-4_15.1相对论的诞生周亮

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高二物理选修3-4课件15-1、2 相对论的诞生和时间和空间的相对性

答案：BD
解析：物品投放后，仅受重力作用，飞行员看物品是初速度为零的自由落体运动，符合牛顿运动定律，故飞机为惯性参考系，B对；而地面上的人员看物品做初速度不为零的抛体运动，也符合牛顿运动定律，D也对。
二、怎样理解“动尺变短”和“动钟变慢” 1．怎样理解“动尺变短”：狭义相对论中的长度公式：l＝l0
l0
v 1－ c 2
。
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表示相对事件发生地以v高速运动的参考系中观察 Δτ v2 1－ c 同样两事件的时间间隔，则它们的关系是：Δt＝。
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的时间膨胀。
知识自主梳理
知识点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。
●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，不必探究。

高中物理人教版选修3-4第15章第1节教案设计《相对论的诞生》

相对论的诞生知识与技能：（1）了解相对论诞生的历史背景，知道麦克耳孙一莫雷实验（2）了解经典的相对性原理（3）知道相对性原理与电磁规律之间的矛盾（4）知道狭义相对论的两个基本假设过程与方法：（1）了解对经典物理学内部矛盾的探索过程（2）理解爱因斯坦建立相对论的科学探究思想和逻辑推理方法情感态度价值观：（1）明确物理理论的发展的基础——实验教学重点、难点狭义相对论的两点假设教学方法阅读小结教学手段多媒体课件教学活动介绍相对论诞生的历史背景①以太的研究（鲁科版较详细）以太透明；以太的密度很小（光速很大）；以太很硬（电磁波为横波）；以太无所不在，充满整个空间。

②光速的测量斐索光速测定③迈克尔逊-莫雷实验实验原理图实验干涉条纹实验意义：以太不存在；暗示真空中光速在任何参考系都不变；复习光的干涉现象一、经典的相对性原理①运动的相对性中国古代研究：《尚书纬．考灵曜》（约东汉时代）“地有四游，冬至地上行北而西三万里，夏至地下行南而东三万里，春秋两分是其中矣。

地恒动而人不知，譬如闭舟而行不觉舟之运也。

”②伽里略相对性原理《关于两种世界体系的对话》：“把你和朋友关在一条大船下的主舱里，让你们带着几只苍蝇、蝴蝶和其他小飞虫，舱内放一只大水碗，其中有几条鱼，然后挂上一个水瓶，让水一滴一滴地滴到下面的一个宽口罐里，船停着不动时，你留神观察，小虫都以等速向舱内各方向飞行；鱼向各个方向随便游动；水滴滴进下面的罐中，你把任何东西扔给你的朋友时，只要距离相等，向这一方向不必比另一方向施更多的力。

当船以任何速度前进，只要是匀速的，你将发现，上述观察的现象依旧，你无法用任何现象判定船是运动还是不动……”伽里略坐标变换公式 t t zz yy ut x x ===-=''''伽里略速度变换公式 u v v -=∴'③牛顿力学的不变性m ′=mF ′＝FF ＝ma F ′＝m ′a ′a a =∴'力学规律在任何惯性参考系中都是相同的。

物理人教版选修3-4习题点拨第十五章 1相对论的诞生含解析

教材习题点拨
1．解析：可以观察车外的景物，如车、房屋等这些相对地面静止的物体，看它们相对于车是否运动，如相对于车运动，则火车是运动的，如果不动，则火车是静止的。

这些办法都必须同火车外的世界有联系。

2．解析：可以在封闭车内用细线悬挂一小球，通过小球的摆动情况判断，如果小球向前摆则汽车减速，向后摆则汽车加速，向右摆则汽车向左拐弯，向左摆则汽车向右转弯。

这些判断与狭义相对性原理不矛盾。

3．解析：根据伽利略速度合成法则，地球上测得光速为c－0.75c＝0.25c。

根据狭义相对论光速不变原理，光速大小与光源运动状态无关，所以地球上实际测得的光速为c。

本题的主旨是深入体会光速不变原理。

高中物理选修3-4相对论的诞生

当时人们为了解决这个困难，提出了三种可能：（1）麦克斯韦电磁理论有错，正确的电磁方程组应满足伽利略不变性。（2）牛顿力学与麦克斯韦电磁理论都对，但麦克斯韦电磁理论只在某一特殊的惯性系成立。（3）牛顿力学与伽利略变换不对，应存在某种变换，麦克斯韦电磁理论在这种新的变换下具有不变性。这意味着经典牛顿力学要作修改，修改后的力学方程在新的变换下具有不变性。
20世纪最伟大的科学家
爱因斯坦
一、经典的相对性原理
1、惯性系：牛顿运动定律成立的参考系相对于一个惯性参考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还可表述为：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；或者说，任何惯性系都是平权的。
牛顿的伽利略相对性原理是作为基本假设提出来的，它之所以为人们接受承认，一方面是牛顿力学在解决力学问题获得的巨大功；另一方面观察结果与人们的经验相符。
但是十九世纪中叶，人们在研究与物体运动有关的电磁现象时，发现在电磁现象的规律不符合相对性原理
其中最典型的就是光速的问题
不同的参考系中观察物体的运动情况可能不同，物体在空间移动这一概念也是相对的．
二、相对性原理与电磁规律
19世纪后半叶和20世纪初，物理学家们曾经猜想，有一种叫做以太的介质，弥漫在宇宙中，它是电磁波传播时所需要的介质，拿以太做参考系时麦克斯韦的电磁理论才成立．今天看来，以太是某一特殊参考系的代表．麦克尔逊实验表明不存在这样的特殊参考系，实际上就是宣布宇宙间不存在以太．
麦克尔逊莫雷实验
上述的矛盾使物理学家面临两个选择，一是修正现有的理论，去迎合实验结果（这克斯韦电磁理论只适用于某一特殊的惯性系”，创立全新的理论。爱因斯坦、庞加莱等人选择了后者．并提出了两个假设：

《相对论的诞生》说课稿

《相对论的诞生》说课稿尊敬的各位评委、老师：大家好！今天我说课的题目是《相对论的诞生》。

下面我将从教材分析、学情分析、教学目标、教学重难点、教法与学法、教学过程、板书设计这几个方面来展开我的说课。

一、教材分析《相对论的诞生》这一内容选自高中物理选修 3-4 中的第十六章。

相对论是现代物理学的重要基石之一，它对于人类认识自然界的本质和规律具有极其深远的影响。

本节课主要介绍了相对论诞生的背景、爱因斯坦提出相对论的思维过程以及相对论的基本原理和重要结论。

通过学习这部分内容，学生可以了解物理学的发展历程，感受科学家的创新精神，培养科学思维和探索精神。

教材在内容编排上，先从经典物理学的局限性入手，引出相对论产生的必要性。

然后通过对光速不变原理和相对性原理的阐述，逐步推导出狭义相对论的基本方程和重要结论，如时间膨胀、长度收缩等。

最后简单介绍了广义相对论的基本思想和一些重要的实验验证。

二、学情分析授课对象为高中学生，他们已经具备了一定的物理基础知识和逻辑思维能力，但相对论的概念较为抽象，学生在理解上可能会存在一定的困难。

学生在之前的学习中已经接触了牛顿力学等经典物理学的知识，形成了一定的思维定式。

而相对论对时空观念的颠覆，需要学生打破传统的认知，这对学生的思维能力是一个很大的挑战。

不过，高中生具有较强的好奇心和求知欲，对于新奇的科学知识充满兴趣。

只要引导得当，能够激发他们的学习热情，帮助他们克服困难，理解相对论的基本概念。

三、教学目标1、知识与技能目标（1）了解相对论诞生的历史背景和爱因斯坦提出相对论的思维过程。

（2）理解狭义相对论的两个基本原理：光速不变原理和相对性原理。

（3）掌握狭义相对论的时间膨胀和长度收缩等重要结论，并能进行简单的计算。

2、过程与方法目标（1）通过对经典物理学与相对论的对比，培养学生的质疑精神和创新思维。

（2）通过对相对论基本原理的推导和分析，提高学生的逻辑推理能力和数学应用能力。

3、情感态度与价值观目标（1）感受爱因斯坦等科学家的创新精神和科学态度，激发学生对科学的热爱和追求。

高中物理选修3-4优质课件：15.1-15.2相对论的诞生时间和空间的相对性

正确.
解析答案
例2 如图2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( D )
图2
A.0.4c
B.0.5c
C.0.9c
D.c
解析根据爱因斯坦相对论，在任何参考系中，光速不变，即光速不
解析答案
1234
2.(对狭义相对论的理解)(多选)下面说法正确的是( CD )
A.在以
1
1 000
c沿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
1
1 000
c沿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
1
1 000
c沿竖直方向升空的火箭上沿水平方向发出的光对地速度为c
解析因为长度收缩只发生在运动的方向上，在垂直运动的方向上没有这种效应，故测得的飞船的高度仍为原来高度10 m.设飞船原长为l0，观测到飞船的长度为l，则根据尺缩效应有 l＝l0 1－vc2＝100× 1－0.6c0c2 m＝80 m. 所以观测到飞船的高度和长度分别为10 m、80 m.
答案观测到飞船的高度和长度分别为10 m、80 m
答案
(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.与杆相对静止的人认为杆长为l0，
与杆相对运动的人认为杆长是l，那么两者之间的关系是：l＝l0 3.时间间隔的相对性
1－vc2.
(1)经典物理学认为：某两个事件，在不同的惯性系中观察，它们的时
随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变，所以壮壮观测到该光

高中物理相对论的诞生人教版选修3-4

相对论的诞生★新课标要求（一）知识与技能1．理解经典的相对性原理以及光的传播与经典的速度合成法则之间的矛盾。

2．理解狭义相对论的基本假设。

（二）过程与方法通过学习，提高分析物理现象与定理定律矛盾的能力。

（三）情感、态度与价值观通过对本节内容的学习，认识科学假设在科学发现上的重要作用，进一步理解逻辑推理的力量。

★教学重点狭义相对论的两个基本假设。

★教学难点光速不变原理。

★教学方法通过在具体实例中提出问题、揭示矛盾、引发学生思考，然后通过相对论假设进行逻辑推理，得出结论。

★教学用具：投影仪及投影片。

★教学过程（一）引入新课师：请同学们回忆一下什么是惯性系？什么是非惯性系？举例说明。

生：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，根据牛顿运动定律，房屋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.这里加速的车厢就是非惯性系。

师：很好，根据惯性系的概念，不难推出，相对于一个惯性系做匀速运动的另一个参考系也是惯性系。

（二）进行新课1．经典的相对性原理师：下面我们来研究一个简单的力学问题。

（投影问题）如图，在列车车厢的光滑水平面上有一个质量为m=0.5 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的观察者看到小球的速度分别是多少？学生分析：对车上的观察者物体初速度v0=0加速度a=m F=10 m/s210 s 时速度v1=at=10 m/s对地上的观察者方法一：物体初速度v0=20 m/s加速度相同a=m F=10 m/s210 s 末速度v2=v0+at=30 m/s方法二：根据速度合成法则v2=v1+v0=（10+20） m/s=30 m/s师：通过这个例子大家看到，在两个惯性系中，虽然观察到的结果并不相同，一个是10 m/s,另一个是30 m/s ，但我们却应用了同样的运动定律和速度合成法则，也就是说，我们相信：力学规律在任何惯性系中都是相同的。

15.1相对论的诞生-高二物理同步课堂(人教版选修3-4)

第十五章相对论简介第1节相对论的诞生1．经典的相对性原理(1)惯性系：牛顿运动定律能够成立的参考系。

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)伽利略相对性原理：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(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：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的1．惯性系和非惯性系牛顿运动定律能够成立的参考系为惯性系，相对于这个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系。

牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系。

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。

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。

1．（多选）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】选AC 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。

2．（多选）关于时间和空间，在学习狭义相对论后我们应认识到( )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．有物质才有空间和时间D．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【解析】选CD 经典物理学认为空间和时间是脱离物质存在的，是绝对的，空间与时间之间也是没有联系的，在相对论力学中，时间和空间是和物质的运动相联系的。

15.1 相对论的诞生优秀教案优秀教学设计高中物理选修3-4新课

1-2 相对论的诞生时间和空间的相对性教学目的：1．了解相对论的诞生及发展历程2．了解时间和空间的相对性3．了解狭义相对论和广义相对论的内容教学重点：时间和空间的相对性、狭义相对论和广义相对论教学难点：时间和空间的相对性教学过程：狭义相对论的基本假设牛顿力学是在研究宏观物体的低速（与光速相比）运动时总结出来的.对于微观粒子，牛顿力学并不适用，在这一章中我们还将看到，对于高速运动，即使是宏观物体，牛顿力学也不适用.19世纪后半叶，关于电磁场的研究不断深入，人们认识到了光的电磁本质.我们已经知道，电磁波是以巨大的速度传播的，因此在电磁场的研究中不断遇到一些矛盾，这些矛盾导致了相对论的出现.相对论不仅给出了物体在高速运动时所遵循的规律，而且改变了我们对于时间和空间的认识，它的建立在物理学和哲学的发展史上树立了一座重要的里程碑.经典的相对性原理如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系叫做惯性系，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.我们引用伽利略的一段话，生动地描述了一艘平稳行驶的大船里发生的事情.“船停着不动时，你留神观察，小虫都以等速向各方向飞行，鱼向各个方向随意游动，水滴滴进下面的罐中；你把任何东西扔给你的朋友时，只要距离相等，向这一方向不比向另一方向用更多的力.你双脚齐跳，无论向哪个方向跳过的距离都相同.当你仔细观察这些事情之后，再使船以任何速度前进，只要运动是匀速的，也不忽左忽右地摆动，你将发现，所有上述现象丝毫没有变化.你也无法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是停着不动”通过这段描述以及日常经验，人们很容易相信这样一个论述：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.相对性原理可以有不同的表述.例如还可以表述为：在一个惯性参考系内进行任何力学实验都不能判断它是否在相对于另一个惯性参考系做匀速直线运动；或者说，任何惯性系都是平权的.在不同的参考系中观察，物体的运动情况可能不同，例如在一个参考系中物体是静止的，在另一个参考系中看，它可能是运动的，在不同的参考系中它们运动的速度和方向也可能不同.但是，它们在不同的惯性系中遵从的力学规律是一样的，例如遵从同样的牛顿运动定律、同样的运动合成法则……光速引起的困难自从麦克斯韦预言了光的电磁本质以及电磁波的速度以后，物理学家们就在思考，这个速度是对哪一个参考系说的？如果存在一个特殊的参考系O，光对这个参考系的速度是c，另一个参考系O′以速度v沿光传播的方向相对参考系O运动，那么在O′中观测到的光速就应该是c-v，如果参考系O′逆着光的传播方向运动，在参考系O′中观测到的光速就应该是c+v.由于一般物体的运动速度比光速小得多，c+v和c-v与光速c的差别很小，在19世纪的技术条件下很难直接测量，于是物理学家们设计了许多巧妙的实验，力图测出不同参考系中光速的差别.最著名的一个实验是美籍物理学家麦克尔逊设计的.他把一束光分成互相垂直的两束，一束的传播方向和地球运动的方向一致，另一束和地球运动的方向垂直，然后使它们发生干涉，如果不同方向上的光速有微小的差别，当两束光互相置换时干涉条纹就会发生变化.由于地球在宇宙中运动的速度很大，希望它对光速能有较大的影响.但是，这个实验和其他实验都表明，不论光源和观察者做怎样的相对运动，光速都是相同的.这些否定的结果使当时的物理学家感到震惊，因为它和传统的观念，例如速度合成的法则，是矛盾的.狭义相对论的两个假设上面的矛盾使我们面临一个困难的选择：要么放弃麦克斯韦的电磁理论，要么否定特殊参考系的存在.爱因斯坦选择了后者.他认为，既然在不同的惯性系中力学规律都一样，我们会很自然地想到，电磁规律在不同的惯性系中也是一样的，也就是说，并不存在某一个特殊参考系（例如地球参考系、太阳参考系，或者所谓的以太……）爱因斯坦把伽利略的相对性原理推广到电磁规律和一切其他物理规律，成为他的第一个假设：不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的.这个假设通常称为爱因斯坦相对性原理.另一条假设是：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，与光源的运动和观察者的运动没有关系.这个假设通常叫做光速不变原理.这两个假设似乎是麦克尔逊实验的直接结论，为什么还要叫做假设？这是因为，虽然实验表明了假设所说的内容，但这终归是有限的几次实验.只有在从这两个假设出发，经过逻辑推理（包括数学推导）所得出的大量结论都与事实相符时，它们才能成为真正意义上的原理.同时的相对性作为相对论的两个假设的直接推论，现在讨论“同时”的相对性，以体会相对论描述的世界和我们日常的经验有多大的差别.我们研究两个“事件”的同时性.在这里，“事件”可以指一个光子与观测仪器的碰撞，也可以指闪电对地面的打击，还可以指一个婴儿的诞生……假设一列很长的火车在沿平直轨道飞快地匀速行驶.车厢中央有一个光源发出了一个闪光，闪光照到了车厢的前壁和后壁，这是两个事件.车上的观察者认为两个事件是同时的.在他看来这很好解释，因为车厢是个惯性系，光向前、后传播的速度相同，光源又在车厢的中央，闪光当然会同时到达前后两壁（见课本99页图甲）.车下的观察者则不以为然.他观测到，闪光先到达后壁，后到达前壁.他的解释是：地面也是一个惯性系，闪光向前、后传播的速度对地面也是相同的，但是在闪光飞向两壁的过程中，车厢向前行进了一段距离，所以向前的光传播的路程长些，到达前壁的时刻也就晚些（见课本99页图乙），这两个事件不同时.在经典物理学家的头脑中，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一定也是同时的，这一点似乎天经地义，无需讨论.但是，如果接受了爱因斯坦的两个假设，我们自然会得出“同时是相对的”这样一个结论.为什么在日常生活中没有人觉察到这种相对性？原来，火车运动的速度远远小于光速，光从车厢中央传播到前后两壁的短暂时间内，火车前进不了多大距离，因此地面观察者不会发现闪光到达前壁、后壁的时间差.时间和空间的相对性时间间隔的相对性经典物理学认为，某两个事件，在不同的惯性系中观察，它们发生的时间差，也就是它们的时间间隔，总是相同的.但是，从狭义相对论的两个基本假设出发，我们会看到，时间间隔是相对的.还以高速火车为例，假设车厢地板上有一个光源，发出一个闪光.对于车上的人来说，闪光到达光源正上方h高处的小镜后被反射，回到光源的位置，往返所用的时间为△t′.对于地面的观察者来说，情况有所不同.从地面上看，在光的传播过程中，火车向前运动了一段距离，因此被小镜反射后又被光源接收的闪光是沿路径AMB传播的光.如果火车的速度为v，地面观察者测得的闪光从出发到返回光源所用时间记为△t，那么应用勾股定理可得这又是一个令人吃惊的结论：关于闪光从光源出发，经小镜反射后又回到光源所经历的时间，地面上的人和车上的人测量的结果不一样，地面上的人认为这个时间长些.更严格的推导表明，（1）式具有普遍意义，它意味着，从地面上观察，火车上的时间进程变慢了，由于火车在运动，车上的一切物理、化学过程和生命过程都变慢了：时钟走得慢了，化学反应慢了，甚至人的新陈代谢也变慢了……可是车上的人自己没有这种感觉，他们反而认为地面上的时间进程比火车上的慢，因为他们看到，地面正以同样的速度朝相反的方向运动！式又一次生动地展示了时间的相对性.长度的相对性在这一小节中我们将要说明，高速火车上的一个杆，当它的方向和运动方向平行时，地面上的人测得的杆长要小于火车上的人测得的杆长！假设一个杆沿着车厢运动的方向固定在火车上，和车一起运动.在火车上的人看来，杆是静止的.他利用固定在火车上的坐标轴，测出杆两端的位置坐标，坐标之差就是他测出的杆长L′.地面上的人要利用固定在地面上的坐标轴，测出杆两端的位置坐标，坐标之差就是他测出的杆长L.可是，对于地面上的人，杆是运动的，要使这种测量有意义，他必须同时测出杆两端的位置坐标；如果在某一时刻测出杆一端的位置坐标，在另一时刻测出另一端的位置坐标，坐标之差就不能代表杆长了.火车上的人和地面上的人各自用上述方法测量随车运动的杆长，结果发现，L′＞L.他们两人的测量都是符合测量要求的，但测量结果不同，这跟同时的相对性有关.地面上的人认s为同时的两个事件（同时对A、B两端读数），火车上的人认为不是同时的.火车上的人认为，地面上的人对B端的读数早些，对A端的读数迟些，在这个时间内杆向前运动了一段距离，因而地面上的人测得的杆长比较短.2t τ=⎛式具有普遍意义，也就是说，一个杆，当它沿着自身的方向相对于测量者运动时，测得的长度比它静止时的长度小，速度越大，差别也越大.这就是我们所说的空间的相对性.当杆沿着垂直于自身的方向运动时，测得的长度和静止时一样.可以想像这样一幅图景：一列火车以接近光的速度从我们身边飞驶而过，我们感到车厢变短了，车窗变窄了……火车越快，这个现象越明显，但是车厢和车窗的高度都没有变化.车上的人有什么感觉呢？他认为车上的一切都和往常一样，因为他和火车是相对静止的.但是，他却认为地面上的景象有些异常：沿线的电线杆的距离变短了，面对铁路线的正方形布告牌由于宽度变小而高度未变竟成了窄而高的矩形……时空相对性的实验验证从l l =1）、2t τ=⎛（2）（两式可以看到，只有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.目前的技术还不能使宏观物体达到这样的速度，但是随着对微观粒子研究的不断深入，人们发现，许多情况下粒子的速度会达到光速的90％以上，时空的相对性应该是不可忽略的.事实正是如此.时至今日，不但狭义相对论的所有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.时空相对性的最早证据跟宇宙线的观测有关（1941年）.宇宙线是来自太阳和宇宙深处的高能粒子流，它和高层大气作用，又产生多种粒子，叫做次级宇宙线，它们统称宇宙线.次级宇宙线中有一种粒子叫做μ子，寿命不长，只有3.0μs ，超过这个时间后大多数μ子就衰变为别的粒子了.宇宙线中μ子的速度约为0.99c ，所以在它的寿命之内，运动的距离只有约890m.μ子生成的高度在100km 以上，这样说来宇宙线中的μ子不可能到达地面.但在实际上，地面观测到的宇宙线中有许多μ子，这只能用相对论来解释.我们说μ子的寿命为3.0μs ，这是在与它相对静止的参考系中说的.从地面参考系看，μ子在以接近光速的速度运动，根据（l ）式，它的寿命比3.0μs 长得多，在这样长的时间内，许多μ子可以飞到地面.如果观察者和μ子一起运动，这个现象也好解释.这位观察者看到，μ子的寿命仍是3.0μs，但是大地正向他扑面而来，因此大气层的厚度不是100km，由于长度的相对性，在他看来大气层比100km薄得多，许多μ子在衰变为其他粒子之前可以飞过这样的距离.相对论的第一次宏观验证是在1971年进行的.当时把铯原子钟放在喷气式飞机上作环球飞行，然后与地面上的基准钟对照.实验结果与理论预言符合得很好.相对论的时空观什么是时间？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好像一个大盒子（一个没有边界的盒子），它是物质运动的场所.至于某一时刻在某一空间区域是否有物质存在，物质在做什么样的运动，这些对于空间本身没有影响，就像盒子里是否装了东西对于盒子的性质没有影响一样.时间与此相似，它在一分一秒地流逝，与物质的运动无关.换句话说，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.相对论则认为有物质才有空间和时间，空间和时间与物质的运动状态有关.前面已经看到，在一个确定的参考系中观察，运动物体的长度（空间距离）和它上面物理过程的快慢（时间进程）都跟物体的运动状态有关.我们生活在低速运动的世界里，因此自然而然地接受了经典的时空观，过去谁都未曾有意识地考虑过空间与时间的性质.只有当新的实验事实引出的结论与传统观念不一致时，人们才回过头来认真思考过去对于空间和时间的认识.科学的发展和人对于自然界的认识就是这样一步一步地前进的.新科学没有全盘否定经典物理学，经典物理学建立在实验的基础上，它的结论又受到无数次实践的检验.虽然相对论更具有普遍性，但是经典物理学作为它在低速运动时的特例，在自己的适用范围内还将继续发挥作用.仍以高速火车为例.设车对地面的速度为v，车上的人以速度u′沿着火车前进的方向相对火车运动，那么他相对地面的速度u为正值，如果车上人的运动方向与火车的运动方向相反，则u′取负值.这两个速度的方向垂直或成其他角度时，（1）式不适用，这种情况不做讨论.按照经典的时空观，u=u′+v.而从（1）式来看，实际上人对地面的速度u比u′与v之和要小，不过只有在u′和v的大小可以与c相比时才会观察到这个差别.从（1）式还可以看出，如果u′和v都很大，例如十分接近光速，它们的合速度也不会超过光速，也就是说，光速是速度的极限.此外，当u′=c时，不论v取什么值，总有u=c，这表明，从不同参考系中观察，光速都是相同的，这和相对论的第二个假设一致.教学反思。

物理选修3-4课件：15-1、2相对论的诞生

(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。
二、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同__时___的。
(2)参考系O′相对于参考系O以速度v向右运动时，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向左运动时，人看到的光速又是多少？
解析：根据狭义相对论的光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。因此三种情况下，人观察到的光速都是c。
间隔为
t＝vd＝21.2×4×101－018 s＝4.5×10－10 s
根据时间延缓效应t＝
t0 1－vc22
t0＝t 1－vc22＝4.5×10－10× ＝3.0×10－10 s。
答案：3.0×10－10 s
1－23..204××11008822 s
应用相对论“效应”解题的一般步骤首先，应该通过审题确定研究对象及研究对象的运动速度。其次，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。最后，应用“尺缩效应公式”或“时间延缓效应公式”进行计算。
答案：(1)c (2)c (3)c
光速不变原理的理解 (1)真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的。 (2)迈克耳孙——莫雷实验证明光速不变原理是正确的。
要点二时间和空间的相对性
一、时间和空间的相对性 1．“同时”的相对性 (1)经典的时空观：同时是绝对的，即如果两个事件在一个参考系中被认为是同时的，在另一个参考系中一定也被认为是同时的。

高中物理选修3-4 第十五章第1节相对论的诞生

但是实验现象表明，不论光源和观察者做怎样的相对运动，光速都是恒定的．
v
光速＝ c
光速＝ c v
在电磁学领域里，相对性原理遇到了麻烦，这个麻烦与光速有关。经典力学的速度合成法则、相对性原理、电磁场理论，三者间出现不和谐。
由于受牛顿绝对空间和绝对时间的观念长期支配的影响，物理学界中多数人认为在绝对空间中充满着以太，麦克斯韦方程仅在相对于绝对空间静止的以太这一特殊惯性系中成立。于是，在地球这个相对于绝对空间运动的系统中，麦克斯韦方程仅近似成立。1861年麦克斯韦把光看成是一种以波的形式通过以太传播的电磁扰动。以太理论达到顶峰。
与黑体辐射有关
量子理论诞生
与光速问题有关
相对论诞生
正是这两朵小小的乌云，冲破了经典物理学的束缚，打消了当时绝大多数物理学家的盲目乐观情绪，为后来建立近代物理学的理论基础作出了贡献。
一、经典的相对性原理
1、惯性系：牛顿运动定律成立的参考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。
从伽利略变换可得出三条结论：
1. 同时性是绝对的 t t ，在S系中同时发生的
两事件，在所有其他惯性系中也是同时的.
2. 长度测量是绝对的 L x x L
两事件的空间间隔 x，在所有惯性系中的
测量结果都相同。
3. 时间测量是绝对的 t t
先后发生的两个事件时间 t，在所有惯性系中
的测量结果都相同。
干涉条纹移动数 N 2 2l v 2 c
1881年迈克耳孙干涉仪的实验精度
△N=0.01
实验中采用的数据大致如下：
l 1.2m
5.9107 m
v 30km/s N 0.04
没有观测到条纹的移动 1887年迈克耳孙和莫雷合作改进了干涉仪，

1相对论的诞生-人教版选修3-4教案

相对论的诞生-人教版选修3-4教案一、教学目标1. 知识与技能•理解相对论的概念、内容和物理意义；•掌握质能关系式的概念、推导和使用；•能根据特定条件分析相对论效应、解决相关物理问题。

2. 过程与方法•知道寻求解决问题的方法和策略；•能够在课堂上积极主动地参与讨论、实验和探究；•学会运用逻辑推理和思维方法探究物理问题。

3. 情感态度和价值观•了解相对论的科学性、艰深性和实践意义；•培养对科学的探究精神和思辨能力；•建立科学的人生观、世界观和价值观。

二、教学重点•相对论的概念、内容和物理意义；•质能关系式的概念、推导和使用。

三、教学难点•相对论效应的分析和相关物理问题的解决。

四、教学方法1. 课前导学通过授课和引导学生们预习相对论的相关内容，理解相对论的历史背景和思想发展的必然性，使学生们在课堂上更好地理解概念和实践意义。

2. 案例分析引导学生们探究相对论效应的相关物理问题，通过探讨速度、加速度、能量和质量的变化等概念，自主探索物理现象并且推导出相应的结论。

3. 实验探究引导学生们通过现实观测相对论效应的实验，进一步感受并深入理解相对论科学的深刻内涵和思想方法，培养类比、推理的科学思维能力。

五、课程设计时间教学过程第1-2课时导入和预习第3-4课时相对论效应的描述和分析第5-6课时相对论效应相关问题的解决1第7-8课时相对论效应相关问题的解决2第9-10课时实验探究第11-12课时质能关系式的推导和使用第13课时讨论和总结六、课后作业1. 阅读相关文献，进一步了解相对论和质能关系式的研究现状和最新成果。

2. 了解并探究相关的物理现象和问题，进一步加深对相对论的理解和应用。

七、评价方式通过课堂参与、个人任务和小组合作评价等形式进行考核，以身体力行的课外探究作为评价的重要参考依据，做到科学、公平、公正的标准。

八、教学反思通过课堂实践和科学探究，我深切体会到了“教学相长”的道理，不但加深了对知识的理解和应用，更实现了对教学方法和策略的探究和创新。