物理人教版选修3-4课堂互动第十五章 1.相对论的诞生2.时间和空间的相对性含解析

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人教版高中物理选修3-4第十五章第一、二节相对论的诞生、时间和空间的相对性知能演练轻松闯关

高中物理学习材料金戈铁骑整理制作1．牛顿运动定律不．适用下列哪些情况( ) A ．研究原子核外部电子绕核运动的情况B ．研究“神舟”十号的升空过程C ．研究地球绕太阳公转D ．研究超音速飞机的运动解析：选A.经典力学不适用于微观世界，故A 错误；B 、C 、D 三个选项中，各种运动的速率都是比较大的，但相对于光速来说都是低速运动，完全可以用牛顿运动定律研究其规律，故选A.2．关于狭义相对论的说法，不．正确的是( ) A ．狭义相对论认为在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的B ．狭义相对论认为在一切惯性系中，光在真空中的速度都等于c ，与光源的运动无关C ．狭义相对论只涉及无加速运动的惯性系D ．狭义相对论任何情况下都适用解析：选D.由狭义相对论的两个基本假设可知，A 、B 均正确，狭义相对论只涉及无加速运动的惯性系(广义相对论则涉及有加速运动的惯性系)，故C 正确、D 错误．3．在一惯性系中观测，有两个事件同时不同地，则在其他惯性系中观察，结果是( )A ．一定同时B ．可能同时C ．不可能同时，但可能同地D ．不可能同时，也不可能同地解析：选B.两个相对静止的惯性系观测结果相同，其他则不同，故B 正确．4．(2013·南通中学高二检测)用相对论的观点判断，下列说法不．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 ．在地面上的人看来，高速运动的飞船中的时钟会变慢，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，高速运动的飞船在运动方向上会变窄，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 ≪c 时，“时间膨胀”和“长度收缩”效果可忽略不计解析：选A.时间和空间都是相对的，故选项A 的说法错误；根据“时间膨胀”和“长度收缩”效应，选项B 、C 的说法正确；当速度v ≪c 时，1－⎝⎛⎭⎫v c 2≈1，所以“时间膨胀”和“长度收缩”效应可忽略不计，故选项D 说法正确．5．(2013·高考江苏卷)如图所示，两艘飞船A 、B 沿同一直线同向飞行，相对地面的速度均为v (v 接近光速c )．地面上测得它们相距为L ，则A 测得两飞船间的距离________(选填“大于”“等于”或“小于”)L .当B 向A 发出一光信号，A 测得该信号的速度为________．解析：根据长度的相对性得L ＝L 01－⎝⎛⎭⎫v c 2 所以A 测得两飞船间的距离L 0＝L 1－⎝⎛⎭⎫v c 2 >L . 根据狭义相对论的基本假设，光信号的速度为光速c .答案：大于 c (或光速)。

物理人教版高二选修3-4互动课堂_第十五章_1.相对论的诞生

互动课堂疏导引导1.狭义相对论的两个假设(1)爱因斯坦相对性原理: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相同.这两个假设是麦克尔逊的直接结论,但由于是有限的几次实验的结论,还要大量的实验来证明,还要经过逻辑推理的大量推论来验证才能成为真正的原理.2.两个相对性原理的区别对于伽利略相对性原理来说,参考系中的坐标单位与参考系的运动无关;参考系中的时间与参考系的运动无关.其速度合成规律应满足v=v′+u,v′是某个惯性系相对另一个惯性系的速度,u 是物体相对某个惯性系的速度,那么,物体相对另一个惯性系的速度为v=v′+u.以此类推,若u 是光速c,则在某个惯性系的光速相对于另一个惯性系的速度为v=v′+c.那么,光速是可以变大或变小的(在真空中).对于狭义相对论的相对性原理来说,力学规律对惯性系来说都是相同的,但是光速是不变的.由于光速是不变的,造成了与经典理论一些不同的结论.这些结论在低速的世界里是不易搞清的,但从天体的物理现象中却得到了证实.活学巧用1.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.其中哪些说法是正确的( )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.光速不变原理认为:光在真空中沿任何方向的传播速度都是相同的.答案:D2.证明光速不变原理.思路解析:设在K 系中有一束光沿某一方向(这里不妨取x 轴方向)以速度c 传播,即v λ=c,则按洛伦兹速度变换公式.此光束在K′中的传播速度为v λ′=c c cv v c c v v v =--=--2211λ,亦即在别的惯性系中观察到真空中的光速亦为c,符合光速不变原理.。

2020-2021学年高中物理人教版选修3-4：15.1-2 相对论的诞生时间和空间的相对性

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．
【例 1】关于狭义相对论，下列说法不正确的是( ) A．狭义相对论认为在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的 B．狭义相对论认为在一切惯性系中，光在真空中的速度都等于 c，与光源的运动无关 C．狭义相对论只涉及无加速度运动的惯性系 D．狭义相对论任何情况下都适用
要点一经典的相对性原理与狭义相对论 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．
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 高速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．
3．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，即与物质的运动无关．
(2)狭义相对论时空观：空间和时间与物质运动状态有关．
ห้องสมุดไป่ตู้
提醒：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．

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

答案不是t，他认为这个时间比t长
答案
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＝l0 1－vc2代入相应的数据解得：l＝ 100× 1－0.62 km＝80 km.
1234
解析答案
3.(空间的相对性)惯性系S中有一边长为l的正方形(如图 5所示).从相对S系沿x轴方向以接近光速匀速飞行的飞行器上测得此正方形的图形是
图5
√
1234
解析答案
4.(时间的相对性)如图6所示，A、B、C是三个完全相同的时钟，A放在地面上，B、C分别放在以速度vB和vC朝同一方向飞行的两枚火箭上，且vB ＜vC.地面上的观察者认为哪个时钟走得最慢？哪个时钟走得最快？
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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1.(经典相对性原理)以下说法中正确的是 A.经典物理中的速度合成公式在任何情况下都是适用的 B.经典物理规律也适用于高速运动的物体 C.力学规律在一个静止的参考系和一个匀速运动的参考系中是不等价的
√D.力学规律在任何惯性系里都是等价的
解析在所有惯性系中，一切力学规律都是等价的，故D正确，C错误；经典物理规律是狭义相对论在低速状态下的一个近似，所以经典物理规律只适用于低速运动的物体，而经典物理中的速度合成公式也只适用于低速情况，故A、B均错误.
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人教版高中物理选修3-4同步学习第15章相对论简介 1相对论的诞生 2时间和空间的相对性77

1相对论的诞生 2时间和空间的相对性记一记相对论的诞生时间和空间的相对性1个理论——狭义相对论2个假设——狭义相对性原理、光速不变原理2个相对性——时间和空间的相对性辨一辨1.静止或匀速直线运动的参考系是惯性系．(√)2．由于在任何惯性系中力学规律都是相同的,因此,研究力学问题时可以选择任何惯性系．(√) 3．在不同的惯性系中,光速是不相同的．(×)4．在一个惯性系内进行任何力学实验都不能判断它是否在相对另一个惯性系做匀速直线运动．(√) 5．在狭义相对论时空观中空间和时间与物质的运动状态无关．(×)想一想1.运动的时钟变慢是不是因为时钟的构造因运动而发生了改变？提示：运动的时钟变慢是在两个不同的惯性系中进行时间比较的一种效应,不是因为时钟的结构或精度因运动而发生了改变．2．尺子沿任何方向运动其长度都缩短吗？提示：尺子沿其长度方向运动时缩短,在垂直于运动方向长度不变．思考感悟：练一练1.有下列几种说法：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①②是正确的B．只有①③是正确的C．只有②③是正确的 D．三种说法都是正确的解析：狭义相对论认为,物体所具有的一切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循的物理规律却是相同的,即①②都正确．光速不变原理认为,在不同的惯性参考系中,一切物理定律都是相同的,即光在真空中沿任何方向的传播速度都相同．答案：D2．以下说法中正确的是( )A．经典物理中的速度合成公式在任何情况下都是适用的B．经典物理规律也适用于高速运动的物体C．力学规律在一个静止的参考系和一个匀速运动的参考系中是不等价的D．力学规律在任何惯性系里都是等价的解析：经典物理规律适用低速宏观的物体,A、B两项错误；由伽俐略相对性原理可判断,C项错误,D 项正确．答案：D3．下列判断正确的是( )A．“电磁波的速度是c”是相对于地球而言的B．“电磁波的速度是c”是相对于某一特殊参考系而言的C．真空中的光速在不同参考系中都是相同的D．以上说法都不对解析：由狭义相对性原理可判断C项正确．答案：C4．如果有一列火车,以很高的速度运动,车窗沿运动方向为长,垂直运动方向为宽,根据相对论的知识,地面上的人发现( )A．火车窗口比静止时要长 B．火车窗口比静止时要短C．火车窗口比静止时要宽 D．火车窗口比静止时要窄解析：由于尺缩效应,在运动的方向上,长度要缩短,所以车窗的长度比静止时要短,但是与运动方向垂直的宽不会变化,故B项正确．答案：B5．下列说法正确的是( )A．电磁波不能产生衍射现象B．电磁波和机械波都只能在介质中传播C．根据多普勒效应可以判断遥远天体相对于地球的运动速度D．光在真空中运动的速度在不同惯性系中测得的数值可能不同解析：干涉和衍射是波特有的性质,电磁波也可以发生衍射现象,故A项错误；电磁波可以在真空中传播,故B项错误；由于波源与接受者的相对位移的改变,而导致接受频率的变化,称为多普勒效应,所以可以判断遥远天体相对于地球的运动速度,故C项正确；根据光速不变原理,知在不同惯性系中,光在真空中传播速度大小相等,故D项错误．答案：C要点一相对性原理与两个基本假设1.(多选)关于狭义相对论的两个假设,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解析：根据狭义相对论的两个基本假设,A、C两项正确．答案：AC2．(多选)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也是惯性参考系解析：根据狭义相对论原理,在不同的惯性参考系中一切物理定律都是相同的,故A、C、D三项正确．答案：ACD3．属于狭义相对论基本假设的是：在不同的惯性系中( )A．真空中光速不变B．时间间隔具有相对性C．物体的质量不变D．物体的能量与质量成正比解析：狭义相对论的两条假设分别是：在任何惯性系中真空中的光速不变和一切物理规律相同,故A项正确．答案：A4．在地面附近有一高速飞行的火箭,关于地面上的观察者和火箭中的工作人员观察到的现象,下列说法正确的是( )A．地面上的人观察到火箭变短了,火箭上的时间进程变慢了B．地面上的人观察到火箭变长了,火箭上的时间进程变慢了C．火箭中的工作人员观察到火箭的长度不变而时间进程却变化了D．地面上的人观察到火箭变长了,火箭上的时间进程变快了解析：根据狭义相对论的“尺缩效应”和“钟慢效应”可判断,A项正确．答案：A要点二时间和空间的相对性5.下列说法中不正确的是( )A．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B．一根沿自身长度方向运动的杆,其长度总比杆静止时的长度小C．一根杆的长度静止时为l0,不管杆如何运动,杆的长度均小于l0D．如果两根平行的杆在沿自己的长度方向上做相对运动,与它们一起运动的两位观察者都会认为对方的杆缩短了解析：若杆沿垂直于自身长度的方向运动,它的长度将不变．答案：C6．惯性系s中有一边长为l的正方形(如图所示),从相对s系沿x方向以接近光速匀速飞行的飞行器上测得该正方形的图象是( )解析：由相对论知识易得运动方向上的边长变短,垂直运动方向的边长不变,C项正确．答案：C7．能用来计时的钟表有多种,如图所示,从左到右依次为沙漏计时仪器、电子表、机械闹表、生物钟．由相对论的知识可知,物体的运动可以使得某一种计时仪器变慢,则也一定能使所有的计时仪器变得一样慢．则对上述表述理解正确的是( )A．正确,对各式计时仪器的影响一定相同B．错误,对各式计时仪器的影响不一定相同C．AB两个选项分别说明了两种不同情况下的影响D．以上答案均错误解析：根据爱因斯坦相对论的钟慢效应可知,若钟与观察者有相对运动,所有的钟都变慢,而且变慢的程度均相同,与钟的构造、原理无关,A项正确．答案：A8．(多选)A、B两架飞机沿地面上一足球场的长度方向在其上空高速飞过,且v A>v B,在飞机上的人观察结果正确的是( )A．A飞机上的人观察到的足球场的长度比B飞机上的人观察到的大B．A飞机上的人观察到足球场的长度比B飞机上的人观察到的小C．两飞机上的人观察到足球场的长度相同D．两飞机上的人观察到足球场的宽度相同解析：因为当一个惯性系的速度比较大时,根据l′＝l 01－v 2c 2,速度越大,l′越小．因为v A ＞v B ,所以l A ′＜l B ′. 答案：BD基础达标 1.(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c D ．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 解析：由狭义相对论可知：光速在不同惯性参考系中,总是相同的,故C 、D 两项正确．答案：CD2．(多选)下列关于经典力学的时空观,正确的是( )A ．经典力学的时空观中,同时是绝对的,即在一个参考系中的观察者在某一时刻观察到的两个事件,对另一参考系中的观察者来说也是同时发生的B ．在经典力学的时空观中,空间间隔是绝对的,即任何事件(或物体的运动)所经历的时间,在不同的参考系中测量都是相同的,而与参考系的选取无关C ．在经典力学的时空观中,时间间隔是绝对的,即如果各个参考系中用来测量长度的标准相同,那么空间两点距离是绝对的不变的量值,而与参考系选取无关D ．经典力学的时空观就是一个绝对的时空观,时间与空间、物体的运动无关解析：经典的时空观认为,时间、空间均是绝对的,与物体的运动状态无关,同时也是绝对的,即在一个参考系中同时发生的两个事件,在不同参考系中观察也是同时发生的,故A 、B 、C 、D 四项均正确．答案：ABCD3．假设甲在接近光速的火车上看地面上乙手中沿火车前进方向放置的尺,同时地面上的乙看甲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．甲看到乙手中的尺长度比乙看到自己手中的尺长度大B．甲看到乙手中的尺长度比乙看到自己手中的尺长度小C．乙看到甲手中的尺长度比甲看到自己手中的尺长度大D．乙看到甲手中的尺长度与甲看到自己手中的尺长度相同解析：K系认为静止在K′系中的尺收缩,反之,K′系认为静止在K系中的尺收缩．答案：B4．关于爱因斯坦的狭义相对论,下列说法正确的是( )A．狭义相对论的基本假设之一是光速不变原理B．有些运动物体相对于观察者的速度可以大于真空中的光速C．在地面参考系中,观察到在上海和北京同时有两个婴儿诞生,如果在沿北京—上海方向高速飞行的飞船上观测,他们也是同时诞生的D．对于不同的惯性系,物理规律(包括力学和电磁学的)都是不同的解析：在爱因斯坦的相对论中,它的两个假设是：(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,故A项正确,B、C、D三项错误．答案：A5．(多选)假设一列100 m长的火车以接近光速的速度穿过一根100 m长的隧道,它们的长度都是在静止状态下测量的,下列关于看到的现象判断正确的是( )A．相对隧道静止的观察者会看到,火车变短,在某些位置上,隧道能完全遮住它B．相对隧道静止的观察者会看到,隧道变短,在某些位置上,火车从隧道的两端伸出来C．相对火车静止的观察者会看到,火车变短,在某些位置上,隧道能完全遮住它D．相对火车静止的观察者会看到,隧道变短,在某些位置上,火车从隧道的两端伸出来解析：相对于隧道静止的观察者看到火车在运动,所以火车比隧道短,在某些位置火车会完全处在隧道内部,然而相对火车静止的观察者会看到隧道在运动,所以隧道比火车短,在某些位置火车两端都伸出隧道,A、D两项正确,B、C两项错误．答案：AD6．(多选)通常我们把地球和相对地面静止或做匀速直线运动的物体参考系看成是惯性系,若以下列系统为参考系,则属于非惯性系的有( )A．停在地面上的汽车B．绕地球做匀速圆周运动的飞船C．在大海上匀速直线航行的轮船D．进站时减速行驶的火车解析：“绕地球做匀速圆周运动的飞船”、“进站时减速行驶的火车”不是相对地面静止或做匀速直线运动的物体．答案：BD7．一艘大船在平静的大洋中匀速行驶,一个人在其密闭的船舱内向各个不同的方向做立定跳远实验,并想由此来判断船航行的方向,假设他每次做的功相同,下列说法正确的是( )A．如果向东跳得最远,则船向东行驶B．如果向东跳得最近,则船向东行驶C．他向各个方向跳的最大距离相同,不能由此判断船行方向D．他向各个方向跳的最大距离不同,但不能由此判断船行方向解析：由狭义相对论的相对性原理：在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的,所以这个人不能判断船行方向；根据功能关系,可判断他向各个方向跳的最大距离相同,故C项正确．答案：C8．话说有兄弟两个,哥哥乘坐宇宙飞船以接近光的速度离开地球去遨游太空,经过一段时间返回地球,哥哥惊奇地发现弟弟比自己要苍老许多,则该现象的科学解释是( )A．哥哥在太空中发生了基因突变,停止生长了B．弟弟思念哥哥而加速生长了C．由相对论可知,物体速度越大,在其上的时间进程就越慢,生理过程也越慢D．这是神话,科学无法解释解析：根据相对论的时间延缓效应,当飞船速度接近光速时,时间会变慢．时间延缓效应对生命过程、化学反应等也是成立的．飞船运行的速度越大,时间延缓效应越明显,人体的新陈代谢越缓慢．答案：C9．图示是一个边长为1 m的正方体木箱,现在让这个正方体木箱沿水平方向匀速向右运动,运动速度很大,为0.99c,那么这个木箱看上去应该是( )A．边长不相等的长方体B．边长都缩短的正方体C．近似一块薄木板D．以上说法都不对解析：由于木箱运动得很快,速度已经接近光速,所以在沿着运动方向上的尺缩效应很明显,而其他两个方向上没有尺缩效应,看上去应该是一块薄木板．答案：C能力达标10.(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：经典物理学认为空间和时间是脱离物质存在的,是绝对的,空间与时间之间是没有联系的,在相对论中,时间和空间是和物质的运动相联系的,只有在物质存在时才有空间和时间的概念,时间和空间是相互联系且是相对的．C、D两项正确．答案：CD11．(多选)设某人在速度为0.5c的飞船上打开一个光源,则下列说法正确的是( )A．飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为1.5cB．飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为0.5cC．在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是cD．在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c解析：根据狭义相对论的“光速不变原理”可知,真空中的光速在不同的惯性系中都是相同的,所以真空中的光速相对于飞船的速度为c,相对于地面的速度也为c.C、D两项正确．答案：CD12．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．以下叙述中最好地描述了梭镖穿过管子情况的是( )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D．所有这些都与观察者的运动情况有关解析：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,故D项正确,A、B、C三项错误．答案：D13．甲、乙两人站在地面上时身高都是L 0,甲、乙分别乘坐速度为0.6c 和0.8c(c 为光速)的飞船同向运动,如图所示．此时乙观察到甲的身高L________L 0；若甲向乙挥手,动作时间为t 0,乙观察到甲动作时间为t 1,则t 1________t 0.(均选填“＞”“＝”或“＜”)解析：在垂直于运动方向上长度不变,则有L ＝L 0；根据狭义相对论的时间延缓效应可知,乙观察到甲的动作时间变长,即t 1＞t 0.答案：＝＞14．远方的一颗星以0.8c 的速度离开地球,测得它辐射出来的闪光按5昼夜的周期变化,求在此星球上测其闪光周期为多长？解析：因为Δt＝Δτ1－⎝ ⎛⎭⎪⎫v c 2,所以Δτ＝Δt 1－⎝ ⎛⎭⎪⎫v c 2,Δt＝5昼夜,v ＝0.8c, 代入数据解得Δτ＝5×1－0.82＝3昼夜．答案：3昼夜。

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3-4-15-相对论简介

第十五章相对论简介教学目的：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：一、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：在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（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（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（如图甲），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（图乙）.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！（１）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.（2）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）、（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.狭义相对论的其他三个结论我们不做推导而直接引入狭义相对论的三个重要结论.相对论速度叠加公式仍以高速火车为例.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.相对论质量按照牛顿力学，物体的质量是不变的，因此一定的力作用在物体上，产生的加速度也是一定的，这样，经过足够长的时间以后物体就可以达到任意大的速度.但是相对论的速度叠加公式告诉我们，物体的运动速度不能无限增加.这个矛盾启发我们思考：物体的质量是否随物体的速度而增大？严格的论证证实了这一点.实之间有如下关系：际上，物体以速度v运动时的质量m和它静止时的质量m微观粒子的运动速度很高，它的质量明显地大于静止质量，这个现象必须考虑.例如，回旋加速器中被加速的粒子，在速度增大后质量增大，因此做圆周运动的周期变大，它的运动与加在D形盒上的交变电压不再同步，所以回旋加速器中粒子的能量受到了限制.质能方程相对论另一个重要结论就是大家已经学过的爱因斯坦质能方程：E = mc（3）2它表达了物体的质量和它所具有的能量的关系.物体运动时的能量E和静时有以下近似关系于是知道：这就是过去熟悉的动能表达式.这个结果又一次让我们看到，牛顿力学是相对论力学在v<<c时的特例.。

高中物理人教版选修3-4教学案：第十五章第1、2节相对论的诞生时间和空间的相对性含解析

第1、2节相对论的诞生__时间和空间的相对性1.爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的；真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的。

2．时间和空间的相对性：“动尺变短”、“动钟变慢”。

一、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: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 )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是同时的。

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,其长度总比杆静止时的长度小。

设相对于杆静止的观察者认为杆的长度为l 0,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 、l 0、v 的关系是l ＝l 01－⎝⎛⎭⎫v c 2。

1、自主思考——判一判( 1 )静止或匀速直线运动的参考系是惯性系。

( √ )( 2 )由于在任何惯性系中力学规律都是相同的,因此,研究力学问题时可以选择任何惯性系。

( √ )( 3 )在不同的惯性系中,光速是不相同的。

( × )( 4 )在一个惯性系内进行任何力学实验都不能判断它是否在相对另一个惯性系做匀速直线运动。

( √ )( 5 )在狭义相对论时空观中空间和时间与物质的运动状态无关。

人教版高中物理选修3-415.1相对论的诞生、15.2时间和空间的相对性教学案

1相对论的诞生2时间和空间的相对性能说出狭义相对论)相对论的诞生[先填空]1．经典的相对性原理(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参考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．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．[再判断]1．静止或匀速直线运动的参考系是惯性系．(√)2．由于在任何惯性系中力学规律都是相同的，因此，研究力学问题时可以选择任何惯性系．(√)3．在不同的惯性系中，光速是不相同的．(×)[后思考]1．牛顿运动定律的适用条件是什么？【提示】宏观物体、低速运动和惯性参考系．2．伽利略的相对性原理与狭义相对性原理有什么不同？【提示】伽利略的相对性原理认为力学规律在任何惯性系中是相同的；狭义相对性原理认为在不同惯性系中一切物理规律都是相同的．[核心点击]1．惯性系和非惯性系牛顿运动定律能够成立的参考系，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，即任何惯性参考系都是平权的．3．相对性原理与电磁规律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．迈克耳孙—莫雷实验证明：不论光源和观察者做怎样的相对运动，光速都是相同的．4．迈克耳孙—莫雷实验(1)实验背景：根据麦克斯韦的电磁理论可以直接得到真空中电磁波的速度，并不需要初始条件，也就是说，“电磁波的速度是c”，这本身就是电磁规律的一部分，而不是电磁规律应用于某个具体事物的结论．于是，问题出现了：麦克斯韦的电磁理论相对哪个参考系成立？如果它相对参考系S是正确的，另外还有一个参考系S′，S′相对于S以速度v运动，那么光相对于S′的速度应该是(c－v)而不是c，好像电磁规律不是对任何惯性系都一样．(2)实验结论：不论光源与观察者做怎样的相对运动，光速都是一样的．1．假设有一天某人坐在“神舟”号飞船上，以0.5c的速度遨游太空，当他打开一个光源时飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为________，飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为________，在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是________．【解析】根据狭义相对论的假设，真空中的光速相对于不同的惯性参考系是相同的，即在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c.【答案】c c c2．如图15-1-1所示，思考以下几个问题：(光速用c表示)图15-1-1(1)若参考系O ′相对于参考系O 静止，人看到的光速应是多少？(2)若参考系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)若参考系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？【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 .【答案】 (1)c (2)c (3)c1．爱因斯坦提出的两条基本假设是相对论的基础，对同时的相对性等经典力学所无法解决的问题，应紧紧抓住两条基本假设这一关键点来解决．2．真空中对不同的惯性参考系来说，光速都是相同的．3．经典力学的结论是有一定局限性的，一般只适用于宏观物体的低速运动．时间和空间的相对性[先填空]1．“同时”的相对性(1)经典时空观：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)相对论时空观：“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可能不是同时的．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，其长度总比静止长度小，但在垂直于杆的运动方向上，杆的长度没有变化．(3)相对长度公式：设相对于杆静止的观察者认为杆的长度为l 0，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 、l 0、v 的关系是：l ＝l 01－⎝⎛⎭⎫v 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)相对论的时空观：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，惯性系速度越大，惯性系中的时间进程进行得越慢．非但如此，惯性系中的一切物理、化学过程和生命过程都变慢了．(3)相对时间间隔公式：设Δτ表示静止的惯性系中观测的时间间隔，Δt 表示以v 高速运动的参考系中观察同样两事件的时间间隔，则它们的关系是：Δt ＝Δ τ1－⎝⎛⎭⎫v c 2.[再判断]1．根据相对论的时空观，“同时”具有相对性．(√)2．相对论时空观认为，运动的杆比静止的杆长度变大．(×)3．高速飞行的火箭中的时钟要变慢．(√)[后思考]1．尺子沿任何方向运动其长度都缩短吗？【提示】尺子沿其长度方向运动时缩短，在垂直于运动方向长度不变．2．以任何速度运动，时间延缓效应都很显著吗？【提示】不是．当u →c 时，时间延缓效应显著；当u ≪c 时，时间延缓效应可忽略．[核心点击]1．“动尺缩短”狭义相对论中的长度公式l ＝l 01－⎝⎛⎭⎫v c 2中，l 0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．2．“动钟变慢”时间间隔的相对性公式Δ t ＝Δτ1－⎝⎛⎭⎫v c 2中，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 高速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．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．3．某宇航员要到离地球5光年的星球上去旅行，如果希望把这路程缩短为3光年，则他所乘飞船相对地球的速度为________．【解析】由l ＝l 01－⎝⎛⎭⎫v c 2得，3＝51－⎝⎛⎭⎫v c 2，解得v ＝0.8c . 【答案】 0.8c 4．用相对论的观点判断，下列说法正确的是( )【导学号：23570153】A ．时间是绝对的，空间是相对的B ．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C ．在地面上的人看来，高速运动的飞船中的时钟会变慢，但是飞船中的宇航员却看到时钟是准确的D ．在地面上的人看来，高速运动的飞船在运动方向上会变窄，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E ．当物体运动的速度v ≪c 时，“时间膨胀”和“长度收缩”效应可忽略不计【解析】时间和空间都是相对的，故选项A 、B 的说法错误；根据“时间膨胀”和“长度收缩”效应，选项C 、D 的说法正确；当速度v ≪c 时，1－⎝⎛⎭⎫v c 2≈1，所以“时间膨胀”和“长度收缩”效应可忽略不计，故选项E 说法正确．【答案】 CDE5．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？【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－⎝⎛⎭⎫v c 2代入相应的数据解得：l ＝100×1－0.62 km ＝80 km. 【答案】 100 km 80 km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．。

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。

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′。

高中人教版物理选修3-4课件：第十五章 1 相对论的诞生 2 时间和空间的相对性

探究一
探究二
课前篇自主预习
课堂篇探究学习
课堂篇探究学习
当堂检测
名师精讲
1.惯性系和非惯性系
(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。牛
顿定律成立的这个参考系是惯性参考系,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
世界情景的差异
4.了解经典时空观与
相对论时空观的主
要区别,体会相对论
时空观的建立对人
类认识世界的影响-2-VIP特权福利
1
2
特权说明
相对论的诞生
VIP用户有效期内可使用VIP专享文档下载特权下载或阅读完成VIP专享文档（部分VIP专享文档由于上传者设置不可下载只能
课前篇自主预习
课堂篇探究学习
(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。
光的传播速度与惯性系的选取无关。
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相对论的诞生
时间和空间的相对性
探究一
探究二
课前篇自主预习
课堂篇探究学习
课堂篇探究学习
当堂检测
典例剖析
例题1关于经典力学的时空观与相对论的时空观,下列说法正确
不等价的
D.力学规律在任何惯性系里都是等价的
解析:在所有惯性系中,一切力学规律都是等价的,故选项D正确,
选项C错误;经典物理规律是狭义相对论在低速状态下的一个近似,
所以经典物理规律只适用于低速运动的物体,而经典物理中的速度
合成公式也只适用于低速情况,故选项A、B均错误。
答案:D

人教版高中物理课件：选修3-4+15.1《相对论的诞生%2B时间空间的相对性》+(共32张PPT)

播放视频《1》《2》
对于车厢内的人：
2h 对于车厢内的人： t 0 c
2h 对于车厢内的人： t 0 c
对于车厢外的人：
2h 对于车厢内的人： t 0 c
对于车厢外的人：
2h 对于车厢内的人： t 0 c
对于车厢外的人：
h
2h 对于车厢内的人： t 0 c
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。
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：
三、狭义相对论的两个基本假设
三、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，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是相同的，光速与光源、观察者间相对运动没有关系。
【思考与讨论】（课本P108）
【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
Байду номын сангаас
动尺变短（空间收缩效应）
Y O
Y
A x1
S l
u
B X
X
S
O
【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。

新人教版高中物理选修3-4同步课件：第十五章第1、2节相对论的诞生时间和空间的相对性

高中同步新课标·物理
高中同步新课标·物理
1.惯性系和非惯性系牛顿运动定律能够成立的参考系，这个参考系就叫做惯性系，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。
高中同步新课标·物理
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。 3．相对性原理与电磁规律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。迈克耳孙—莫雷实验证明：不论光源和观察者做怎样的相对运动，光速都是相同的。
高中同步新课标·物理
解析：选 D 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，选项 A 错误；根据狭义相对论的光速不变原理，易知选项 B、C 错误，D 正确。
高中同步新课标·物理
3．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
高中同步新课标·物理
①[判一判] 1．静止或匀速直线运动的参考系是惯性系(√ ) 2．由于在任何惯性系中力学规律都是相同的，因此，研究力学问题时可以选择任何惯性系(√ ) 3．在不同的惯性系中，光速是不相同的 (×) 4．在一个惯性系内进行任何力学实验都不能判断它是否在相对另一个惯性系做匀速直线运动(√ )
高中同步新课标·物理
解析：地面上测得距离为 L，由长度相对性可知 L＝L0 1－vc 2(L0 为两飞船相对静止时的距离)，所以 L＜L0；由光速不变原理知，A 测得该信号的速度为 c。
答案：大于 c(或光速)
高中同步新课标·物理
5．设有宇宙飞船 A 和 B，固有长度均为 L0＝100 m，沿同一方向匀速飞行，在飞船 B 上观测到飞船 A 的船头、船尾经过飞船 B 的船头的时间间隔为35×10－6 s，求飞船 B 相对飞船 A 的速度的大小。已知真空中光速为 c。

高中物理第15章第1、2节相对论的诞生时间和空间的相对性课件新人教版选修34

第十七页，共42页。
特别提醒：如何判断一个参考系是惯性参考系还是非(shìfēi)惯性参考系？我们通常选大地是惯性参考系，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(shìfēi)惯性参考系。
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2014年8月3日，云南鲁甸发生地震灾害，武警总队特派一飞机前往，飞机在某高空做匀速直线运动，投放(tóufàng)一包救急物品，灾民看到物品做曲线运动，飞行员看到物品做自由落体运动，物品刚好落在灾民救济处，根据经典时空观，则下列说法正确的是( )
第三十二页，共42页。
时间(shíjiān)间隔的相对性
假如一对孪生兄弟 A 和 B，其中 B 乘坐速度为 v＝0.9c 的火箭飞往大角星，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，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，他们的年龄各有多大？
A．飞机为非惯性参考系 B．飞机为惯性参考系 C．灾民为非惯性参考系 D．灾民为惯性参考系
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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(niú dùn)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(niúdùn)运动定律，D也对。
义相对论中的时间膨胀。
第二十二页，共42页。
3．理解要点 (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 (chángduǎn)及空间的尺寸，是没有任何意义的。