人教版高中物理选修3教案 相对论的诞生 时间和空间的相对性

图示是目前世界上最为豪华的游轮之一。如果游轮在平静的海面上匀速前行,而你在游轮最底部的船舱内,看不到外面的大海和任何游轮之外的物体,你有什么方法能够得知轮船是在海面上匀速前进还是静止?

是的,在轮船没有加速度时,由于我们没有参考系(在船舱底部),所以无法判断轮船到底是匀速前进还是静止,只有具有加速度时我们才能够判断。对于惯性参考系来讲,一切物理规律都是等价的,只是它们的初始状态不同,这就是相对论的开始。怎么样?相对论没有你想象的那么难吧!

课时15.1相对论的诞生时间和空间的相对性

1.了解经典相对性的原理。

2.知道狭义相对论的实验基础,知道狭义相对论关于时空相对性的主要结论。

3.了解狭义相对论的两个基本假设。通过实例,了解时间和空间的相对性,体会相对论时空观与低速世界情景的差异。

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。

重点难点:狭义相对论的基本假设,长度与时间间隔的相对性。

教学建议:通过本节的学习,了解面对迈克耳孙—莫雷实验的结果,爱因斯坦通过否定以太的存在,同时否定了牛顿力学的绝对空间和绝对时间。了解狭义相对论的两个基本假设,同时以这两个原理为基础,通过对一些简单现象的分析和逻辑推理,得到“同时”的相对性与时间间隔的相对性。

导入新课:1994年初,一架意大利客机在非洲河岸上空飞行,突然,客机从地面控制室的雷达屏幕上消失了。正当机场工作人员焦急万分之际,客机又在原来的空域出现,雷达又追踪到了客机的信号,最后,这架客机安全降落在意大利内地机场。对此现象专家们认为,唯一的解释是在“失踪”的一刹那,时间“静止”不动了,或者说出现了时光倒流。同学们,时光真的会倒流吗?

1.相对论的诞生

(1)经典相对性的原理:力学规律在任何①惯性系中都是相同的。

(2)狭义相对论的两个基本假设

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②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③相同的,光速与光源、观察者间的④相对运动没有关系。

2.“同时”的相对性

“同时”是指两个事件发生的时刻是一样的。“同时”的相对性是说,在一个惯性系中同时发生的两个事件,在另一个惯性系中则可能不是同时发生的,即“同时”是⑤相对的,也就是说,有人看到同时发生的事件,在其他观察者眼里可能不是同时发生的。

3.长度的相对性

经典物理学家认为,杆子的长度不会因为观察者是否与杆子有相对运动而不同,但是根据狭义相对论的两个基本假设可以推导出,物体的长度的确与观察者和物体间的相对运动情况⑥有关,且与相对运动速度存在以下关

系:l=⑦l0·,其中l为与杆相对运动的观察者观察到的长度,l0为与杆相对静止的观察者观察到的长度,v是物体相对于观察者运动的速度。

4.时间间隔的相对性

既然同时具有相对性,时间间隔也就具有相对性,时间间隔相对性的公式为:Δt=,其中Δt为⑧地面的观察者所观察到的时间,Δτ为与钟表相对⑨静止的观察者所测得的时间。

1.迈克耳孙—莫雷实验说明什么问题?

解答:光速不变。

2.以太存在吗?

解答:不存在。

3.按照相对论观点,空间和时间与物质的运动状态有关吗?

解答:有关。

主题1:狭义相对论的两个基本假设

情景: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。

问题:说说你对这两个基本假设的认识,为什么这两个观点不叫定律而叫假设?

解答:前一个假设是解决参考系的问题,爱因斯坦认为自然界不存在特殊的惯性参考系,所以相对性原理的内容是在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的。第二个假设解决电磁学规律不能和经典的惯性参考系相兼容的问题,内容是真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的。

能够验证这两个观点的实验非常有限,只有从这两个假设出发,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,才能证实它的正确性。

知识链接:狭义相对论同样认为空间和时间并不是相互独立的,它们应该用一个统一的四维时空来描述,并不存在绝对的空间和时间。

主题2:“同时”的相对性

情景:一列火车以速度v相对地面运动,在火车上有一个光源。

问题:如果地面上的人测得这个光源发出的闪光同时到达车的前壁和后壁,图示是地面上观察者得到的结果;那么按照火车上人的测量,闪光是先到达前壁还是后壁?火车上的人怎样解释自己的测量结果?

解答:火车上的人测得光先到达前壁,由于地面上的人测得闪光同时到达前、后壁,而在光向前、后壁传播的过程中,火

车要相对于地面向前传播一段距离,所以光源发光的位置一定距离前壁较近,各个方向上的光速又是一样的,从车上观察,闪光先到达前壁。

知识链接:同时的相对性,不仅仅局限在看到哪个先发生,而在于事实是哪个先发生。

1.(考查惯性系)下列参考系可以看作惯性系的是()。

A.静止的参考系

B.匀速运动的参考系

C.匀加速运动的参考系

D.牛顿运动定律成立的参考系

【解析】根据伽利略相对性原理可知A、B、D对。

【答案】ABD

【点评】惯性系就是相对地面静止或匀速运动的物体。

2.(考查两个基本假设)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

【解析】狭义相对论的两个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。

【答案】AC

【点评】要掌握狭义相对论的两个假设。

3.(考查相对论和相对性)如图所示,甲乘坐宇宙飞船追赶乘坐另一宇宙飞船的乙,两宇宙飞船对地面的速度分别为0.7c、0.4c,某时刻甲为了联系乙向乙发出一个光信号,则()。

A.地面上的人认为光信号的速度为u+c

B.乙认为光信号的速度为0.6c

C.甲认为光信号的速度为c

D.乙认为甲的速度为0.3c

【解析】由相对性原理可知D对;由光速不变原理可知C对。

【答案】CD

【点评】真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的。