2020高中物理选修3-4同步第十五章 1~2 时间和空间的相对性

1相对论的诞生

2时间和空间的相对性

[学科素养与目标要求]

科学观念：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．

科学思维：会应用相对论的几个主要结论进行简单的计算．

科学态度与责任：体会相对论的建立对人类认识世界的影响．

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．相对性原理与电磁规律

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． 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)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)狭义相对论认为“动尺变短”：狭义相对论中的长度公式为l ＝l 01－(v

c

)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为Δt ＝

Δτ1－(v c

)2

.

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．

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，这是经典物理学的观点．(√)

(2)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l0.(×)

(3)“动钟变慢”是时钟的精度因运动而发生了变化．(×)

(4)高速运动的飞船中的宇航员发现地面的时钟变慢了．(√)

一、经典的相对性原理与狭义相对论

1．如图所示，小球相对于参考系O以速度v0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？

答案分别为v0、v0－v、v0＋v

2．如图所示，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？

答案人观察到的光速都是c

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系，相对于地面做变速运动的物体都是非惯性系．

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.

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运动的惯性系

D．狭义相对论任何情况下都适用

答案 D

解析根据狭义相对论的基本假设可知，选项A、B正确；狭义相对论只涉及惯性参考系，不涉及非惯性参考系，选项D错误，C正确．

针对训练(2017·攀枝花高二检测)关于爱因斯坦认为的空间和时间关系，下列说法中正确的是()

A．时间和空间是分离的，即绝对时间和绝对空间

B．时间和空间与物体的运动无关

C．时间和空间在本质上是统一的

D．时间是相对的，空间是绝对的

答案 C

解析爱因斯坦认为时间和空间在本质上是统一的，时间和空间不是分离的，它们都是相对的，故C项正确．

二、时间和空间的相对性

如图所示，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．

(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，他认为列车长 (3)不是t ，他认为这个时间比t 长

1．“动尺变短”：狭义相对论中的长度公式l ＝l 0

1－(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 高速运动时，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Δt ＝

Δτ

1－(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，在没有选取参考系的