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

(教师用书独具)

●课程要求

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．

●课标解读

1 .理解经典的相对性原理．

2 .了解光的传播与经典的速度合成法则之间的矛盾．

3 .理解狭义相对论的两个基本假设．

4 .理解同时的相对性、时间间隔的相对性和长度的相对性．

5 .知道时间和空间不是脱离物质而单独存在的．

●教学地位

本节介绍相对论的简单知识，使学生对相对论有一个初步认识．

(教师用书独具)

●新课导入建议

1971年人类将三只铯原子钟分别放到地面和喷气式飞机上验证相对论：在地面将三个铯原子钟调整同步，把两个分别放在向东、向西在赤道上空高速飞行的飞机上，飞行一周后与留在地面的铯原子钟比较，三只铯原子钟跑的不一样快，为什么会出现这种现象呢？通过这节课的学习，将明白其中的道理．

●教学流程设计

课前预习安排

1.看教材.

2.学生合作讨论完成【课前自主导学】.

步骤1：导入新课，本节教学地位分析

步骤2：老师提问，学生回答补充，检查预习效果

步骤3：师生互动完成“探究1”教师讲解例题7vlL80I

步骤7：先由学生自己总结本节的主要知识，教师点评，安排学生课下完成【课后知能检测】步骤6：指导学生完成【当堂双基达标】验证学习情况

步骤5：师生互动完成“探究2”方式同完成“探究1”

步骤4：让学生完成【迁移应用】，检查完成情况并点评

1 .

(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．

2 .思考判断

(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．(×)

3 .探究交流

一只苍蝇从一列时速300千米的火车里起飞，按理说，它的飞行时速至少要达到300千米才能追得上火车．

请问：当它起飞后，它是会被甩到车尾摔死，还是安然无恙？

【提示】苍蝇起飞前相对火车静止，所以已经拥有火车300千米的时速，因此起飞后安然无恙．

(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l0，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、l0、v的关系是：

l

(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

2 .探究交流

运动的时针变慢是不是因为时钟的结构因运动发生了改变？

【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．

1 .惯性系与非惯性系有何不同？

2 .如何理解相对性原理？

1. 惯性系和非惯性系

牛顿运动定律能够成立的参考系，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. 迈克耳孙一莫雷实验

(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．

狭义相对论认为：光速c是宇宙中的最大速度，实际物体无论怎样加速，其速度只能接近而不能超越光速c.