2021学年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学案人教版选修3_4.doc

1 相对论的诞生
2 时间和空间的相对性
一、经典相对性原理与狭义相对论的两个基本假设
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
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．
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)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．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＝l01－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．
设Δ表示相对事件发生在静止的惯性系中观测的时间间隔，Δt表示相对事件发生在以
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
1－v
c
2
.
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，你认为三只铯原子钟示数还一样吗？
提示：不一样，飞机上的原子钟比地面上的跑得慢，其中向东飞的飞机上的钟比向西飞的更慢(因为地球在自西向东自转)．
考点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．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)非惯性系：牛顿运动定律不能成立的参考系．
【拓展延伸】什么是非惯性系？
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．
2．经典的相对性原理(伽利略相对性原理)
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；或者说，任何惯性参考系都是平权的．
3．相对性原理与电磁规律的矛盾
“电磁波的速度是c”如果相对参考系S是正确的，另外还有一个参考系S′相对于S以速度v运动，若依据速度合成法则，光相对于S′的速度应是c－v或者是c＋v，而不是c.
根据伽利略相对性原理，答案是肯定的，但是这种答案被迈克耳孙—莫雷的实验否定了．迈克耳孙—莫雷实验证明了光速是不变的，这和传统的速度合成法则是矛盾的．。