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
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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等于光速 c,那么此 速度是相对于哪个参考系的呢?如果它相对于参考系 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,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 ，若是 c+ v ,这不是就存在“超光速”了?事实上由相对论 可知,光在真空中的速度是极限速度,是不变的,因此伽利略速度合成法则在这里是不 适用的。
一、“同时”的相对性 1.两种时空观对“同时”的认识
(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.对“同时”相对性的理解
设相对杆静止的观察者认为杆的长度为 ,与杆有相对运动的人认为杆的长度为
,杆相对于观察者的速度为 ,则 、 、 的
3.对长度收缩的理解
观察者与被测物体有相对运动时,长度的测量值等于其原长的
（
） ),即物体沿运动方向缩短了,即“动棒缩短”.
(1)观察运动的物体其长度要收缩,收缩只出现在运动方向.长度在垂直于运动方向上 没有收缩效应. (2)长度收缩是相对的,K 系认为静止则在 K’系中的尺收缩,反之 K’系认为静止则在 K 系中的尺收缩. (3)虽然结果不同,但是物体本身并未收缩. (4)低速空间相对论效应可忽略.我们平常观察不到这种长度收缩效应,是因为我们生 活在比光速低很多的低速世界里,这种现象极不明显。即使运动物体的速度达到
车上的观察者认为：闪光从光源到前壁和后壁的距离相等,根据光速不变原理,闪 光同时到达前后两壁;车下的观察者认为：闪光从光源到后壁的距离比到前壁的距离 短，根据光速不变原理,闪光先到达后壁,后到达前壁。
二、长度的相对性 1.两种观点对“长度”的认识 (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,但在垂直于运动方向上,杆的长度没有变化。 2.狭义相对论的长度变换公式
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。
知识像烛光，能照亮一个人，也能照亮无数的人。--培根
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。
这是爱因斯坦在前人的实验基础上提出的假设,这个假设是狭义相对论的基础. 之所以称为假设,是因为它只根据迈克耳孙一莫雷实验有限的几次实验提出的,还没 有经过数学的逻辑推理在大量的结论跟事实相符后,就成为狭义相对论原理。
第十五章 相对论简介
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知识像烛光，能照亮一个人，也能照亮无数的人。--培根 15.2 时间和空间的相对性
v=30000km/s (即 0.1c) ,长度收缩效应也只不过是 。所以,在低速运动中
, << , ≈ 。长度收缩效应可忽略不计。 三、时间间隔的相对性 1.经典的时空观
某两个事件,在不同惯性系中观察,它们的时间间隔总是相同的。
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知识像烛光，能照亮一个人，也能照亮无数的人。--培根 2.相对论的时空观
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,光速与光源观察者间的相对运 动没有关系。在两个假设的基础上爱因斯坦建立了一套完整的理论——狭义相对论 四、对光速不变原理的理解 1.真空中的光速不变
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。 2.“超光速”不存在
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.伽利略相对性原理和爱因斯坦相对性原理的区别：
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知识像烛光，能照亮一个人，也能照亮无数的人。--培根 (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。 (2)爱因斯坦相对性原理指的是物理规律(不论是力学规律还是电磁规律)在所有惯 性参考系中都是相同的,所以各个惯性系都是等价的,不存在特殊的、绝对的惯性系. 故爱因斯坦的狭义相对性原理所指范围更大,内容更丰富。 三、狭义相对论的两个基本假设 1.狭义相对性原理
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 ,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+ 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:
一、“同时”的相对性 1.两种时空观对“同时”的认识
(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.对“同时”相对性的理解
设相对杆静止的观察者认为杆的长度为 ,与杆有相对运动的人认为杆的长度为
,杆相对于观察者的速度为 ,则 、 、 的
3.对长度收缩的理解
观察者与被测物体有相对运动时,长度的测量值等于其原长的
（
） ),即物体沿运动方向缩短了,即“动棒缩短”.
(1)观察运动的物体其长度要收缩,收缩只出现在运动方向.长度在垂直于运动方向上 没有收缩效应. (2)长度收缩是相对的,K 系认为静止则在 K’系中的尺收缩,反之 K’系认为静止则在 K 系中的尺收缩. (3)虽然结果不同,但是物体本身并未收缩. (4)低速空间相对论效应可忽略.我们平常观察不到这种长度收缩效应,是因为我们生 活在比光速低很多的低速世界里,这种现象极不明显。即使运动物体的速度达到
车上的观察者认为：闪光从光源到前壁和后壁的距离相等,根据光速不变原理,闪 光同时到达前后两壁;车下的观察者认为：闪光从光源到后壁的距离比到前壁的距离 短，根据光速不变原理,闪光先到达后壁,后到达前壁。
二、长度的相对性 1.两种观点对“长度”的认识 (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,但在垂直于运动方向上,杆的长度没有变化。 2.狭义相对论的长度变换公式
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。
知识像烛光，能照亮一个人，也能照亮无数的人。--培根
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。
这是爱因斯坦在前人的实验基础上提出的假设,这个假设是狭义相对论的基础. 之所以称为假设,是因为它只根据迈克耳孙一莫雷实验有限的几次实验提出的,还没 有经过数学的逻辑推理在大量的结论跟事实相符后,就成为狭义相对论原理。
第十五章 相对论简介
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知识像烛光，能照亮一个人，也能照亮无数的人。--培根 15.2 时间和空间的相对性
v=30000km/s (即 0.1c) ,长度收缩效应也只不过是 。所以,在低速运动中
, << , ≈ 。长度收缩效应可忽略不计。 三、时间间隔的相对性 1.经典的时空观
某两个事件,在不同惯性系中观察,它们的时间间隔总是相同的。
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知识像烛光，能照亮一个人，也能照亮无数的人。--培根 2.相对论的时空观
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,光速与光源观察者间的相对运 动没有关系。在两个假设的基础上爱因斯坦建立了一套完整的理论——狭义相对论 四、对光速不变原理的理解 1.真空中的光速不变
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。 2.“超光速”不存在
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.伽利略相对性原理和爱因斯坦相对性原理的区别：
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知识像烛光，能照亮一个人，也能照亮无数的人。--培根 (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。 (2)爱因斯坦相对性原理指的是物理规律(不论是力学规律还是电磁规律)在所有惯 性参考系中都是相同的,所以各个惯性系都是等价的,不存在特殊的、绝对的惯性系. 故爱因斯坦的狭义相对性原理所指范围更大,内容更丰富。 三、狭义相对论的两个基本假设 1.狭义相对性原理
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 ,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+ 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: