高考物理总复习1.2相对论简介1.2.1_1.2.2相对论的诞生时间和空间的相对性学案新人教版.docx

1.2.1相对论的诞生1.2.2时间和空间的相对性学习目标核心提炼1.了解经典的相对性原理。2.知道狭义相对论的两个基本假设。3.理解“同时”的相对性。4.了解经典时空观与相对论时空观的主要区别，体会相对论时空观对人类认识世界的影响。2个基本假设狭义相对性原理、光速不变原理3个相对性“同时”的相对性、长度的相对性、时间间隔的相对性一、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.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。思维拓展如图1所示，结合狭义相对论考虑几个问题：图1(1)参考系O相对于参考系O静止时，人看到的光速应是多少？(2)参考系O相对于参考系O以速度v向右运动，人看到的光速应是多少？(3)参考系O相对于参考系O以速度v向左运动，人看到的光速又是多少？答案根据速度合成法则，第一种情况人看到的光速应是c，第二种情况应是cv，第三种情况应是cv，而根据狭义相对论理论，光速是不变的，都应是c。二、时间和空间的相对性1.“同时”的相对性(1)经典物理学认为：如果两个事件在一个参考系中是同时的，在另一个参考系中一定也是同时的。(2)狭义相对论的时空观认为：同时是相对的，即在同一个参考系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个参考系中不一定是同时的。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。与杆相对静止的人认为杆长为l0，与杆相对运动的人认为杆长是l，那么两者之间的关系是：ll0。3.时间间隔的相对性(1)经典物理学认为：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。设表示相对事件发生地静止的惯性系中观测的两事件的时间间隔，t表示相对事件发生地以速度v高速运动的参考系中观测的同样两事件的时间间隔，则它们的关系是t。4.相对论时空观(1)经典时空观：空间和时间是脱离物质存在的，是绝对的，空间和时间之间也是没有联系的。(2)相对论时空观：空间和时间与物质的运动状态有关。思考判断(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，这是经典物理学家的观点。()(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)长度、时间的测量结果会随物体与观察者的相对运动状态的改变而改变。()(5)高速运动的飞船中的宇航员发现地面的时钟变慢了。()(6)地面上的人认为两个事件同时发生，而高速运动的飞船中的宇航员却不这么认为。()经典的相对性原理与狭义相对论要点归纳应用狭义相对论的几点注意(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参考系，相对于地面做变速运动的物体都是非惯性参考系。(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。(3)力学规律相对于惯性系来说都是相同的。精典示例例1 如图2所示，强强乘坐速度为0.9c(c为光速)的宇宙飞船追赶正前方的壮壮，壮壮的飞行速度为0.5c，强强向壮壮发出一束光进行联络，则壮壮观测到该光束的传播速度为()图2A.0.4c B.0.5c C.0.9c D.c解析根据爱因斯坦相对论，在任何参考系中，光速不变，即光速不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变，所以壮壮观测到该光束的传播速度为c，所以选项A、B、C错误。答案D(1)各物理量有可能因为所选择参考系的不同而不同，但是它们遵从的物理规律是相同的。(2)光速不变原理强调真空中的光速恒定不变，与光源、观察者间的相对运动没有关系。针对训练1 (多选)关于狭义相对论，下列说法正确的是()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度运动的惯性系D.狭义相对论任何情况下都适用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。答案ABC时间和空间的相对性要点归纳几个结论的理解要点(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，如果在没有选取参考系的情况下讨论时间的长短及空间的尺寸，是没有任何意义的。精典示例例2 地面上长100 km的铁路上空有一火箭沿铁路方向以30 km/s 的速度掠过，则火箭上的人看到铁路的长度应该为多少？如果火箭的速度达到0.6c，则火箭上的人看到的铁路的长度又是多少？解析当火箭速度较低时，长度基本不变，还是100 km。当火箭的速度达到0.6c时，由相对论长度公式ll0 ，代入相应的数据解得：l100 km80 km答案100 km80 km应用相对论“效应”解题的一般步骤(1)应该通过审题确定研究对象及研究对象的运动速度。(2)明确求解的问题，即明确求解静止参考系中的观察结果，还是运动参考系中的观察结果。(3)应用“尺缩效应公式”或“时间延缓效应公式”进行计算。针对训练2 半人马星座星是离太阳系最近的恒星，它距地球为l。设有一宇宙飞船匀速往返于地球与半人马星座星之间。若宇宙飞船相对地球的速率为v，按地球上时钟计时，飞船往返一次需多长时间？如以飞船上时钟计时，往返一次的时间又为多长？解析按地球上的时钟计时，t。以飞船上的时钟计时，在地球看来，飞船是以速度v运动的，设记录时间为t，则t，所以t。答案1.(多选)根据伽利略相对性原理，可以得到下列哪项结论()A.力学规律在任何惯性系中都是相同的B.同一力学规律在不同的惯性系中可能不同C.在一个惯性参考系里不能用力学实验判断该参考系是否做匀速直线运动D.在一个惯性参考系里可以用力学实验判断该参考系是否做匀速直线运动解析由伽利略相对性原理可知A、C正确。答案AC2.(多选)在地面附近有一高速飞过的火箭，关于地面上的人和火箭中的人观察到的现象中正确的是()A.地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变快了B.地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变慢了C.火箭上的人观察到火箭的长度和时间进程均无变化D.火箭上的人看地面上的物体长度变小，时间进程变慢了解析因为ll0和t，可知ll0，t。一个相对地面做高速运动的惯性系中发生的物理过程，在地面上的人看来，火箭的长度变短了，它所经历的时间比在这个惯性系中直接观察到的时间变长了，惯性系速度越大，观察到的火箭的长度越短，所经历的过程时间越长。火箭上的人观察到火箭的长度和时间进程均无变化。同样，火箭上的人看地面上的物体长度也是变小，时间进程变慢了，选项B、C、D正确。答案BCD3.(多选)关于时间和空间，在学习狭义相对论后我们应认识到()A.因为时间是绝对的，所以我们在不同的参考系中观察到的时间进程都是相同的B.空间与时间之间是没有联系的C.有物质才有空间和时间D.在一个确定的参考系中观察，运动物体的空间距离和时间进程跟物体的运动状态有关解析经典物理学认为空间和时间是脱离物质存在的，是绝对的，空间与时间之间是没有联系的，在相对论中，时间和空间是和物质的运动相联系的，只有在物质存在时才有空间和时间的概念，时间和空间是相互联系且是相对的。选项C、D正确。答案CD4.某宇航员要到离地球5光年的星球上去旅行，如果地球指挥中心希望把这路程缩短为3光年，则他所乘飞船相对地球的速度为()A.0.5 c B.0.6 c C.0.8 c D.0.9 c解析由ll0，解得vc，故C正确。答案C基础过关1.在狭义相对论中，下列说法中正确的是()A.经典物理学可视为相对论在低速运动时的特例B.真空中光速在不同的惯性参考系中是不相同的C.在高速运动情况下，惯性参考系中的物理规律不一定相同D.狭义相对论全面否定了经典物理学解析相对论的出现，并没有否定经典物理学，经典物理学是相对论在低速运动条件下的特殊情形，故A正确，D错误；根据狭义相对论的光速不变原理，真空中光速在不同的惯性参考系中是相同的，故B错误；根据狭义相对论的相对性原理，物理规律在所有惯性系中都具是相同的，故C错误。答案A2.(多选)如果牛顿运动定律在参考系A中成立，而参考系B相对于A做匀速直线运动，则在参考系B中()A.牛顿运动定律也同样成立B.牛顿运动定律不能成立C.A和B两个参考系中，一切物理定律都是相同的D.参考系B也是惯性参考系解析根据狭义相对性原理，在不同的惯性参考系中一切物理定律都是相同的。答案ACD3.(多选)甲乘客乘坐在接近光速的火车上，乙观察者站在铁轨附近的地面上，甲、乙两人手中各持一把沿火车前进方向放置的米尺。则下列说法正确的是()A.甲看到乙手中尺子长度比甲看到自己手中的尺子长度要长B.甲看到乙手中尺子长度比甲看到自己手中的尺子长度要短C.乙看到甲手中尺子长度比乙看到自己手中的尺子长度要长D.乙看到甲手中尺子长度比乙看到自己手中的尺子长度要短解析由ll0可知，B、D项正确。答案BD4.一艘太空飞船静止时的长度为30 m，他以0.6c(c为光速)的速度沿长度方向飞行越过地球，下列说法正确的是()A.飞船上的观测者测得该飞船的长度小于30 mB.地球上的观测者测得该飞船的长度小于30 mC.飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度小于cD.地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度小于c解析由ll0知A错误，B正确；由狭义相对论的基本假设知光信号的速度都等于c，C、D项错误。答案B5.假设地面上有一火车以接近光速的速度运行，其内站立着一个中等身材的人，站在路旁的人观察车里的人，观察的结果是()A.这个人是一个矮胖子 B.这个人是一个瘦高个子C.这个人矮但不胖 D.这个人瘦但不高解析取路旁的人为惯性系，车上的人相对于路旁的人高速运动，根据尺缩效应，人在运动方向上将变窄，但在垂直于运动方向上没有发生变化，故选项D正确。答案D能力提升6.(多选)用相对论的观点判断下列说法正确的是()A.时间和空间都是绝对的，在任何参考系中一个事件发生的时间和一个物体的长度总不会改变B.在地面上看，以10 km/s的速度运动的飞船中的时钟会变快，但是飞船中的宇航员却看到时钟是准确的C.在地面上的人看来，以10 km/s的速度运动的飞船在运动方向上会变短，而飞船中的宇航员却感觉到地面上的人看起来比飞船中的人扁一些D.当物体运动的速度v远小于c时，“长度收缩”和“时间膨胀”效果可忽略不计解析时间和空间都是相对的，没有绝对准确的时间和空间，所以A、B错误；由ll0可知两处的人都感觉ll0，所以C正确；由尺缩效应和钟慢效应公式可知，当v远小于c时，尺缩效应和钟慢效应都可以忽略不计，所以D正确。答案CD7.如图1，假设一根10 m长的梭镖以光速穿过一根10 m长的管子，它们的长度都是在静止状态下测量的。以下叙述中最好地描述了梭镖穿过管子情况的是()图1A.梭镖收缩变短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它B.管子收缩变短，因此在某些位置上，梭镖从管子的两端伸出来C.两者都收缩，且收缩量相等，因此在某个位置，管子恰好遮住梭镖D.所有这些都与观察者的运动情况有关解析如果你是在相对于管子静止的参考系中观察运动着的梭镖，那么梭镖看起来就比管子短，在某些位置梭镖会完全在管子内部。然而当你和梭镖一起运动时，你看到的管子就缩短了，所以在某些位置，你可以看到梭镖两端都伸出管子，则D正确，A、B、C错误。答案D8.如图2a所示，竖直墙上挂着一面时钟，地面上静止的观察者A观测到钟的面积为S，另一观察者B以0.8c(c为光速)平行y轴正方向运动，观察到钟的面积为S，则S_(选填“大于”“等于”或“小于”)S。时钟与观察者有不同相对速度的情况下，时钟的频率也是不同的，它们之间的关系如图b所示。A观察者观察到时钟的周期是2.0 s，则B观察者观察到时钟的周期约为_s。图2解析观察者B以0.8倍光速平行y轴正方向运动，根据爱因斯坦的相对论尺缩效应可知，B观察到的时钟沿y轴方向的直径将减小，而沿z轴方向的直径不变，时钟的面积将比静止的观察者看到的面积要小，即S大于S。由图b