高中物理 151、2相对论的诞生时间和空间的相对性课件 新人教版选修34.ppt

课前自主导学 当堂双基达标 课堂互动探究 课后知能检测 教学教法分析 教学方案设计 1相对论的诞生2时间和空间的相对性 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 了解光的传播速度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 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 1 基本知识 1 经典的相对性原理 表述一 力学规律在任何惯性系中都是 表述二 在一个内进行的任何力学实验都不能判断这个是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动 相同的 惯性参考系 惯性参考系 表述三 任何惯性参考系都是的 2 狭义相对论的两个基本假设 狭义相对性原理 在不同的惯性参考系中 一切都是相同的 光速不变原理 的光速在中都是相同的 平权 物理规律 真空中 不同的惯性参考系 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 基本知识 1 同时 的相对性 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的 相对论的时空观 同时 具有性 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的 同时 相对 可能不是同时 2 长度 的相对性 经典的时空观 一条杆的长度不会因为观察者是否与杆做而不同 相对论的时空观 长度 也具有 一条沿自身长度方向运动的杆 其长度总比静止长度 但在垂直于杆的运动方向上 杆的长度 相对运动 相对性 小 没有变化 3 时间间隔的相对性 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的 相同 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 的 惯性系 越大 惯性系中的进行得越慢 非但如此 惯性系中的一切都变慢了 不同 速度 时间进程 物理 化学过程和生命过程 2 探究交流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 问题导思 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 飞船在高空以0 1c的速度向目标飞行 从飞船上向目标方向发射出一个光信号 则在地面的观察者看来光信号的速度是1 1c吗 解析 由经典力学的相对性原理可知 光信号相对地面的速度v c 0 1c 1 1c 但这一结论是错误的 根据狭义相对论知 真空中的光速相对于飞船为c 相对于地面也为c 对不同的惯性参考系都是相同的 这一判断已被麦克耳孙 莫雷实验所证实 答案 在地面的观察者看来光信号的速度为c 不是1 1c 1 如图15 1 1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 a 0 4cb 0 5cc 0 9cd c 解析 由狭义相对论的基本假设 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 可知d正确 答案 d 问题导思 1 如何理解动尺变短 2 动钟变慢 的实质是什么 3 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 地面上长100km的铁路上空有一火箭沿铁路方向以30km 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 答案 100km80km 2 一观察者测得运动着的米尺为0 5m长 求此米尺以多大的速度移动 c 3 0 108m s l 1m l 0 5m所以 v 0 866c 2 60 108m s 答案 2 60 108m s 1 牛顿运动定律不适用下列哪些情况 a 研究原子核外部电子绕核运动的情况b 研究 神舟 八号的升空过程c 研究地球绕太阳公转d 研究超音速飞机的运动 解析 经典力学不适用于微观世界 故a选项不适用牛顿运动定律 b c d三个选项中 各种运动的速率都是比较大的 但相对于光速来说都是低速运动 完全可以用牛顿运动定律研究其规律 故选a 答案 a 2 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 空间与时间之间也是没有联系的 在相对论力学中 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 答案 cd 3 多选 假设有一天某人坐在 神舟 号飞船上 以0 5c的速度遨游太空 当他打开一个光源时 下列说法正确的是 a 飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为1 5cb 飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为0 5cc 在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是cd 在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c 解析 根据狭义相对论的假设 2 真空中的光速相对于不同的惯性参考系是相同的 即在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c a b错误 c d正确 答案 cd 4 考虑几个问题 1 如图15 1 2所示 参考系o