高中物理 5.15.2 电磁场理论引发的怪异问题 狭义相对论的基本原理课件 新人教版选修34.ppt

第5章新时空观的确立 5 1 5 2电磁场理论引发的怪异问题狭义相对论的基本原理 1 理解伽利略相对性原理 2 了解狭义相对论的两条基本公设 3 由伽利略变换和洛伦兹变换体会经典物理学的时空观和狭义相对论的时空观的不同 4 了解同时的相对性和相对论速度变换公式 学习目标定位 知识储备区 知识链接 1 牛顿运动匀速直线 知识储备区 2 相同不变3 力学4 相对性不变5 绝对相对同时6 新知呈现 学习探究区 一 电磁场理论引发的怪异问题 二 狭义相对论的两条公设 三 洛伦兹变换 同时的相对性 四 相对论速度变换公式 一 电磁场理论引发的怪异问题 问题设计 1 举例说明电磁场理论与经典物理学存在着尖锐的矛盾 答案一辆车对地做匀速直线运动速度为v 若自车厢后壁发出一个闪光 按照经典物理速度合成公式 这个闪光对地的速度为v c v 但电磁场理论中光在真空中的传播速度为c 并不涉及参考系问题 2 迈克耳孙 莫雷实验说明了什么 答案说明光速c是不变的 要点提炼 1 按经典物理速度合成公式 一个人在相对地面以速度v运动的车或船上 向前进方向掷出一个相对于自己以速度u运动的球 则球相对地面的速度应为v 2 对光的传播应用了经典的物理速度合成公式后 得出的结果与电磁场理论中 产生了矛盾 即经典的速度合成公式对电磁学不适用 u v 光在真空中的传播速度为c 3 迈克耳孙 莫雷实验说明 光在任何方向上传播时 相对地球的速度都是的 也就是说 地球相对于 以太 的速度v实际上为零 或者说 以太 根本 光速c是的 4 伽利略相对性原理 对于规律来说 一切惯性系都是等价的 相同 不存在 不变 力学 例1如图1所示 在列车车厢的光滑水平底面上有一个质量为m 5kg的小球 正随车厢一起以20m s的速度匀速前进 现在给小球一个水平向前的f 5n的拉力作用 求经10s时 车厢里的观察者和地面上的观察者看到小球的速度分别是多少 图1 解析对车厢里的观察者物体的初速度为0 加速度a 1m s2经10s时 速度v1 at 10m s 对地面上的观察者解法一物体初速度v0 20m s加速度相同a 1m s2经10s时 速度v2 v0 at 30m s 解法二根据速度合成法则v2 v1 v0 10 20 m s 30m s 答案10m s30m s 问题设计 二 狭义相对论的两条公设 1 在伽利略变换中 时间和空间是否有关系 它们与物体的运动有无关系 答案时间和空间是分离的 时间尺度和空间尺度跟物体运动无关 都是绝对的 2 面对电磁场理论与经典物理学之间出现的矛盾 爱因斯坦对时间和空间又是怎样理解的 答案爱因斯坦认为 空间和时间在本质上是统一的 空间和时间不是分离的 要点提炼 狭义相对论的两个基本公设1 爱因斯坦相对性原理 在所有相互做匀速直线运动的惯性参考系中 都是相同的 2 光速不变原理 在所有相互做匀速直线运动的惯性参考系中 光在真空中的速度都是相等的 物理规律 例2考虑以下几个问题 图2 1 如图2所示 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向右运动时 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向左运动时 人看到的光速又是多少 解析光速不变原理指的是真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的 故三种情况下人看到的光速都是c 答案 1 c 2 c 3 c 返回 问题设计 三 洛伦兹变换 同时的相对性 如图3所示 一列火车沿平直轨道飞快地匀速行驶 车厢中央的光源发出了一个闪光 闪光照亮了车厢的前壁和后壁 车上的人观察到闪光同时照亮了前后壁吗 地上的人怎么认为 图3 答案车上的人认为闪光同时照亮了前后壁 地上的人认为先照亮后壁 要点提炼 1 洛伦兹变换 2 同时的相对性 1 经典物理学家认为 如果两个事件在一个参考系中是同时发生的 那么在另一个参考系中观察也一定是发生的 即同时是绝对的 与所在的惯性参考系 2 狭义相对论的时空观认为 同时是的 即在一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件 在另一个惯性系中不一定是同时的 跟观察者所选取的参考系有关 同时 无关 相对 延伸思考 你能够在v c时 由洛伦兹变换得到伽利略变换吗 答案当v c时 公式x 中的很小近似为零 故x x vt 公式t 中也近似为零 则t t 例3如图4所示 沿平直铁路线有间距相等的三座铁塔a b和c 假想有一列车沿ac方向以接近光速行驶 当铁塔b发出一个闪光 列车上的观测者测得a c两铁塔被照亮的顺序是 图4 a 同时被照亮b a先被照亮c c先被照亮d 无法判断 解析列车上的观察者看到的是由b发出后经过a和c反射的光 由于列车在这段时间内向c运动 靠近c而远离a 所以列车上的观察者看到c先被照亮 故只有c正确 答案c 返回 问题设计 四 相对论速度变换公式 一列火车正以v 50m s的速度高速行驶 列车内一乘客以相对列车u 5m s的速度向前跑 站台上的观察者测得该乘客的速度是u v u 55m s 若列车的速度是0 9c 乘客的速度是0 5c 那么站台上的观察者测得该乘客的速度为0 9c 0 5c 1 4c吗 答案不是 要点提炼 相对论速度变换公式1 公式 设高速行驶的火车的速度为v 车上的人相对火车以速度u 运动 人相对地面的速度为u 则 2 结论 光速c是物体运动速度的 且相对任何参考系 光速都是的 3 理解 若v c u c时 可忽略不计 即1 1 相对论速度合成公式可近似变为u v u 极限 不变 例4地球上一观察者 看见一飞船a以速度2 5 108m s从他身边飞过 另一飞船b以速度2 0 108m s跟随a飞行 求 1 a上的乘客看到b的相对速度 解析a上的乘客看地面上的人以 2 5 108m s向后运动 地面上的人看b以2 0 108m s向前运动 则a上的乘客看到b的相对速度为u 108m s 1 125 108m s 答案 1 125 108m s 2 b上的乘客看到a的相对速度 解析b上的乘客看到a的相对速度为1 125 108m s 答案1 125 108m s 返回 课堂要点小结 1 电磁场理论引发的怪异问题 问题 光在真空中的速度为c 与参考系无关 迈克耳孙 莫雷实验 目的 证明以太是否存在结论 以太不存在 光速不变 电磁理论的 缺陷 伽利略相对性原理爱因斯坦的观点 课堂要点小结 2 狭义相对论的基本原理 狭义相对论的两条公设 爱因斯坦相对性原理光速不变原理 洛伦兹变换同时的相对性 同时 是相对的 跟观察者所选取的参考系有关 相对论速度变换公式 u 返回 自我检测区 1 2 3 4 1 2 3 4 1 通常我们把地球和相对于地面静止或匀速运动的参考系看成惯性系 若以下列系统为参考系 则其中属于非惯性系的有 a 停在地面上的汽车b 绕地球做匀速圆周运动的飞船c 在大海上匀速直线航行的轮船d 以较大速度匀速运动的磁悬浮列车 解析由惯性系和非惯性系的概念可知选b b 1 2 3 4 2 关于狭义相对论 下列说法不正确的是 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 解析由狭义相对论原理可知d错误 d 1 2 3 4 3 下列关于经典力学的时空观 正确的是 a 经典力学的时空观中 同时是绝对的 即在一个参考系中的观察者在某一时刻观察到的两个事件 对另一参考系中的观察者来说也是同时发生的b 在经典力学的时空观中 时间间隔是绝对的 即任何事件 或物体的运动 所经历的时间 在不同的参考系中测量都是相同的 而与参考系的选取无关 1 2 3 4 c 在经典力学的时空观中 空间距离是绝对的 即如果各个参考系中用来测量长度的标准相同 那么空间两点距离是绝对不变的量值 而与参考系的选取无关d 经典力学的时空观就是一个绝对的时空观 时间 空间与物体的运动无关 解析由经