【优化方案】高中物理 第6章6.2 狭义相对论的基本原理课件 沪科版必修2.ppt

6 2狭义相对论的基本原理 核心要点突破 课堂互动讲练 课前自主学案 知能优化训练 6 2 课标定位 学习目标 1 知道牛顿对物理学发展的巨大贡献和经典力学的重要历史地位 2 理解经典力学方法论的意义和经典力学的时空观 3 掌握狭义相对论基本原理的内容及其意义 重点难点 重点 1 经典力学的重大成就和方法论的意义 2 相对论的基本原理的理解 难点 经典力学的局限性及相对论基本原理提出的背景理解 课前自主学案 一 一座永垂不朽的纪念碑1 自然哲学的数学原理 的产生 英国科学家 的代表作 成书于1686年 2 自然哲学的数学原理 介绍 全书共分两个部分 第一部分是 定义和注释 运动的基本原理 第二部分是定律的应用 其内容包括 万有引力定律和行星的运动 流体力学的开创性研究 天体力学和宇宙系统的开拓性研究 行星的运动 卫星的运动 地面上的落体运动 抛体运动 彗星轨道 岁差以及潮汐现象等 牛顿 全书贯穿了牛顿和莱布尼兹分别独立发明的数学方法 微积分 它在科学史上占有非常重要的地位 因为它标志着 的建立 二 经典力学的巨大成就1 把 运动与 物体的运动统一起来了 2 由经典力学为基础发展起来了天体力学 材料力学 3 力学与热学结合引发了 工业革命 4 经典力学是航天的理论基础 经典力学 天体 地上 第一次 三 经典力学方法论的意义经典力学的研究方法以伽利略和牛顿最为典型 伽利略 理想实验法 牛顿 归纳 演绎法 建立理论体系 四 经典力学的局限性1 经典力学对时间和空间的认识 1 把一切自然现象都归结为 2 把 割裂开来 认为它们与物质运动无关 机械决定论 时间 空间 2 经典力学的适用范围 1 只适用于 速运动 不适用于 速运动 2 只适用于 世界 不适用于 世界 3 只适用于弱引力环境 不适用于强引力环境 五 经典力学的时空观1 概述 绝对的空间 就其本性而言 是与外界任何事物无关 而永远相同和不动的 绝对的时间自身在不停地流逝着 这就是经典力学的时空观 也称为 时空观 低 高 宏观 微观 绝对 2 绝对时空观的特点 时间和空间是 的 时间尺度和空间尺度与物质的运动无关 都是绝对的 六 狭义相对论的基本公设1 惯性系与非惯性系牛顿运动定律成立的参考系 称为惯性参考系 简称惯性系 如研究地面上物体的运动时 地面就是惯性参考系 相对于地面做匀速直线运动的参考系 也是惯性参考系 分离 2 伽利略的相对性原理 1 概述 对于所有的惯性系 力学规律都是相同的 或者说一切惯性系都是等效的 2 两个要点 如果牛顿运动定律在某个参考系中成立 这个参考系叫做惯性系 相对于一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系 力学规律在任何惯性系中都是相同的 或者说 任何惯性系都是等效的 3 两条基本公设 1 原理 在不同的惯性参考系中 一切物理规律都是 的 2 原理 真空中的 在不同的惯性参考系中都是 的 这是爱因斯坦在前人的实验基础上提出的假设 这两个假设就是狭义相对论的基础 相对性 相同 光速不变 光速 相同 核心要点突破 一 经典力学的成就与局限性1 经典力学的研究方法归纳比较 2 经典力学的成就 1 经典力学的建立标志着近代自然科学的诞生 它把天上物体和地上物体的运动统一起来 从力学上证明了自然界的多样性的统一 实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合 2 经典力学和以经典力学为基础发展起来的天体力学 材料力学和结构力学等得到了广泛的应用 并取得了巨大的成就 18世纪60年代 力学和热力学的发展及其与生产相结合 使机器和蒸汽机得到改进和推广 引发了第一次工业革命 由牛顿运动定律导出的动量守恒定律 机械能守恒定律等 是航空航天技术的理论基础 火箭 人造卫星 航天飞机 宇宙飞船 空间探测器等航天器的发射 都是经典力学规律的具体应用 3 经典力学的局限性 1 从低速到高速日常生活中见到的物体的运动 速度都远小于光速 经典力学完全适用 20世纪初 著名物理学家爱因斯坦建立的狭义相对论阐述了物体在以接近光速运动时所遵从的规律 得到了一些不同于经典力学的观念和结论 例如在经典力学中 认为质量是恒定不变的 与物体的速度或能量无关 但相对论的研究则表明 物体的质量将随着运动速率的增加而增大 物体的质量和能量之间存在着密切的联系 2 从宏观到微观19世纪和20世纪之交 物理学又有了三大发现 x射线 电子放射性的发现 使物理学的研究由宏观进入微观领域 发现的电子 质子 中子等微观粒子 不仅具有波动性同时还具有粒子性 它们的运动规律在很多情况下不能用经典力学来说明 20世纪 量子力学的研究表明 微观粒子既表现为粒子性又表现为波动性 粒子的能量等物理量只能取分立的数值 粒子的速度和位置具有不确定性 粒子的状态只能用粒子在空间出现的概率来描述 即时应用 即时突破 小试牛刀 1 下列属于经典力学成就的有 a 经典力学把天体的运动与地上物体的运动统一起来 是人类对自然界认识的第一次大综合b 以经典力学为基础发展起来的天体力学 材料力学和结构力学等得到了广泛的应用c 力学和热力学的发展与生产相结合 引发了第一次工业革命d 由牛顿力学定律导出的动量守恒定律 机械能守恒定律等是航天技术的理论基础 解析 选abcd 经典力学主要以牛顿运动三定律 万有引力定律为基础 适用于一切宏观 低速的物体 故a b c d都正确 二 经典力学的时空观1 牛顿的绝对时空观 1 绝对的 真正的数学时间 出于其本性而自行均匀地流逝着 与外界任何事物无关 或绝对的时间 就其本性而言与外界任何事物毫无关系 它永远保持不变或不动 2 绝对的运动是物体从某一绝对的处所转移到另一绝对的处所 即对于空间的运动存在一个绝对的参考系 时间存在一个绝对的计时系统 2 马赫的时空观凡不能由实验证明的概念及陈述 都不应该在物理学理论中占有任何的地位 否认了绝对时空观 理由 物体的相对位置和相对移动才是可测量的 1 空间的位置是相对的 2 速度是相对的 即时应用 即时突破 小试牛刀 2 经典力学的时空观认为 a 时间使物质运动而存在b 时间是永远的流逝 与任何外界无关c 空间与物质运动状态有关d 物体的质量随物体运动的速度变化而变化解析 选b 经典力学的时空观认为 时间和空间是分离的 时间尺度和空间尺度与物质运动无关 都是绝对的 故b正确 三 狭义相对论基本公设的提出1 伽利略相对性原理 1 惯性系 inertialframe 与非惯性系 在经典力学中 牛顿运动定律是力学规律的基础 如果牛顿运动定律在某个参考系中成立 这个参考系就叫做惯性系 如果牛顿运动定律在某个参考系中不成立 这个参考系就叫做非惯性系 注意 相对于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 伽利略相对性原理如果在不同的惯性系中测物体自由下落的时间 测一个单摆的周期 研究平抛运动的规律 或研究牛顿第二定律的实验 就会发现 所有的实验现象和实验结论 都不会因惯性系的不同而有所不同 也就是说 各个惯性系都是等价的 这个观点叫做伽利略相对性原理 2 狭义相对论的两条基本公设 1 爱因斯坦相对性原理 对于描述一切物理过程 包括物体位置变动 电磁以及原子过程 的规律 所有惯性系都是等价的 这里的物理过程包括光在内 爱因斯坦把伽利略的力学相对性原理推广到了电磁物理规律和一切其他规律 成为第一个公设 2 光速不变原理 在所有相对光源静止或做匀速直线运动的惯性系中观察 真空中的光速都相同 与光源的运动和观察者的运动没有关系 这一条公设使我们看到一幅与传统观念截然不同的物理图像 设想从一点光源发出一光脉冲 如人从光源在其中保持静止的参考系中观察 波前为以光源为中心的球面 如从相对于光源做匀速直线运动的另一参考系观察 波前将同样是以光源为中心的球面 这预示着与伽利略变换不同的时空观 即时应用 即时突破 小试牛刀 3 关于狭义相对论的两个基本公设 下列说法中正确的是 a 物体的位移 速度具有相对性 所以在不同惯性系中 它们所遵循的物理规律不同b 在惯性参考系中可以通过实验的方法证实该系统是静止的还是匀速运动的c 选不同的惯性参考系 光的传播速度不同d 以上说法都不正确 解析 选d 根据狭义相对论的两个基本公设可知 在不同的惯性参考系中 一切物理规律都是相同的 故a错 在惯性参考系中无法通过实验的方法确定这一系统本身的运动情况 故b错 真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的 故c错 正确答案为d 课堂互动讲练 如图6 1 1所示 在列车车厢的光滑水平面上有一个质量为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 求经过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6 1 1 答案 10m s30m s 方法总结 在两个惯性系中 虽然观察到的结果并不相同 一个是10m s 另一个是30m s 但我们却应用了同样的运动规律和速度合成法则 也就是说 力学规律在任何惯性系中都是相同的 火箭以0 75c的速度离开地球 从火箭上向地球发射一个光信号 火箭上测得光离开的速度是c 根据过去熟悉的速度合成法则 光到达地球时测得的光速是多少 根据狭义相对论