高中物理 第6章 第1节 牛顿眼中的世界 第2节 爱因斯坦眼中的世界精品课件 鲁科版选修34.ppt

第6章相对论与天体物理 第1节牛顿眼中的世界第2节爱因斯坦眼中的世界 课前自主学案 核心要点突破 课堂互动讲练 课标定位 知能优化训练 第2节 课标定位学习目标 1 知道狭义相对论的实验基础 基本原理和主要结论 2 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 3 体会科学探究活动中猜想 假设 发散性思维 逻辑思维 实验验证等研究方法的作用 重点难点 1 同时 的相对性和空间相对性的验证 2 长度的相对性及时间间隔的相对性 课前自主学案 一 经典力学的相对性原理1 表述一 力学规律在任何惯性系中都是 2 表述二 通过任何力学实验 都不可能发现惯性系是处于 状态还是在做 也就是说 不可能通过力学实验测得惯性系的 相同的 绝对静止 匀速直线运动 绝对速度 绝对的 二 绝对时空观在牛顿的世界里 力学规律之所以在任何惯性系中表达形式都相同 其根本原因是时间与空间不会随参考系不同而变化 也就是说时间与空间是 这就是绝对时空观 绝对 和绝对 是经典物理学的支柱 时间 空间 三 寻找 以太 迈克尔孙实验为了检验 以太 的存在 物理学家设计了各种实验 其中最著名的是迈克尔孙 莫雷实验 这是一个测量 相对 以太 运动的典型实验 实验结果是寻找以太的努力失败了 这就是有名的迈克尔孙 莫雷实验的 零结果 地球 四 狭义相对论的两条基本原理1 狭义相对性原理 物理规律 力学 电磁学 光学等 对于所有 都具有相同的形式 2 光速不变原理 在任何惯性系中 光在真空中的速度 与光源的运动和观测者的运动无关 惯性系 恒为c 五 狭义相对论中的时间与空间1 对 同时 的认识 1 绝对时空观 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同时的 即 是绝对的 2 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不一定是同时的 即 同时 是 同时性 相对 相对的 2 对 长度 的认识 1 绝对时空观 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 即 也是绝对的 2 相对论时空观 长度 也具有 一条沿自身长度方向运动的杆 其长度总比静止时的长度小 但在垂直于杆的运动方向上 杆的长度没有变化 空间 相对性 3 时间间隔的相对性 1 绝对时空观 某事件经历的 不会因参考系不同而不同 2 相对论时空观 一个物理过程经历的时间 在不同的参考系中测量不一定相同 与之相对静止的参考系测得的时间最短 称为 惯性系 越大 惯性系中的物理过程进行得越慢 时间 固有时 速度 核心要点突破 一 理解经典力学的相对性原理1 两种参考系 1 惯性系 牛顿运动定律能够成立的参考系 牛顿运动定律在某个参考系中成立 这个参考系叫惯性系 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 2 非惯性系 牛顿运动定律不能成立的参考系 例如我们坐在加速的车厢里 以车厢为参考系观察路边的树木向后方加速运动 根据牛顿运动定律 树木应该受到不为零的合外力作用 但事实上没有 也就是牛顿运动定律不成立 即加速运动的物体可作为非惯性系 2 对经典力学的相对性原理的认识 1 经典力学的相对性原理 力学规律在任何惯性系中都是相同的 2 这里的力学规律指的是 经典力学规律 3 本原理可以有不同表示 比如 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另一个惯性系做匀速直线运动 或者说 任何惯性参考系都是平权的 即时应用 即时突破 小试牛刀 1 一只完全密封而不透明的船正在静水中匀速航行 船内的人能够感知船在运动吗 能够测量船的航行速度吗 如果船是加速航行呢 解析 如果船是真正的匀速航行 船内的人又无法以船外的物体为参考系 则无法感知船在运动 更不可能测量船的速度 这是伽利略相对性原理的要求 如果船是加速或减速航行 船内的人可以利用牛顿定律测量出船的加速度 但依然不能测量出船的瞬时速度 答案 见解析 二 对狭义相对论两个基本原理的理解1 狭义相对性原理 物理规律 力学 电磁学 光学等 对于所有惯性系都具有相同的形式 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物理规律 成为第一个假设 2 光速不变原理 在任何惯性系中 光在真空中的速度恒为c 与光源的运动和观测者的运动无关 这一条假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个光脉冲 如果人在与光源保持相对静止的参考系中观察 波前为以光源为中心的球面 如果在相对于光源做匀速直线运动的另一参考系中观察 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 所以光速不变原理与伽利略速度叠加原理是针锋相对的 具有观念上的革命性 特别提醒 以上两条假设就是狭义相对论的基础 之所以称为假设 是因为只是根据迈克尔孙一莫雷实验等几个实验提出 还没有数学上的逻辑推理和推导 在大量的结论和事实相符后 就成为狭义相对论基本原理 根据狭义相对论的假设 2 真空中的光速相对于飞船为c 相对于地面也为c 对不同惯性参考系是相同的 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 三 对狭义相对论几个主要结论的理解1 对相对论时空观的认识 1 同时 是相对的a b两个事件是否同时发生 与参考系的选择有关 图6 1 1 汽车以较快的速度匀速行驶 分别以地面和汽车为参考系 一个观察者在地面s 处 另一观察者在汽车车厢中央s处 且s处上方有一闪光光源 当汽车经过s 时 车厢中央的光源发出闪光 对车上的观察者 这个闪光照到车厢前壁和后壁这两个事件是同时发生的 对车下的观察者 他观察到闪光先到达后壁后到达前壁 这两个事件是不同时发生的 2 长度的相对性 长度缩短效应 长度的测量方法 同时测出杆的两端m n的位置坐标 坐标之差就是测出的杆长 图6 1 2 课堂互动讲练 一列火车以速度v相对地面运动 如果地面上的人测得 某光源发出的闪光同时到达车厢的前壁和后壁 如图6 1 3所示 那么按照火车上人的测量 闪光先到达前壁还是后壁 火车上的人怎样解释自己的测量结果 图6 1 3 精讲精析 由于地面上人测得闪光同时到达前后两壁 在光向前后两壁传播的过程中火车要相对于地面向前运动一段距离 所以光源发光的位置一定离前壁较近 这个事实对于车上 车下的人都是一样的 在车上的人看来 既然发光点离前壁较近 各个方向的光速又都是一样的 当然闪光先到达前壁 答案 见精讲精析 变式训练1 1 如果光源在运动火车车厢的中点 火车上的人会感到闪光同时到达车厢的前壁和后壁吗 站在车厢一侧地面上的人感觉怎样 2 如果是车厢静止 光源固定在火车车厢正中央 车上有一人坐在车厢上 车下有一人沿车厢方向向右运动 速度v 向右为前 那么两人此时的感觉又如何 解析 1 车厢里静止的人会感到闪光同时到达车厢的前壁和后壁 而车下地面上静止的人会感到闪光先到达后壁 理由同例1 2 如果车厢是静止的 地面上的人是运动的 则坐在车厢里的人会感觉闪光同时到达车厢的前壁和后壁 而车下行走的人会感到闪光先到达前壁 理由同例1 答案 见解析 如图6 1 4 假设一根10m长的梭镖以光速穿过一根10m长的管子 它们的长度都是在静止状态下测量的 以下叙述中最好的描述了梭镖穿过管子的情况的是 图6 1 4 a 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 因此在某个位置 管子恰好遮住梭镖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 精讲精析 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处在管子内部 然而当你和梭镖相对静止时 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 答案为d 答案 d 方法总结 1 相对论中的长度是相对的 在不同惯性系中观察结果是不同的 解题时必须明确所取长度是相对哪一个参考系而言 即在哪一个参考系中测量或观察的结果 2 平时我们观察不到这种长度收缩 是由于我们生活在比光速低得多的低速世界中 变式训练2人马星座a星是离太阳系最近的恒星 它距地球4 3 1016m 设有一宇宙飞船往返于地球和人马星座a星之间 若宇宙飞船的速度为0 999c 按地球上的时钟计算 飞船往返一次需多少时间 如以飞船上的时钟计算 往返一次的时间又为多少 答案 9年0 4年 1 如果u 和v都很大 例如u 0 6c v 0 6c 它们的合速度会不会超过光速 如果u 和v更大些呢 2 若u c 即在运动参考系中观察光的速度是c 求证 u c 即在另一个参考系中光的速度也是c 而与v的大小无关 答案 见自主解答 方法总结 按照经典的时空观 u u v 而从相对论的速度叠加来看 实际上人对地面的速度u比u 与