人教版选修34 相对论的诞生 第1课时 学案.docx

15.1相对论的诞生学习目标（1）了解经典的相对性原理（2）知道相对性原理与电磁规律之间的矛盾（3）知道狭义相对论的两个基本假设学习重点、难点：狭义相对论的两点假设学习方法：阅读小结知识导学 在学习本节时，把现实生活中的物理现象联系起来，以便更好地理解相对性原理，更要充分理解清楚“地面上认为同时的两个事件，对于沿着两个事件发生的连线运动的观察者来说，更先靠前面的那个事件发生在先”，并且要记住这个有用的结论.学习过程：引入：牛顿的经典力学的基础就是以牛顿命名的三条定律，这一理论形成于十七世纪，在以后的两个多世纪里，牛顿力学对科学和技术的发展起了巨大的推动作用，同时自身也得到了很大发展。但是，进入二十世纪，物理学研究的领域开始深入到了微观高速领域，这时人们发现牛顿力学在这些领域不再适用。物理学的发展要求对牛顿力学以及某些长期认为是不言自明的基本观念作出根本性的变革，物理学需要一场革命！二十世纪初诞生的相对论和量子力学就是这场从经典物理向近代物理变革的标志。一、经典的相对性原理1、惯性系： 牛顿运动定律成立的参考系 相对于一个 参考系做匀速直线运动的另一个参考系也是 2、伽利略相对性原理 力学规律在 中都是相同的 还可表述为：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；或者说，任何惯性系都是 的。二、相对性原理与电磁规律牛顿的伽利略相对性原理是作为基本假设提出来的，它之所以为人们接受承认，一方面是牛顿力学在解决力学问题获得的巨大功；另一方面观察结果与人们的经验相符。但是十九世纪中叶，人们在研究与物体运动有关的电磁现象时，发现在电磁现象的规律不符合相对性原理其中最典型的就是 的问题 任何参照系中测得的光在真空的速率都应该是这一数值这一结论还特别为后来的很多精确的实验所证实，最著名的是1887年 所做的实验。它们都明确无误地证明光速的测量结果与光源和测量者的相对运动无关，亦即与参照系无关。 可见光和电磁波的运动不服从伽利略相对原理.上述的矛盾使物理学家面临两个选择，一是修正现有的理论，去迎合实验结果（这相对比较容易，但常常无效）； 另一种主张彻底摆脱“麦克斯韦电磁理论只适用于某一特殊的惯性系”，创立全新的理论。爱因斯坦、庞加莱等人选择了后者并提出了两个假设。三、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，一切 都是相同的2、光速不变原理 的光速在不同的惯性参考系中是 的，光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。就是在看来如此简单且最一般的两个假设的基础上爱因斯坦建立了一套完整的理论狭义相对论3、对两个基本原理的正确理解自然规律不仅包括力学规律，还包括电磁学规律等其他所有的物理学规律；强调真空中的光速不变指大小既不依赖于光源或观察者的运动，也不依赖于光的传播方向 几十年来科学家采用各种先进的物理技术测量光速，结果都不违背光速不变原理 疑难突破 狭义相对论两条基本公设的理解 剖析：爱因斯坦的狭义相对论原理是伽利略力学相对性原理的推广.（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.典题精讲【例题】 设有甲、乙两人，甲以2 m/s的速度向东行走，乙以1.5 m/s的速度向西行走，求甲相对乙的速度大小为_.思路解析：本题主要是考查了速度的相对性，确定一个物体速度的前提是参考系的选取，首先要分析知道甲是以乙为参考系的，然后转化为数学问题求解.设甲相对乙的速度为v，则v=2 m/s+（-1.5） m/s=0.5 m/s.答案：0.5 m/s绿色通道：（1）在解相对论问题时要注意题中所提到的事物是以什么物体作为参考系的.（2）注意题中所说的是相对速度还是绝对速度.即如果以地面为参考系的速度是绝对速度，而以其他对地面而言不静止的物体来说则是相对速度.变式训练：设有a、b两列车，分别以5 km/s、10 km/s的速度向东行驶，则b相对a的速度大小为_，方向_.答案：5 km/s 向东 问题探究 问题：如何利用实验去探究狭义相对论原理？ 导思：研究狭义相对论的方法有多种，但有一点是不变的，那就是都围绕一个基本的物理定律相同展开的，要想办法把想要研究的那一方面用事物的表象反映出来.比如要想去比较系统内各事物间的关系就必须不能让系统内的事物和系统以外的事物相比较. 这就是为什么要让坐在船上的人在舱内看不到外界，在这种情况下他要去感觉船是否在运动就只能选靠舱内的事物作参考. 探究：当你乘坐轮船时，如果坐在舱内且看不到外界的话，分别让船静止不动和做匀速直线运动，尽管两种运动完全不同，但坐在船舱中的人却感觉不到. 探究结论：通过实验探究，可以发现：在静止或匀速直线运动的系统内的人，不以外界其他事物作参考时是不会感觉到他所处的系统是运动的还是静止的.牛顿运动定律只适用于惯性系.以地面为参考系，人和船的运动规律都符合牛顿第二定律.对惯性系和非惯性系的认识1惯性系：牛顿运动定律能够成立的参考系称为惯性参考系。牛顿定律成立的这个参考系是惯性参考系，相对于这个参考系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性参考系。2非惯性系：牛顿定律不能成立的参考系称为非惯性参考系。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、房屋向后方加速运动，根据牛顿第二定律，房屋和树木应该受到不为零的合力作用，但事实上没有，也就是牛顿定律不成立，这里的加速车厢就是非惯性参考系。如何判断一个参考系是惯性参考系还是非惯性参考系？我们通常选大地是惯性参考系，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。麦克斯韦电磁理论中的电磁波的光速是相对哪个参考系的呢自从麦克斯韦预言了光的电磁本质以及电磁波的速度以后，物理学家们就在思考，这个速度是相对哪一个参考系说的？如果存在一个特殊的参考系o，光对这个参考系的速度是c，另一个参考系o以速度v沿光传播的方向相对参考系o运动，那么在o中观测到的光速就应该是cv，如果参考系o逆着光的传播方向运动，在参考系o中观测到的光速就应该是cv。由于一般物体的运动速度比光速小得多，cv和cv与光速c的差别很小，在19世纪的技术条件下很难直接测量，于是物理学家们设计了许多巧妙的实验，力图测出不同参考系中光速的差别。最著名的一个实验是美籍物理学家迈克耳孙设计的。他把一束光分成互相垂直的两束，一束的传播方向和地球运动的方向一致，另一束和地球运动的方向垂直，然后使它们发生干涉，如果不同方向上的光速有微小的差别，当两束光互相置换时干涉条纹就会发生变化。由于地球在宇宙中运动的速度很大，希望它对光速能有较大的影响。但是，这个实验和其他实验表明，不论光源和观察者做怎样的相对运动，光速都是相同的。这些否定的结果使当时的物理学家感到震惊，因为它和传统的观念，例如速度合成的法则，是矛盾的。在这样的背景下爱因斯坦建立了狭义相对论的两个基本假设。类型一 惯性参考系和非惯性参考系【例1】 如图所示，在列车车厢里的光滑水平面上有一个质量为m=5 kg的小球，正随车一起以20 m/s的速度匀速前进，现给小球一个水平向前的f=5 n的拉力作用，求经历10 s时，车厢里的观察者和地面上的观察者看到的小球的速度分别是多少？解析：对车上的观察者：小球的初速度为0，加速度为a m/s21 m/s2经历10 s的时间，速度为vat110 m/s10 m/s地面上的观察者：小球的初速度v020 m/s，加速度为a m/s21 m/s2经历10 s的时间，速度为vv0at(2010) m/s30 m/s答案：10 m/s30 m/s题后反思：地面上的观察者看到的速度也可以用速度的合成求解：vv0v130 m/s。两个观察者的结果虽然不同，但都使用了牛顿定律，因此都是惯性参考系。观察的结果不同，是因为选择了不同的参考系。类型二 光速不变原理【例2】 考虑几个问题：(1)如图所示，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，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？解析：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。答案：三种情况都是c题后反思：迈克耳孙莫雷实验证明了光速在任何惯性参考系中的速度是不变的，对于高速物体，伽利略速度合成法则不再适用。课堂练习：1有关经典相对性原理的叙述中，正确的是()。a经黄相对性原理对任何规律都适用b经典相对性原理仅是针对力学规律而言的c如果某个参考系中的力学规律相同，则这两个参考系一定都是惯性参考系d利用相对性原理可以确定任一参考系是否是惯性参考系答案：b经典相对性原理是从力学规律的角度来论述问题的，同时也仅对惯性参考系才成立，因此仅有b项正确。2.(多选)如果牛顿定律在参考系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.牛顿定律也同样成立b.牛顿定律不能成立c.a和b两个参考系中,一切力学规律都是相同的d.参考系b也是惯性参考系答案:acd3.(多选)关于狭义相对论的两个假设,下列说法正确的是()a.在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的b.在不同的惯性参考系中,力学规律都一样,电磁规律不一样c.真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的d.真空中的光速在不同的惯性参考系中是有差别的答案:ac4.如图所示,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.0.4c b.0.5c c.0.9c d.1.0c解析:真空中的光速在不同的惯性参考系中都相同。答案:d 5.话说有兄弟两个,哥哥乘坐宇宙飞船以接近光的速度离开地球去遨游太空,经过一段时间返回地球,哥哥惊奇地发现弟弟比自己要苍老许多,则该现象的科学解释是()a.哥哥在太空中发生了基因突变,停止生长了b.弟弟思念哥哥而加速生长了c.由相对论可知,物体速度越大,在其上时间进程就越慢,生理过程也越慢d.这是神话,科学无法解释解析:根据相对论的时间延缓效应,当飞船速度接近光速时,时间会变慢,时间延缓效应对生命过程、化学反应等也是成立的。飞船运行的速度越大,时间延缓效应越明显,人体新陈代谢越缓慢。答案:c6关于经典力学和狭义相对论，下列说法中正确的是()。a经典力学只适用于低速运动，不适用于高速运动(速度接近真空中的光速)b狭义相对论只适用于高速运动(速度接近真空中的光速)，不适用于低速运动c经典力学既适用于低速运动，也适用于高速运动(速度接近真空中的光速)d狭义相对论既适用于高速运动(速度接近真空中的光速)，也适用于低速运动答案：ad狭义相对论既适用于高速运动的物体，也适用于低速运动的物体，经典力学是狭义相对论在一定条件下的特殊情形，只适用于低速运动的物体。7以下说法中正确的是()a经典物理中的速度合成公式在任何情况下都是适用的b经典物理规律也适用于高速运动的物体c力学规律在一个静止的参考系和一个匀速运动的参考系中是不等价的d力学规律在任何惯性系里都是等价的答案：d8下列说法中正确的是()a研究铅球的运动，可以用牛顿定律和运动学公式b研究电子的运动可用牛顿定律和运动学公式c研究电子运动要用狭义相对论原理d研究铅球和电子的运动都要用牛顿运动定律答案：ac解析：以牛顿运动定律为基础的经典物理学处理低速、宏观物体的运动是相当完美的，但对于高速的微观的运动就无能为力了。显然，铅球的运动可以用牛顿定律来解决，而电子的运动则不能用牛顿定律来解决，而要用狭义相对论原理来解决。本题主要考查经典物理学的适用范围。9a、b两架飞机沿地面上一足球场的长度方向在其上空高速飞过，且vavb，在飞机上的人观察结果正确的是()aa飞机上的人观察到足球场的长度比b飞机上的人观察到的大ba飞机上的人观察到足球场的宽度比b飞机上的人观察到的小c两飞机上的人观察到足球场的长度相同d两飞机上的人观察到足球场的宽度相同答案：d解析：因为当一个惯性系的速度比较大时，根据知，足球场的长度沿飞行方向减小，而且速度越大，长度越小，故a、c均错误；而垂直于运动方向上，宽度是不随速度而变化的，因此b错误，d正确。10关于狭义相对论的说法，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运动的惯性系d狭义相对论在任何情况下都适用答案：d点拨：由狭义相对论的两个基本假设可知，a、b均正确，狭义相对论只涉及无加速运动的惯性系(广义相对论则涉及有加速运动的惯性系)，故c正确、d错误。作业：1设某人在速度为0.5 c的飞船上，打开一个光源，则下列说法正确的是()a飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为1.5 cb飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为0.5 cc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答案：cd点拨：根据狭义相对论的两个基本假设之一：光速度不变原理可知，观察者在地面上、飞船中观测到光的速度均为c，故c、d正确，a、b错误。2以下说法正确的是()a.经典物理中的速度合成公式在任何情况下都是适用的b.经典物理规律也适用于高速运动的物体c.力学规律在一个静止的参考系和一个匀速运动的参考系中是不等价的d.力学规律在任何惯性系里都是等价的解析：在所有惯性系中,一切力学规律都是等价的,故d正确,c错误;经典物理规律是狭义相对论在低速状态下的一个近似,所以经典物理规律只适用于低速运动的物体,而经典物理中的速度合成公式也只适用于低速情况,故a、b均错误。答案：d3.某地发生洪涝灾害,灾情紧急,特派一飞机前往,飞机在某高度做匀速直线运动,投放一包救急品,灾民看到物品做曲线运动,飞行员看到物品做自由落体运动,物品刚好落到灾民救济处,根据经典时空观,则下列说法正确的是()a.飞机为非惯性参考系b.飞机为惯性参考系c.灾民为非惯性参考系d.灾民为惯性参考系答案：bd4.关于狭义相对论的两个假设,下列说法正确的是()a.在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的b.在不同的惯性参考系中,力学规律都一样,电磁规律不一样c.真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的d.真空中的光速在不同的惯性参考系中是有差别的解析：根据狭义相对论的两个基本假设,选项a、c正确。答案：ac5.某地发生洪涝灾害,灾情紧急,特派一飞机前往,飞机在某高度做匀速直线运动,投放一包救急品,灾民看到物品做曲线运动,飞行员看到物品做自由落体运动,物品刚好落到灾民救济处,根据经典时空观,则下列说法正确的是()a.飞机为非惯性参考系b.飞机为惯性参考系c.灾民为非惯性参考系d.灾民为惯性参考系答案：bd6.下列说法正确的是()a.在以11 00