人教版选修34 时间和空间的相对性 第1课时 学案.docx

2.时间和空间的相对性预习目标：1知道同时的相对性、长度的相对性、时间间隔的相对性。2了解时空相对性的实验验证。3知道狭义相对论的时空观：空间和时间与物质的运动状态有关。重点：知道同时的相对性、长度的相对性、时间间隔的相对性。难点：知道狭义相对论的时空观预习新课：情景导入：根据相对论的时空观，运动起来时间就会变慢，那么下面这件事情又怎样判断呢？地面上的人认为a、b两个事件同时发生。对于坐在火箭中沿两个事件发生地点的连线飞行的人来说，哪个事件先发生？提示：b事件先发生。可以设想，在事件a发生时a处发出一个闪光，事件b发生时b处发出一个闪光。两闪光相遇作为一个事件，发生在ab的中点，这在不同参考系中看都是一样的。相遇在中点这个现象在地面上很容易解释：两个闪光同时发出，两个闪光传播的速度一样，当然在中点相遇。但火箭上的人有如下推理：a、b扑面而来，在光向a、b传播的过程中，a、b两点向左移动了一段距离，所以光到a比到b多走一段距离，到b用时短些，所以火箭中的人认为b事件先发生。基础知识梳理1“同时”的相对性(1)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，在另一惯性系中观察也是_的。(2)相对论的时空观：“同时”具有相对性，即在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一惯性系中观察_的。2“长度”的相对性(1)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。(2)相对论的时空观：“长度”也具有相对性，一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度要_。在垂直于运动方向上，杆的长度_。(3)相对论中杆的长度公式：_，其中l0是与杆静止的人认为的长度，l是与杆相对运动速度为v的人认为的杆的长度。3时间间隔的相对性(1)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。(2)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，惯性系的速度越大，惯性系中的物理过程进行得越_。非但如此，惯性系中的一切物理过程都_了。(3)相对时间间隔公式：_，式中表示静止时惯性系中观察的时间间隔，t表示以速度v高速运动的参考系中观察同样两件事的时间间隔。4时空相对性的验证根据相对论，时间在运动中会进行得比较缓慢，也就是说，在空间中高速移动的时钟，比固定于地面上的时钟走得_。早在1941年，科学家通过对宇宙线的观测证实了相对论的结论，美国科学家罗西和霍尔在不同高度统计了宇宙线中子的数量，结果与相对论预言完全一致。5相对论的时空观牛顿物理学的绝对时空观：物理学的空间与时间是_的、_的、没有联系的，脱离物质而单独存在，与物质的运动无关。而相对论认为：有物质才有时间和空间，空间和时间与_有关。人类对于空间、时间的进一步地认识而形成的新的时空观，是建立在新的实验事实和相关结论与传统观念不一致的矛盾基础上，不断发展、不断完善起来的。答案：1(1)同时(2)不是同时2(1)相对运动(2)小没有变化(3)ll03(1)相同(2)不同慢变慢(3)t4慢5绝对分离物体的运动状态重点难点突破：一、怎样理解“动尺变短”和“动钟变慢”1动尺变短：狭义相对论中的长度公式：ll0中，l0是相对于杆静止的观察者测出的杆的长度，而l可以认为是杆沿自己的长度方向以速度v运动时，静止的观察者测量的长度。还可以认为杆不动，而观察者沿杆的长度方向以速度v运动时测出的杆的长度。2动钟变慢：时间间隔的相对性公式：t中，是相对事件发生地静止的观察者测量同一地点的两个事件发生的时间间隔，而t是相对于事件发生地以速度v运动的观察者测量同一地点的同样两个事件发生的时间间隔。也就是说：在相对运动的参考系中观测，事件变化过程的时间间隔变大了，这叫做狭义相对论中的时间膨胀。二、“动钟变慢”公式的推导两个完全相同的时钟，对好指针，一个放在静止的参考系中，一个放在运动的参考系中，运动的时钟走得比静止的要慢。一个物理事件发生在运动惯性系中，运动系中的观察者测量的时间是t，静止的参考系中测量的时间是t，结果是tt。例如，如图甲所示，在运动的车厢里的观察者看到从车厢底板发出的一束光经顶板反射又回到底板，事件发生的时间为甲乙在地面上的观察者研究同一事件，经历的时间为t，如图乙所示，由几何关系有：ct2，即t由两式得：t。【例1】 长度测量与被测物体相对于观察者的运动有关，物体在运动方向上长度缩短了。一艘宇宙飞船的船身长度为l090 m，相对地面以v0.8c的速度从一观测站的上空飞过。(1)观测站测得飞船的船身通过观测站的时间间隔是多少？(2)宇航员测得船身通过观测站的时间间隔是多少？解析：(1)观测站测得船身的长度为ll090 m54 m通过观测站的时间间隔为t2.25107 s(2)宇航员测得飞船船身通过观测站的时间间隔为t3.75107 s答案：(1)2.25107 s(2)3.75107 s题后反思：在和被测物体有相对运动的观察者看来，物体沿运动方向的长度变短了。【例2】 半人马座星是离太阳系最近的恒星，它距地球4.01016 m。设有一宇宙飞船自地球往返于半人马座星之间。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？若以飞船上的时钟计算，往返一次的时间又为多少？解析：以地球上的时钟计算t s2.67108 s8.46年；若以飞船上的时钟计算：因为t所以得t2.67108 s5.3105 s60.9天。答案：8.46年60.9天题后反思：在运动的惯性参考系中观测时间具有延缓效应。课堂练习：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错；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】a2. 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】cd3. 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】cd4. 属于狭义相对论基本假设的是：在不同的惯性系中()a真空中光速不变b时间间隔具有相对性c物体的质量不变d物体的能量与质量成正比【解析】本题考查了相对论的基本知识，对于这类问题的解答重点在于有关基本知识的记忆上由狭义相对论的基本假设可知a项是正确的【答案】a5. 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【解析】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，故c正确，d错误【答案】d6. 爱因斯坦相对论的提出，是物理学思想的重大革命，因为它()a揭示了时间、空间并非绝对不变的属性b借鉴了法国科学家拉瓦锡的学说c否定了牛顿力学的原理d修正了能量、质量相互转化的理论【解析】爱因斯坦相对论揭示了时间、空间并非绝对不变的属性【答案】a7 .有兄弟两人，哥哥乘坐宇宙飞船以接近光速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，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，物体上的时间进程越慢，生理进程也越慢d这是神话，科学无法解释【解析】根据狭义相对论的理论，运动的时钟会变“慢”，哥哥相对于弟弟而言以接近光速的速度运动，因而哥哥显得比弟弟年轻，故选c.【答案】c8. 下列说法中不正确的是()a一根杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同，这是经典物理学家的观点b一根沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度小c一根杆的长度静止时为l0，不管杆如何运动，杆的长度均小于l0d如果两根平行的杆在沿自己的长度方向上做相对运动，与它们一起运动的两位观察者都会认为对方的杆缩短了【解析】若杆沿垂直于自身长度的方向运动，它的长度将不变，c选项正确【答案】c图15129. 如图1512所示，你站在水平木杆ab的中央附近，并且看到木杆落在地面上时是两端同时着地的，所以，你认为这木杆是平着落到了地面上；若此时飞飞小姐正以接近光速的速度从你前面掠过，她看到b端比a端先落地，因而她认为木杆是向右倾斜着落地的她的看法是()a正确的b错误的c她应感觉到木杆在朝她运动d她应感觉到木杆在远离她运动【解析】当飞飞小姐掠过木杆时，在她看来，木杆不仅在下落，而且还在朝她运动，正好像星体朝你的飞船运动一样因此，在你看来同时发生的两个事件，在飞飞小姐看来首先在b端发生到底在a和b处的两个事件是同时发生，还是在b处先发生？这一问题是没有意义的因为运动是相对的，对运动的描述取决于选择的参考系对于你来说木杆是平着下落的，对飞飞小姐来说木杆是向右斜着下落的，虽然难以置信，但你和她都是正确的【答案】ac10. 如图1513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()图1513a0.4cb0.5cc0.9c dc【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】d11. 惯性系s中有一边长为l的正方形(如图a所示)，从相对s系沿x方向以接近光速飞行的飞行器上测得该正方形的图象是()【解析】由相对论知识ll0得运动方向上的边的边长变短，垂直运动方向的边的边长不变，c图象正确【答案】c12.假设甲在接近光速的火车上看地面上乙的手中沿火车前进方向放置的尺，同时地面上的乙看甲的手中沿火车前进方向放置的相同的尺，则下列说法正确的是()a甲看到乙的手中的尺长度比乙看到自己手中的尺长度大b甲看到乙的手中的尺长度比乙看到自己手中的尺长度小c乙看到甲的手中的尺长度比甲看到自己手中的尺长度大d乙看到甲的手中的尺长度与甲看到自己手中的尺长度相同【解析】由ll0可知，运动的观察者观察静止的尺子和静止的观察者观察运动的尺子时，都发现对方手中的尺子比自己手中的变短了，故b正确，a、c、d错误【答案】b作业：1在一惯性系中观测，有两个事件同时不同地，则在其他惯性系中观察，结果是()。a一定同时b可能同时c不可能同时，但可能同地d不可能同时，也不可能同地2一列火车以接近光的速度从我们身边飞驰而过，下列说法中正确的是()。a我们感到车厢和车窗的高度都变高了b我们感到车厢和车窗的高度都变矮了c我们感到车厢的前后壁的距离都变小了d车上的人认为车上与车下的情况都与往常一样3惯性系s中有一边长为l的正方形，从相对s系沿x方向以接近光速匀速飞行的飞行器上测得该正方形的图象是图中的()。4如果你以接近于光速的速度朝一星体飞行，你是否可以根据下述变化发觉自己是在运动()。a你的质量在增加b你的心脏跳动在