2019-2020学年高中物理 第六章 相对论 第1节 牛顿力学中运动的相对性 第2节 狭义相对论的两个基本假设学案 教科版选修3-4

第1节 牛顿力学中运动的相对性 第2节 狭义相对论的两个基本假设1.了解经典力学中运动的相对性及经典时空观.2.知道狭义相对论的两个基本假设.(重点难点)一、牛顿力学中运动的相对性1.伽利略相对性原理(1)在任何惯性参考系中，力学规律都是一样的，都可以用牛顿定律来描述，这就是伽利略相对性原理，又叫经典的相对性原理.(2)在惯性参考系中，受到合外力为零的物体做匀速直线运动；相对于惯性系做匀速直线运动的参考系，也是惯性系.2.经典时空观：经典时空观又称绝对时空观，认为时间和空间是相互独立的、互不相关的.3.伽利略速度变换由绝对时空观可导出一个简单的速度变换关系.在相对地面以速率u开行的车厢内，某人相对于车厢以速率v向前急跑时相对地面的速率就是vuv，如果他向后跑时，相对于地面的速率就是vuv.v和v不一样.速率从一个参考系变换到另一个参考系的这样的关系式称为伽利略速度变换公式.二、狭义相对论的两个基本假设1.爱因斯坦相对性原理：对不同的惯性系，物理规律(包括力学的和电磁的)都是一样的.2.光速不变原理：光在真空中运动的速度在任何惯性系中测得的数值都是相同的.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？如果船是加速或减速航行呢？提示：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.理解经典力学的相对性原理应注意的问题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.伽利略相对性原理的三种表述(1)表述一：力学规律在任何惯性系中都是相同的.(2)表述二：通过任何力学实验，都不可能发现惯性系是处于绝对静止状态还是在做匀速直线运动.(3)表述三：任何惯性参考系都是平权的.3.经典时空观的主要内容时间和空间彼此独立、互不关联，且不受物质运动的影响.(1)同时的绝对性：在一个参考系中同时发生的事件，在其他参考系中观察也是同时的.(2)时间间隔的绝对性：任何事件经历的时间在不同的参考系中测量都是相同的.(3)长度的绝对性：无论选用什么参考系，对空间两点距离的测量结果是相同的.(4)物体的质量不随物体的运动而改变.因此，在经典时空观下，长度、时间、质量这三个基本物理量都与参考系的选择无关.如图所示，在列车车厢的光滑水平面上有一个质量为m5 kg的小球，正随车厢一起以20 m/s的速度匀速前进，现在给小球一个水平向前的f5 n的拉力作用，求经10 s时，车厢里的观察者和地面的观察者看到小球的速度分别是多少？解析对车上的观察者物体的初速度v00，加速度a1 m/s210 s时速度v1at10 m/s.对地上的观察者法一：物体初速度v020 m/s加速度相同a1 m/s2.10 s末速度v2v0at30 m/s.法二：根据速度合成法则v2v1v0(1020) m/s30 m/s.答案10 m/s 30 m/s在两个惯性系中，虽然观察到的结果并不相同，一个10 m/s，另一个30 m/s，但我们却应用了同样的运动定律和速度合成法则. 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.(多选)下列说法中正确的是()a在以c竖直方向升空的火箭上向前发出的光，对地速度一定比c大b在以c竖直方向升空的火箭上向后发出的光，对地速度一定比c小c在以c竖直方向升空的火箭上沿水平方向发出的光，对地速度为cd在以c竖直方向升空的火箭上向任一方向发出的光，对地速度都为c解析根据狭义相对论的基本假设光速不变原理可知：真空中的光速相对于火箭的速度为c，相对于地面的速度也为c，对不同的惯性系是相同的，因此c、d正确，a、b错误. 答案cd我们能否取得大于光速c的速度？用激光器产生的光束照射月球时，在月球上形成一光斑，由于月球离地球的距离约为3.8108 m，所以只要令激光器以1弧度/秒这一不大的角速度转动，就可使月球上的光斑以大于光速c的速度移动.这与物质的运动速度不能超过光速这一相对论结论是否发生矛盾？解析：狭义相对论指出任何物质(包括电磁场的能量)的运动速度都不能超过真空中的光速c.若按运动学公式vr计算，那么光斑的速度就可以超过光速了.但应注意，这里的运动学公式实质上是从几何学公式sr变化而来的，并不说明物体一定能达到按此公式计算出来的速度大小.更重要的一点是，月球上不同时刻、不同地点的光斑是由不同的激光束产生的.光斑不断产生，又不断消失，就产生光斑运动的感觉.前后两个光