高中物理 相对论 知识点全解析

1、高三物理第一学期新课预习第一周 天津市立思辰网络教育有限公司 版权所有 1 / 8 第一学期第一周第一学期第一周 课程内容 第十五章 相对论简介 1.相对论的诞生 2.时间和空间的相对性 3.狭义相对论的其他结论 4.广义相对论简介 2014-2015 学年 高三物理第一学期新课预习第一周 天津市立思辰网络教育有限公司 版权所有 3 / 8 1、准备知识要点：了解创立科学理论的在熟练掌基本方法提出假设 2、本阶段知识要点：了解伽利略相对性原理，知道时空观与参考系的联系，了解狭 义相对论的理论基础及几个结论，了解广义相对论的几个结论 3、拓展知识要点：感受科学家勇于质疑、探求真理、批评创新的品质

2、，培养思维的 多向性和发散性。 1伽利略相对性原理：1伽利略相对性原理： 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，相对一个惯性系做 匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系. 伽利略的一段话，生动地描述了一艘平稳行驶的大船里发生的事情.“船停着不动时， 你留神观察，小虫都以等速向各方向飞行，鱼向各个方向随意游动，水滴滴进下面的罐 中；你把任何东西扔给你的朋友时，只要距离相等，向这一方向不比向另一方向用更多的 力.你双脚齐跳，无论向哪个方向跳过的距离都相同.当你仔细观察这些事情之后，再使船以 任何速度前进，只要运动是匀速的，也不忽左忽右地摆动，你将发现，所有上述现象丝毫 没有变化.

3、你也无法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是停着不动”。 伽利略相对性原理表述1：力学规律在任何惯性系中都是相同的.这个论述叫做相对性 原理. 伽利略相对性原理表述2：在一个惯性参考系内进行任何力学实验都不能判断它是否 在相对于另一个惯性参考系做匀速直线运动；或者说，任何惯性系都是平权的. 2狭义相对论的两个基本假设：2狭义相对论的两个基本假设： （1）狭义相对性原理：在不同的惯性系中，一切物理规律都是相同的。 （2）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。 3时间和空间的相对性：3时间和空间的相对性： （1）“同时”的相对性：“同时”是相对的。在一个参考系中看来“同时”

4、的，在另一个参 考系中却可能“不同时”。 假设一列很长的火车在沿平直轨道飞快地匀速行驶.车厢中央有一个光源发出了一个闪 光，闪光照到了车厢的前壁和后壁，这是两个事件.车上的观察者认为两个事件是同时的.在 他看来这很好解释，因为车厢是个惯性系，光向前、后传播的速度相同，光源又在车厢的 中央，闪光当然会同时到达前后两壁（图甲）. 高三物理第一学期新课预习第一周 天津市立思辰网络教育有限公司 版权所有 4 / 8 车下的观察者则不以为然.他观测到，闪光先到达后壁，后到达前壁.他的解释是：地面 也是一个惯性系，闪光向前、后传播的速度对地面也是相同的，但是在闪光飞向两壁的过 程中，车厢向前行进了一段距离

5、，所以向前的光传播的路程长些，到达前壁的时刻也就晚 些（图乙），这两个事件不同时. 接受了爱因斯坦的两个假设，我们自然会得出“同时是相对的”这样一个结论. 为什么在日常生活中没有人觉察到这种相对性？原来，火车运动的速度远远小于光 速，光从车厢中央传播到前后两壁的短暂时间内，火车前进不了多大距离，因此地面观察 者不会发现闪光到达前壁、后壁的时间差 （2）长度的相对性：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。 即 2 0 )(1 c v ll = （式中l，是与杆相对运动的人观察到的杆长，l0是与杆相对静止的人观察到的杆 长）。 在垂直于运动方向上，杆的长度没有变化。 这种长度的变化

6、是相对的，如果两条平行的杆在沿自己的长度方向上做相对运动， 与他们一起运动的两位观察者都会认为对方的杆缩短了。 （3）时间间隔的相对性： 从地面上观察，高速运动的飞船上时间进程变慢，飞船上的人则感觉地面上的时间进 程变慢。 t= 2 )/(1/cv 。（式中 是与飞船相对静止的观察者测得的两事件的时间间隔， t是地面上观察到的两事件的时间间隔）。 更严格的推导表明，上式具有普遍意义，它意味着，从地面上观察，火车上的时间进 程变慢了，由于火车在运动，车上的一切物理、化学过程和生命过程都变慢了：时钟走得 慢了，化学反应慢了，甚至人的新陈代谢也变慢了可是车上的人自己没有这种感觉， 他们反而认为地面上

7、的时间进程比火车上的慢，因为他们看到，地面正以同样的速度朝相 反的方向运动！ (4)时空相对性的实验验证 时空相对性的最早证据跟宇宙线的观测有关（1941 年）.宇宙线是来自太阳和宇宙深 处的高能粒子流，它和高层大气作用，又产生多种粒子，叫做次级宇宙线，它们统称宇宙 线.次级宇宙线中有一种粒子叫做子，寿命不长，只有3.0s，超过这个时间后大多数子 就衰变为别的粒子了.宇宙线中子的速度约为0.99c，所以在它的寿命之内，运动的距离 只有约890m.子生成的高度在100km以上，这样说来宇宙线中的子不可能到达地面.但 在实际上，地面观测到的宇宙线中有许多子，这只能用相对论来解释. 高三物理第一学期

8、新课预习第一周 天津市立思辰网络教育有限公司 版权所有 5 / 8 我们说子的寿命为3.0s，这是在与它相对静止的参考系中说的.从地面参考系看， 子在以接近光速的速度运动，根据（l）式，它的寿命比3.0s长得多，在这样长的时间 内，许多子可以飞到地面. 如果观察者和子一起运动，这个现象也好解释.这位观察者看到，子的寿命仍是3.0 s，但是大地正向他扑面而来，因此大气层的厚度不是100km，由于长度的相对性，在 他看来大气层比100km薄得多，许多子在衰变为其他粒子之前可以飞过这样的距离. 相对论的第一次宏观验证是在 1971年进行的.当时把铯原子钟放在喷气式飞机上作环 球飞行，然后与地面上的基

9、准钟对照.实验结果与理论预言符合得很好. 4狭义相对论的其他结论：4狭义相对论的其他结论： （1）相对论速度变换公式：)/1/( 2 cvuvuu + = 。（式中v为高速火车相对地的速 度，u为车上的人相对于车的速度，u为车上的人相对地面的速度）。 对于低速物体u与v与光速相比很小时，根据公式u=)/1/()( 2 cvuvu + + 可知 v u 8km 此子有可能到达地面。 例题6：两个电子相向运动，每个电子相对于实验室的速度都是 4c/5 电子的静质量等 于me求:两电子的相对速度是多少?在实验室中观测,每个电子的质量是多少?总动能又是 多少?若以一个电子为参考系,两个电子的总动能又是

10、多少? 分析与解：由速度变换公式: 1 2 得 c vu vu u + + = . 41 40 5 4 5 4 1 5 4 5 4 2 c c cc cc u = + + = ( )( ) 10 22 3 8 1 13 6 10 8 10 1 1 3 10 t t.min v c =+ =+ 高三物理第一学期新课预习第一周 天津市立思辰网络教育有限公司 版权所有 8 / 8 在实验室中观测，每个电子质量是： . 3 5 ) 5 4 (1/)(1/ 22 eee mm c v mm = = = 高三物理 第一学期 巩固练习 第一周 天津市立思辰网络教育有限公司 版权所有 3 / 7 1、地面上

11、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连线飞行的 人来说(如图所示)，哪个事件先发生? 2、a、b、c 是三个完全相同的时钟，a 放在地面上，b、c 分别放在两个火箭上，以 速度vb和vc朝同一方向飞行， vbvc，地面上的观察者认为哪个时钟走得最慢？哪个走 得最快？ 3、如果有一支静止时长 30 m 的火箭，以光速的二分之一的速度从观察者的身边掠 过，以下说法中正确的是 a地面上的观察者测得的火箭长为 30 m b地面上的观察者测得的火箭长小于 30 m c地面上的观察者测得的火箭长大于 30 m d火箭上的观察者测得的火箭长为 30 m 4、一列火车以速度v相对地面运动

12、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，以下说法中正确的是 a火车上的人测得，闪光先到达前壁 b火车上的人测得，闪光先到达后壁 c火车上的人测得，闪光同时到达车厢 的前壁 和后壁 d条件不足，无法确定 5、下列说法正确的是 （ ） a力学规律在任何参考系中都是相同的 b在所有惯性系中物理规律都是相同的 c在高速运动情况下，惯性系中的物理规律也不一定相同 d牛顿运动定律在非惯性系中不变 6、设某人在以速度为 0.5c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 1.5c b飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为 0.5c 高三

13、物理 第一学期 巩固练习 第一周 天津市立思辰网络教育有限公司 版权所有 4 / 7 c在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是c d在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c 7、一长杆在车厢中静止，杆与车厢前进的方向平行，在车厢中测得杆长为 1.0 m，若 车厢以 0.6c 的速率行驶（c为光速），则在地面上测得的杆长为_ _ _ 8、一飞船以 u=9103m/s 的速率相对于地面飞行，飞船上的钟走了 5s，用地面上的 钟测量经过了多长时间？ 9、在狭义相对论中，下列说法中哪些是正确的（ ） (1)一切运动物体相对于观察者的速度都不能大于真空中的光速 (2)质量、长度、时间的测量结果都

14、是随物体与观察者的相对运动状态而改变的 (3)在一惯性系中发生于同一时刻，不同地点的两个事件在其他一切惯性系中也是同时 发生 (4)惯性系中的观察者观察一个与他作匀速相对运动的时钟时，会看到这时钟比与他相 对静止的相同的时钟走得慢些 a(1) (3) (4) b(1) (2) (4) c(1) (2) (3) d(2) (3) (4) 10、甲在接近光速的火车上看乙手中沿火车前进方向放置的尺子，同时乙在地面上看 甲手中沿火车前进方向放置的尺子，则下列说法正确的是（ ） a甲看到乙手中的尺子长度比乙看到自己手中的尺子长度大 b甲看到乙手中的尺子长度比乙看到自己手中的尺子长度小 c乙看到甲手中的尺

15、子长度比甲看到自己手中尺子长度大 d乙看到甲手中的尺子长度比甲看到自己手中尺子长度小 11、设想在人类的将来实现了恒星际航行，即将火箭发射到邻近的恒星上去，火箭相 对于日心恒星坐标系的速率为v=0.8c，火箭中静止放置长度为 1.0 m 的杆，杆与火箭 方向平行，求在日心恒星坐标系中测得的杆长。 12、一艘宇宙飞船的船身固有长度为l0 =90 m，相对于地面以=v0.8 c (c为真空中 光速)的匀速度在地面观测站的上空飞过 （1）观测站测得飞船长及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？ 13、某人测得一静止棒长为l、质量为 m，于是求得此棒的线密度

16、为 l m =。假定此 棒以速度 v 在棒长方向上运动，此人再测棒的线密度应为多少？若棒在垂直长度方向上运 动，它的线密度又为多少？ 14、太阳在不断地辐射能量，因而其质量也不断地减少。若太阳每秒钟辐射的总能量 为 41026j，试计算太阳在一秒内失去的质量。估算 5000 年内总共减少了多少质量。 高三物理 第一学期 巩固练习 第一周 天津市立思辰网络教育有限公司 版权所有 5 / 7 15、1905 年，爱因斯坦创立了“相对论”，提出了著名的质能方程 emc2，下面涉及 到对质能方程理解的几种说法中，正确的是 （ ） a若物体的能量增大，则它的质量增大 b若物体的能量增大，则它的质量减小

17、c若核反应过程质量减小，则需吸收能量 d若核反应过程质量增大，则会放出能量 16如图所示，沿平直铁路线有间距相等的三座铁塔 a、b 和 c。假想有一列车沿 ac 方向以接近光速行驶，当铁塔 b 发出一个闪光，列车上的观测者测得 a、c 两铁塔被照亮 的顺序是（ ） a同时被照亮 ba 先被照亮 cc 先被照亮 d无法判断 17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 18（1）如图甲所示，强强乘电梯速度为 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

18、光进行联络，则壮壮观测到该光束 的传播速度为_。（填写选项前的字母） 甲 乙 丙 a0.4c b0.5c c0.9c d1.0c 高三物理 第一学期 巩固练习 第一周 天津市立思辰网络教育有限公司 版权所有 6 / 7 （2）在0t =时刻，质点 a 开始做简谐运动，其振动图象如图乙所示。 质点 a 振动的周期是_s；8ts=时，质点 a 的运动沿y轴的_方 向（填“正”或“负”）；质点 b 在波动的传播方向上与 a 相距 16m。已知波的传播速度为 2m/s，在9ts=时，质点 b 偏离平衡位置的位移是_cm （3）图丙是北京奥运会期间安置在游泳池底部的照相机拍摄的一张照片，相机的镜头竖 直向上。照片中，水立方运动馆的景象呈现在半径11rcm=的圆形范围内，水面上的运动 员手到脚的长度10lcm=，若已知水的折射率为 4 3 n=，请根据运动员的实际身高估算该 游泳池的水深h。（结果保留两位有效数字） 1、b 事件先发生。 2、c 时钟走得最慢，a 走得最快。 3、bd 4、a 5、b 6、cd 7、0.8m 8、5.000 000 002s 9、b 10、bd 11、0.6 m 12、54m 2