2　时间和空间的相对性.docx

相对论简介相对论的诞生 时间和空间的相对性一、相对论的诞生1经典相对性原理(1)惯性系：_成立的参考系。相对于一个惯性系做_的另一个参考系，也是惯性系。(2)伽利略相对性原理：力学规律在任何_中都是相同的。2狭义相对论的两个基本假设(1)狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是_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_的。二、时间和空间的相对性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，在另一个惯性系中观察也是_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，在另一个惯性系中观察不一定是同时的。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_。设与杆相对静止的观察者认为杆的长度为l0，与杆有相对运动的人认为杆的长度为l，则两者之间的关系是：l_。3时间间隔的相对性(1)经典的时空观：某两个事件，在不同的惯性参考系中观察，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。设表示相对事件发生地静止的惯性系中观测的时间间隔，t表示相对事件发生地以v高速运动的参考系中观察同样两事件的时间间隔，则它们的关系是：t 4相对论时空观(1)经典时空观：空间和时间是脱离物质存在的，是_的，空间和时间之间也是_联系的。(2)相对论时空观：空间和时间与物质的_有关。尝试想一想1如何判断一个参考系是惯性参考系还是非惯性参考系？提示：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。2光速不变已经被实验证实，为何仍叫“假设”呢？提示：虽然实验表明了假设所说的内容，但这终归是有限的几次实验。只有在从这两个假设出发，经过逻辑推理(包括数学推导)所得出的大量结论都与事实相符时，它们才能成为真正意义上的原理。3运动的时钟变慢是不是因为时钟的构造因运动而发生了改变？提示：运动的时钟变慢是在两个不同的惯性系中进行时间比较的一种效应，并非钟的结构因运动发生了改变。要点一相对论的诞生1.经典的相对性原理(1)惯性系：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。(2)相对性原理的三种表述表述一：力学规律在任何惯性系中都是相同的。表述二：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于另一个惯性系做匀速直线运动。表述三：任何惯性参考系都是平权的。2相对性原理与电磁规律在经典力学中如果某一惯性系相对另一惯性系的速度为v，在此惯性系中有一物体速度为c，那么，此物体相对另一惯性系的速度是cv吗？根据伽利略相对性原理答案是肯定的，但是这种答案被迈克耳孙莫雷的实验否定了。迈克耳孙莫雷实验证明了光速是不变的。这和传统的速度合成法则是矛盾的。3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相同。这两个假设是迈克耳孙莫雷的直接结论，但由于是有限的几次实验的结论，还要大量的实验来证明，还要经过逻辑推理的大量结论来验证才能成为真正的原理。4两个相对性原理的区别对于伽利略相对性原理来说，参考系中的坐标单位与参考系的运动无关；参考系中的时间与参考系的运动无关。其速度合成规律应满足vvu。v是某个惯性系相对另一个惯性系的速度，u是物体相对某个惯性系的速度，那么，物体相对另一个惯性系的速度为vvu。以此类推，若u是光速c，则在某个惯性系的光速相对于另一个惯性系的速度为vvc，那么，光速是可以变大或变小的(在真空中)。对于狭义相对论的相对性原理来说，力学规律对惯性系来说都是相同的，但是光速是不变的。由于光速是不变的，造成了与经典理论一些不同的结论。这些结论在低速的世界里是不易搞清的，但从天体的物理现象中却得到了证实。探究提升1如何理解光速不变原理？提示：我们经常讲速度是相对的，参考系选取不同，速度也不同，这是经典力学中速度的概念，但是，1887年迈克耳孙莫雷实验中证明的结论是：不论取什么样的参考系，光速都是一样的，也就是说光速的大小与选取的参考系无关，光的速度是从麦克斯韦方程组中推导出来的，它没有任何前提条件，所以这个速度不是指相对某个参考系的速度。2伽利略的相对性原理与狭义相对性原理有什么不同？提示：伽利略的相对性原理认为力学规律在任何惯性系中是相同的；狭义相对性原理认为在不同惯性系中一切物理规律都是相同的。例1下面说法正确的是()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解题反思1真空中的光速相对于竖直方向升空的火箭有什么特点？提示：根据光速不变原理，光速与参考系的选取无关。2真空中的光速相对于地面的速度与相对火箭的速度有什么关系？提示：对不同的惯性参考系光速是相同的，都为c。例2光源与参考系O相对静止，光源发出的光向右传播。(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向右运动时，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向左运动时，人看到的光速又是多少？类题通法光速不变原理的理解(1)真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的。(2)迈克耳孙莫雷实验证明光速不变原理是正确的。要点二时间和空间的相对性一、时间和空间的相对性1“同时”的相对性(1)经典的时空观：同时是绝对的，即如果两个事件在一个参考系中被认为是同时的，在另一个参考系中一定也被认为是同时的。(2)相对论的时空观：同时是相对的，即在一个惯性系中“同时”发生的两个事件，在另一个惯性系中可能是不同时的。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相对杆运动而不同。(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，其长度总比静止的长度小，但在垂直于杆的运动方向上，杆的长度没有变化。(3)相对长度公式：设相对于杆静止的观察者认为杆的长度为l0，与杆相对运动的人认为杆的长度为l，杆相对于观察者的速度为v，则l、l0、v之间的关系为：ll0。3时间间隔的相对性(1)经典的时空观：两个事件，在不同的惯性系中观察，它们的时间间隔总相同。(2)相对论的时空观：两个事件，在不同的惯性参考系中观察，它们的时间间隔是不同的，惯性系相对于观察者的速度越大，惯性系中的时间进程进行得越慢。非但如此，惯性系中的一切物理、化学和生命过程都变慢了。(3)相对时间间隔公式：设表示静止的惯性系中观测的时间间隔，t表示以v高速运动的参考系中观察同样两事件的时间间隔，则它们的关系是：t。因总有vc，所以t动钟变慢。二、相对论时空观及验证1相对论时空观(1)时间和物质的存在有关，它的长短与物质的运动速度有关。(2)空间也与物质的存在有关，物质的运动速度大小使空间变了形。2相对论时空观的验证时空相对性的最早证据跟宇宙射线的观测有关。如子，寿命为3.0 s。宇宙射线中的子速度约为0.99c，子生成的高度在100 km以上，虽然它只能飞行约890 m，但实际上，地面观测到的宇宙射线中有许多子，对此现象解释如下：从地面观察者来看，子在以接近光速的速度运动，它的寿命比与子静止的参考系中的3.0 s要长得多，在这样长的时间内，许多子可以飞到地面。从与子一起运动的观察者来看，子寿命仍是3.0 s，但大地正向他扑面而来，因此大气层的厚度不是100 km，而是比100 km薄得多，许多子在衰变为其他粒子前可以飞过这样的距离。探究提升1如何理解同时的相对性？提示：同时是指两个事件发生的时刻是相同的，“相同”是观察者得出的结论，不同的观察者观察到的结果是不“相同”的。2如何理解“动钟变慢”？提示：运动的时钟变慢：时钟相对于观察者静止时，走得快；相对于观察者运动时，观察者会看到它变慢了，运动速度越快，效果越明显，即运动着的时钟变慢了。t，其中t为地面观察者测得的时间间隔，为相对观察者静止时测得的时间间隔。例3一张宣传画是边长为5 m的正方形，一高速列车以2108 m/s的速度接近此宣传画，在司机看来，这张宣传画是什么样子？1尺沿任何方向运动其长度都缩短吗？提示：尺沿其长度方向运动时缩短，在垂直于运动方向长度不变。2当发生动尺变短时如何计算其长度？提示：由相对论长度公式ll0求解。例4介子与质子相碰可产生其他粒子。其中有一种k0粒子，它经d1101 m的距离便衰变成两个具有相反电荷的介子。若k0粒子的速率为v2.24108 m/s，试求其固有寿命。应用相对论“效应”解题的一般步骤首先，应该通过审题确定研究对象及研究对象的运动速度。其次，明确求解的问题，即明确求解静止参考系中的观察结果，还是运动参考系中的观察结果。最后，应用“尺缩效应公式”或“时间延缓效应公式”进行计算。相对论理解的三个误区示例用相对论的观点判断，下列说法不正确的是()A时间和空间都是绝对的，在任何参考系中一个事件发生的时间和一个物体的长度总不会改变B在地面上的人看来，以10 km/s的速度运动的飞船中的时钟会变慢，但是飞船中的航天员却看到时钟是准确的C在地面上的人看来，以10 km/s的速度运动的飞船在运动方向上会变窄D当物体运动的速度vc时，“时间膨胀”和“长度收缩”效果可忽略不计误区1：误认为运动的物体长度都会有明显的收缩其原因是不清楚长度收缩的相对性，当vc时，长度收缩效应显著；当vc时，长度收缩效应可忽略。误区2：误认为长度收缩可以发生于任何方向这是由于不理解空间的相对性、长度收缩效应只能发生在运动方向上。误区3：误用经典力学的相对性原理分析光速问题产生误区的原因是对光速不变原理的理解不透彻。真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的。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_。(填写选项前的字母)A0.4c B0.5c C0.9c D1.0c要点一相对论的诞生1. 关于狭义相对论的两个假设，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要点二时间和空间的相对性2. A、B两架飞机沿地面上一足球场的长轴方向在其上空高速飞过，且