第六章相对论

1、第六章第六章 相对论相对论青神中学高二备课组第六章第六章 相对论相对论 6.1牛顿力学中运动的相对性牛顿力学中运动的相对性 6.2 狭义相对论的两个基本假设狭义相对论的两个基本假设 6.3 时间、长度的相对性时间、长度的相对性 6.4相对论的速度变换公式相对论的速度变换公式 质能关系质能关系 本章主要内容是狭义相对论的基础知识，包括它的理论假设、时间和空间的相对性，速度叠加公式和质能公式。 时空观是人们对时间和空间的基础观点，随着生产和科技的发展，在不同历史时期人们有不同的时空观，为了对比这些时空观，在本章的第一节讲述了经典时空观和伽利略速度变换，在第五节还介绍了一些关于广义相对论的粗浅知识及

2、宇宙演化的概略描述。除知识以外本章还介绍了相对论建立对人类思想包括科学世界观的影响。 相对论的一些内容在物理 必修2中讲述经典力学的局限性时已有提及，本章进一步介绍了相对论的基本概念和人类自然界的逐步深入的过程，目的在于提高学生的现代科学素养，并激发学生的求知欲与创新思想。 由于本章内容离实际生活经验太远，且难于用实验直接演示。所以本章教学上采取教师宣讲的方式。又因为本章要求学生“知道”的知识点确实有些“怪异”，离学生原有的知识距离较大而且学时较少，所以就哟啊球教师自己要确实弄懂这些知识点的含义，然后以简要明确的方式，配合必要的示意图，准确的讲给学生。本章各节的前后逻辑关系很强，教师要充分注意

3、到这一点而有效地加以教学。本章简介本章内容标准要求本章内容标准要求1.知道狭义相对论的实验基础、基本原理和主要结论。2.了解经典时空观与相对论时空观的主要区别，体会相对论的建立对人类认识世界的影响。6.1牛顿力学中运动的相对性牛顿力学中运动的相对性教学目标教学目标一、知识与技能：一、知识与技能： （1）使学生知道伽利略相对性原理 （2）使学生知道经典时空观 （3）使学生知道伽利略速度变换公式二、过程与方法：二、过程与方法： 知道经典时空观和伽利略速度变换公式，以及伽利略相对性原理是相对论出现之前的物理学发展背景。三、情感态度和价值观：三、情感态度和价值观： 辩证地看待经典物理理论四、教学重点、

4、难点四、教学重点、难点 伽利略相对性原理，以及伽利略速度变换教学活动教学活动一、伽利略（牛顿力学）相对性原理问1：选择不同的惯性参考系，观察同一物体的运动，虽然测得的位置、速度、运动轨迹等会有不同，但遵循的力学定律是否相同呢？在学生进行思考的基础上，再利用“伽利略大船”来形象的说明相对性原理。 视频： 伽利略大船结论结论：在任何惯性参考系中，力学的规律都是一：在任何惯性参考系中，力学的规律都是一样的，都可以用牛顿定律来描述。样的，都可以用牛顿定律来描述。二、经典时空观二、经典时空观问2：在不同的惯性系中对同一件事情经历的时间和同一个物体占有的空间即它的尺寸，测量得到的结果会相同吗？结论：经典时

5、空观认为时间和空间是脱结论：经典时空观认为时间和空间是脱 离物质而存在的、是绝对的，时间和空离物质而存在的、是绝对的，时间和空间是相对独立没有联系的。间是相对独立没有联系的。三、伽利略速度变换三、伽利略速度变换vuvvuv 由伽利略坐标变换可求得速度变换公式。 在一节相对地面以速率开行的车厢内，小丽相对于车厢以速率向前跑时，则她对地的速率 如果她相对车厢以速度向后跑时，则她对地的速率：地球上各方向地球上各方向的光速不同的光速不同“以太以太”的假说的假说6.2 狭义相对论的两个基本假设狭义相对论的两个基本假设一一. 光速的伽利略速度变换未能被实验证实光速的伽利略速度变换未能被实验证实sm1099

6、8. 21800c迈克耳逊迈克耳逊莫雷莫雷 实验实验Maxwell 电磁场方程组电磁场方程组伽利略速度变换伽利略速度变换只有在只有在“以太以太” 中光沿各方向的光速都中光沿各方向的光速都为为CMaxwell 方程组只在方程组只在“以太以太”系中成系中成立立电磁规律不满足力学相对性原理电磁规律不满足力学相对性原理力学规律力学规律 满满 足足 力学相对性原理力学相对性原理光 源M1 镜M2镜半反半透镜迈克耳逊干涉仪迈克耳逊干涉仪移动 M1 镜观察屏PSv干涉条纹干涉条纹M1M2迈克耳逊迈克耳逊 莫雷实验莫雷实验假设：假设： “以太以太”相对太阳静止相对太阳静止c - vc + v22vc2vS干涉

7、条纹干涉条纹M1M2O迈克耳逊迈克耳逊 莫雷实验的零结果莫雷实验的零结果?4 . 0 N 0 N预计干涉条纹移动预计干涉条纹移动迈克耳逊迈克耳逊 莫雷实验莫雷实验假设：假设： “以太以太”相对太阳静止相对太阳静止1905年，年，A.Einstein 首次提出了狭义相对论的两个假设首次提出了狭义相对论的两个假设 m/s 458 792 299 c1. 光速不变原理光速不变原理在所有的惯性系中，光在真空中的传播速率在所有的惯性系中，光在真空中的传播速率为为 C 。说明说明： l 光速不随观察者的运动而变化光速不随观察者的运动而变化 l 光速不随光源的运动而变化光速不随光源的运动而变化 所有惯性系都

8、处于平等地位，没有任何理由选某所有惯性系都处于平等地位，没有任何理由选某一个参考系并把它置于特殊的与众不同的地位。一个参考系并把它置于特殊的与众不同的地位。二二. 狭义相对论的两个基本假设狭义相对论的两个基本假设2. 狭义相对性原理狭义相对性原理一切物理规律在所有惯性系中具有相同的形式一切物理规律在所有惯性系中具有相同的形式说明说明：一切物理规律一切物理规律力学规律力学规律(1) Einstein 相对性原理相对性原理 是是 Newton力学相对性原理力学相对性原理的的 发展发展讨论讨论(2) 光速不变原理光速不变原理与与伽利略的速度合成定理伽利略的速度合成定理针锋相对针锋相对 6.3 时间、

9、长度的相对性时间、长度的相对性教学目标教学目标 知识与技能：知识与技能： （1）同时的相对性；（2）运动长度的收缩；（3）时间间隔的相对；（4）了解时空相对性的验证；（5）了解相对论时空观与经典物理时空观的主要区别 过程与方法：过程与方法： （1）理解同时相对性的推演过程男；（2）理解从“同时相对性”出发得出“运动长度和时间间隔的相对性”的过程 情感态度和价值观：情感态度和价值观： （1）体会相对论崭新的时空观，体会相对论的建立对人类认识世界的影响。（2）辩证地看待经典物理理论 教学重点、难点教学重点、难点 ： 从“同时”的相对性得出运动长度和时间间隔的相对性一、一、“同时同时”的相对性的相对

10、性 车厢上的人和地面上的人看到车厢中间灯光到车厢上的人和地面上的人看到车厢中间灯光到达前后车厢的先后是不一样的达前后车厢的先后是不一样的 车上的观察者认为光同时到达车厢的前后两壁车上的观察者认为光同时到达车厢的前后两壁 站台上的观察者认为光先到车厢后壁后到前壁站台上的观察者认为光先到车厢后壁后到前壁课本课本P101 思考与讨论思考与讨论结论：结论： 1、对于运动的火车上同时发生的两个事件，、对于运动的火车上同时发生的两个事件，对于地面就不是同时的对于地面就不是同时的 关键：在各个参考系中光速都为关键：在各个参考系中光速都为c 2、地面上同时发生的两个事件，对于运动的、地面上同时发生的两个事件，

11、对于运动的火车也不是同时的火车也不是同时的 关键：相对运动关键：相对运动二、长度的相对性二、长度的相对性 v v车上的人看到的车厢的长度：车上的人看到的车厢的长度：车外的人看到的车厢的长度：车外的人看到的车厢的长度：0ll0ll201cvll注意：注意：长度缩短效应只发生在相对运动的方向上长度缩短效应只发生在相对运动的方向上如上例中的如上例中的 X X 轴方向上，在轴方向上，在Y Y 轴方向上轴方向上无长度缩短效应无长度缩短效应动尺变短（空间收缩效应）动尺变短（空间收缩效应）S SO O X X YYA B O O S SX XY Y u1xl 结论结论 一条一条沿自身长度方向运动沿自身长度方

12、向运动的杆，的杆，其长度总比杆静止时的长度小其长度总比杆静止时的长度小斐克小伙剑术精，斐克小伙剑术精，出刺迅捷如流星，出刺迅捷如流星，由于空间收缩性，由于空间收缩性，长剑变成小铁钉长剑变成小铁钉. .三、时间间隔的相对性三、时间间隔的相对性在站台上看运在站台上看运动火车上的钟动火车上的钟在火车上看运在火车上看运动站台上的钟动站台上的钟 高速运行的列车上，由车厢底部发出的闪光，对高速运行的列车上，由车厢底部发出的闪光，对于车上的人来说，闪光是在竖直方向反射的，而车于车上的人来说，闪光是在竖直方向反射的，而车厢外的人认为被接收的反射光是沿斜线传播的厢外的人认为被接收的反射光是沿斜线传播的对于车厢内

13、的人：对于车厢内的人：对于车厢外的人：对于车厢外的人：cht202224vchth201cvtt相对速度与相对速度与动钟延缓效应动钟延缓效应 ( =1s( =1s） V（米（米/秒）秒） 0.1c=3107 0.5c 0.8c 0.9c 0.99c 0.999c 0.9998c T(秒秒) 1.01 1.15 1.67 2.29 7.1 22.4 50 四、时空相对性的实验验证四、时空相对性的实验验证 根据相对论，时间根据相对论，时间在运动中会进行的比在运动中会进行的比较缓慢，也就是说，较缓慢，也就是说，在空间中高速移动的在空间中高速移动的时钟，比固定于地面时钟，比固定于地面上的时钟走得慢上的

14、时钟走得慢19711971年，科学家将铯原子钟放在喷气式飞机中作环年，科学家将铯原子钟放在喷气式飞机中作环球飞行，然后与地面的基准钟对照实验结果与理论预球飞行，然后与地面的基准钟对照实验结果与理论预言符合的很好这是相对论的第一次宏观验证言符合的很好这是相对论的第一次宏观验证 早在早在19411941年，科学家通过对宇宙线的年，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西和霍尔在不同高度统计了宇宙线中子子的数量，结果与相对论预言完全一致的数量，结果与相对论预言完全一致201cvtt201cvll当两个参考系的当两个

15、参考系的相对速度可与光速相相对速度可与光速相比时，时间与空间的比时，时间与空间的相对性才比较明显相对性才比较明显 狭义相对论的结论已经完全得到证实，实际狭义相对论的结论已经完全得到证实，实际上它已经成为微观粒子研究的基础之一上它已经成为微观粒子研究的基础之一 牛顿牛顿物理学的物理学的绝对时空观绝对时空观：物理学的：物理学的空间空间与时间与时间是绝对分离是绝对分离没有联系没有联系的，脱离物质而的，脱离物质而单独存在，单独存在，与物质的运动无关与物质的运动无关。 而相对论认为：有物质才有时间和空间，而相对论认为：有物质才有时间和空间，空间和时间与物体的运动状态有关。空间和时间与物体的运动状态有关。

16、 人类对于空间、时间更进一步的认识而形人类对于空间、时间更进一步的认识而形成的新的时空观，是建立在新的实验事实和成的新的时空观，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，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。不断发展、不断完善起来的。五、相对论的时空观五、相对论的时空观小小 结结一、一、“同时同时”是相对的是相对的二、长度的相对性二、长度的相对性三、时间间隔的相对性三、时间间隔的相对性201cvtt201cvll 知识与技能：知识与技能： （1）运动速度的相对论变换 （2）相对论质量 （3）质能方程 过程与方法：过程与方法： 让学生体会到自洽性检验是

17、科学理论研究的一个基本方法。 情感态度和价值观：情感态度和价值观： 体会物理学中蕴含的简单与和谐之美（质能方程） 教学重点、难点教学重点、难点 ： 重点：重点：三个公式 难点：难点：运动速度的相对性变换 6.4 相对性的速度变换公式相对性的速度变换公式质能关系质能关系一、相对论的速度变换公式一、相对论的速度变换公式地面上的人看到车上地面上的人看到车上人相对地面的速度为：人相对地面的速度为：21cvuvuu车对地的速度为车对地的速度为v v，人对车的速度为，人对车的速度为u u/ /vu 例如：地面上空以v=0.9C飞行的飞船，向前发射一导弹，导弹对飞船的速率为u,=0.5C 按照伽利略速度变换

18、公式：u= v+ u,得，导弹对地面的速度u=0.9C+ 0.5C=1.4C ,超过了真空中的光速! 该公式不再适用。 而相对论速度变换公式： 得u=0.966C 仍然未达到C21cvuvuu 物体的运动速度不能无限增加，那么物物体的运动速度不能无限增加，那么物体的质量是否随着速度而变化？体的质量是否随着速度而变化？ 严格的论证表明，物体高速（与光速相严格的论证表明，物体高速（与光速相比）运动时的质量与它静止时的质量之间有比）运动时的质量与它静止时的质量之间有下面的关系：下面的关系：201cvmmm为运动质量为运动质量 m0为静止质量为静止质量二、相对论质量二、相对论质量 微观粒子的速度很高，它的质量明显微观粒子的速度很高，它的质量明显的大于静止质量在研究制造回旋加速器的大于静止质量在研究制造回旋加速器时必须考虑相对论效应的影响时必须考虑相对论效应的影响19881988年，中年，中国第一座高能粒国第一座高能粒子加速器子加速器北北京正负电子对撞京正负电子对撞机首次对撞成功机首次对撞成功 物体的能量和质量之间物体的能量和质量之间存在密切的联系，他们的关存在密切的联系，他们的关系是：系是：2mcE 这就是著名的爱因斯坦质能方程这就