高中物理沪科版选修3-4学案5.1电磁场理论引发的怪异问题5.2狭义相对论的基本原理Word版含答案

5.1电磁场理论引发的怪异问题5.2狭义相对论的基本原理1.了解电磁场理论的局限性.2.了解狭义相对论的基本原理.（重点）一、迈克耳孙—莫雷实验在水平面内不同的方位进行观察，干涉条纹并没有预期的移动，这说明，光在任何方向上传播时，相对于地球的速度都是相同的.也就是说，地球相对于“以太”的速度v实际上为零，或者说“以太”根本不存在，光速c是不变的这就是迈克耳孙－莫雷实验的“以太漂移的零结果”.二、电磁理论的“缺陷”伽利略相对性原理指出：对于力学规律来说，一切惯性系都是等价的.三、狭义相对论的两条公设1.在所有相互做匀速直线运动的惯性参考系中，物理规律都是相同的，这个公设叫做爱因斯坦相对性原理.2.在所有相互做匀速直线运动的惯性参考系中，光在真空中的速度都是相等的Ｗ.这个公设叫做光速不变原理Ｗ.四、洛伦兹变换1.x＝eq\f(x′＋vt′,\r(1－\f(v2,c2)))2.y＝y′3.z＝z′4.t＝eq\f(t′＋\f(v,c2)x′,\r(1－\f(v2,c2)))式中c为光速，这一变换式通常叫做洛伦兹变换.五、同时的相对性同时的相对性是指：在不同的地点发生的两个事件，在一个惯性系里是同时的，但在另一个惯性系里看来却不是同时的.从爱因斯坦的狭义相对论来看，不存在全宇宙普适的同时概念，也就是说“同时”是相对的，跟观察者所选取的参考系有关.理解狭义相对论的两条基本原理1.经典力学的相对性原理和狭义相对性原理的区别经典力学的相对性原理指的是力学规律在任何惯性系中都是相同的.而狭义相对性原理指的是一切客观真实的物理规律在所有惯性系中都具有相同的形式（不再局限于力学规律）各个惯性系都是等价的，不存在特殊的绝对的惯性系.该原理所涉及的参考系仅限于惯性系.2.光速不变原理(1)内容：在任何惯性系中，光在真空中的速度恒为c，与光源的运动和观察者的运动无关.(2)涉及光速的速度变换根据狭义相对论的速度叠加公式u＝eq\f(u′＋v,1＋\f(u′v,c2))，若参考系A静止，参考系B相对参考系A以v＝nc运动，光相对于参考系B以u′＝c运动，相对于参考系A的速度则为：u＝eq\f(c＋nc,1＋\f(c·nc,c2))＝eq\f(c（1＋n）,1＋n)＝c由该式可知，狭义相对论的速度叠加公式对光速叠加也成立.（多选）下列说法正确的是（）A.在以eq\f(1,1000)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eq\f(1,1000)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eq\f(1,1000)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eq\f(1,1000)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[思路点拨]知道光速不变原理是解决本题的关键.[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]CDeq\a\vs4\al()本题易误选A、B.原因是按经典力学的相对性原理得出的，而这一结论是错误的，与狭义相对论中光速不变原理相矛盾.时间的相对性“同时”的相对性(1)“同时”的相对性：“同时”具有相对性，即在同一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是不同时的，即同时是相对的.即两个事件是否同时发生，与参考系的选择有关.(2)同时相对性的理解：如图所示，列车以速度v匀速直线运动，车厢中央有一闪光灯发出光信号，光信号到车厢前壁B为事件1，到车厢后壁A为事件2；地面为S系，列车为S′系.在S′系中的观察者认为：闪光灯发出的光信号以速度c分别向A、B传播，且传播距离相等，则同时照射到B、A上，即事件1、2同时发生.在S系中的观察者认为：闪光灯发出的光信号也是以速度c分别向A、B传播，由于车厢向右运动了一段距离，故光到达B处比到达A处传播的距离大，因此光先照到A处，即事件1、2不是同时发生的.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 B.A先被照亮C.C先被照亮 D.无法判断[解析]以列车为参考系，塔A、B、C向左高速运动，列车中的观测者认为光从B→A的距离大于光从B→C的距离，由t＝eq\f(l,c)知，光从B→C用时短，C先被照亮，故C项正确.[答案]C地面上A、B两个事件同时发生.如图所示，对于坐在火箭中沿两个事件发生地点A、B连线飞行的人来说，哪个事件先发生？解析：以地面为参考系，A、B两个事件同时发生，即如在A、B连线中点C放一时钟，将同时接收到来自A、B的信号.设想该时钟以与火箭相同的速度飞行，则先接收到来自B的信号，后接收到来自A的信号，即以火箭（或火箭上的人）为参考系，B事件先发生.答案：B事件先发生两种时间观的比较1.经典时空观(1)在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一惯性系中也是同时的.(2)在不同的惯性系中观察，一条杆的长度总是相同的.(3)在不同的惯性系中，发生的某两个事件的时间间隔总是相同的.即经典时空观认为：空间和时间脱离物质而存在，是绝对的，空间和时间没有联系，即与物质的运动无关.2.相对论时空观(1)在同一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是不同时.(2)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小，但在垂直于杆运动的方向上，杆的长度不变.(3)某两个事件，在不同的惯性系中观察，它们的时间间隔是不同的，两个惯性系的相对速度越大，时间进行得越慢，非但如此，一切物理、化学过程和生命过程都变慢了.即相对论时空观认为：空间和时间与物质运动状态有关.（多选）下列关于经典力学的时空观和相对论时空观的说法正确的是（）A.相对论时空观中，同时是绝对的，即在一个参考系中的观察者在某一时刻观察到的两个事件，对另一参考系中的观察者来说也是同时发生的B.在经典力学的时空观中，时间间隔是绝对的，即任何事件（或物体的运动）所经历的时间，在不同的参考系中测量都是相同的，而与参考系的选取无关C.在相对论时空观中，空间距离是相对的，即如果各个参考系中用来测量长度的标准相同，那么空间两点距离与参考系选取有关D.经典力学的时空观就是一个绝对的时空观，时间与空间、物体的运动状态无关[解析]经典的时空观认为，时间、空间均是绝对的，与物体的运动状态无关，同时也是绝对的，即在一个参考系中同时发生的两个事件，在不同参考系中观察也是同时发生的.相对论的时空观认为，时间、空间均是相对的，与物体的运动状态有关，同时也是相对的.[答案]BCD[随堂检测]1.下列说法中正确的是（）A.研究铅球的运动，可以用牛顿定律和运动学公式B.研究高速粒子的运动可用牛顿定律和运动学公式C.研究高速粒子运动要用相对论，研究铅球运动可用牛顿运动定律D.研究铅球和电子的运动都要用牛顿运动定律解析：选C.以牛顿运动定律为基础的经典物理学在处理低速、宏观物体的运动时是相当完美的，但对于高速的微观的运动就无能为力了.显然，铅球的运动可以用牛顿定律来解决.而高速粒子的运动则不能用牛顿定律来解决，而要用相对论来解决.2.（多选）关于牛顿力学的适用范围，下列说法正确的是（）A.适用于宏观物体 B.适用于微观物体C.适用于高速运动的物体 D.适用于低速运动的物体解析：选AD.由经典力学的局限性可知A、D正确.3.下列关于狭义相对性原理的说法中正确的是（）A.狭义相对性原理是指力学规律在一切参考系中都成立B.狭义相对性原理是指一切物理规律在一切参考系中都成立C.狭义相对性原理是指一切物理规律在所有惯性参考系中都成立D.狭义相对性原理与伽利略相对性原理没有区别解析：选C.根据狭义相对性原理的内容，在不同的惯性参考系中，一切物理定律都是相同的.一定要注意它和伽利略相对性原理的区别，即狭义相对性原理中的“规律”是一切物理规律，而经典相对性原理中的“规律”只是指经典物理学的规律，范围要比前者小许多.4.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（）c cc D.c解析：选D.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.5.飞船在高空以eq\f(1,10)c的速度向目标飞行，从飞船上向目标方向发射一个光信号，则在地面的观察者看来光信号的速度是1.1c吗？解析：由经典力学的相对性原理可知，光信号相对地面的速度v＝c＋eq\f(1,10)c＝1.1c，但这一结论是错误的.根据狭义相对论的光速不变原理，真空中的光速相对于飞船为c，相对于地面也为c，对不同惯性参考系是相同的，这一判断已被迈克耳孙－莫雷实验所证实.答案：在地面的观察者看来光信号的速度为c，不是1.1c[课时作业]一、单项选择题1.属于狭义相对论基本假设的是（）A.真空中光速不变B.时间具有相对性C.物体的质量不变D.物体的能量与质量成正比解析：选A.狭义相对论的两条假设分别是：在任何惯性系中真空中的光速不变和一切物理规律都相同.2.在一个惯性系中观测，两个事件同地不同时，则在其他惯性系中观测，结果它们（）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，也不可能同地解析：选B.在两个惯性系中观测，这两个事件可能是同时发生的.3.以下说法中正确的是（）A.经典物理中的速度合成公式在任何情况下都是适用的B.经典物理规律也适用于高速运动的物体C.力学规律在一个静止的参考系和一个匀速运动的参考系中是不等价的D.力学规律在任何惯性系里都是等价的解析：选D.在所有惯性系中，一切物理规律都是等价的，故D正确，C错误；经典物理规律是狭义相对论在低速状态下的一个近似，所以经典物理规律只适用于低速运动的物体，而经典物理中的速度合成公式也只适用于低速情况，故A、B均错误.4.迈克尔孙和莫雷为了寻找以太这个特殊的参考系，做了这样一个实验.如图所示，G1是半透明反射镜，G2是平面玻璃板，M1和M2是相互垂直两臂上放置的两个平面反射镜，E是目镜，S是光源.让M2平面垂直于地球运动方向，通过迈克尔孙干涉仪的目镜E，可以看到一套干涉条纹.如果以太存在，地球确实相对于以太运动，那么将干涉仪旋转90°，就会观察到另外一套干涉条纹.若干涉条纹发生了移动，我们可以通过测量计算出以太相对于地球的移动速度.实验结果是无论如何也不能观察到干涉条纹的移动.以上事实说明（）A.实验存在误区，所以不能观察到干涉条纹的移动B.说明以太相对于地球移动的速度太小，不容易被测量C.说明根本不存在以太这种特殊介质D.以上说法都不对解析：选C.迈克尔逊－莫雷实验最有力的证明了以太这种特殊的物质是不存在的.5.在高速运动的火车上，设车对地面的速度为v，车上的人以速度u′沿着火车前进的方向相对火车运动，那么他相对地面的速度u与u′＋v的关系是（）A.u＝u′＋v B.u<u′＋vC.u>u′＋v D.以上均不正确解析：选B.经典的时空观，u＝u′＋v.而实际上人对地面的速度u比u′与v之和要小，但只有在接近光速时才能观察此差别.二、多项选择题6.下面关于伽利略相对性原理的说法中正确的有（）A.力学规律在任何参考系中都是相同的B.惯性系就是静止不动的参考系C.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D.力学规律在任何惯性系中都是相同的解析：选CD.经典相对性原理是指力学规律在所有惯性参考系中都是成立的.这里对参考系是有条件的，即必须是惯性参考系.非惯性参考系是不适合的，而惯性参考系并不仅指静止的参考系，相对于一个惯性系做匀速运动的另一个参考系也是惯性系.本题的正确答案为CD.7.设某人在速度为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1.5cB.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：选CD.根据狭义相对论的两个基本假设之一：光速不变原理可知，观察者在地面上、飞船中观测光的速度均为c，故C、D正确，A、B错误.8.如图所示，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；而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.对的B.错的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：选AC.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，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.三、非选择题9.如图所示，一列火车相对地面运动，地面上的人测得光源发出的闪光同时到达车厢的前壁和后壁.按照火车上的人测量，闪光先到火车的（填“前壁”或“后壁”）.解析：对地面观察者而言，后壁在靠近而前壁在远离时闪光能同时到达，由光速不变原理可确定离光源前近后远，故在火车上的人测量，得到闪光先到前壁.答案：前壁10.一粒子以0.05c的速率相对实验室参考系运动.此粒子衰变时发射一个电子，电