高二物理人教版选修3-4课件：15.1-15.2 相对论的诞生 时间和空间的相对性优质课件PPT

第十五章
第1、
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则它们的关系是：Δt＝
Δτ v2 1－ c ____________。
4．相对论时空观
绝对 的， (1)经典时空观： 空间和时间是脱离物质存在的， 是_____
没有 联系的。 空间和时间之间也是_____
运动状态 有关。 (2)相对论时空观：空间和时间与物质的__________
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
相同 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
不同 的。 观察， 它们的时间间隔是_______ 设 Δτ 表示相对事件发生地
静止的惯性系中观测的时间间隔， Δt 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，
第十五章
第1、
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①表述一：力学规律在任何惯性系中都是相同的。 ②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。 ③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
第十五章
第1、
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匀速直线运动 的另一个参考系，也是惯性系。 性系做_______________ 惯性系 中都是相同 (2)伽利略相对性原理：力学规律在任何_______
的。 2．狭义相对论的两个基本假设
第十五章
第1、
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(1)狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规
相同 的。 律都是_____

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
时间间隔的相对性
由光速不变原理便得 到不同的时间间隔 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 厢外的人认为被接收的反射光是沿斜线传播的．
时间间隔的相对性
ct
2 h
vt
2
对于车厢内的人： t 2h c
L=C·t2+v·t2 ③
v·t2
假设：地面观察者看到M发出的光束经N反射后M接受
的时间为t，则有： t=t1+t2
④
联立①②③④可得： l l0
1


v
2

c
结论：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;在垂直运动方向上，杆的长
度没有变化
即：动尺缩短，这是“同时”的相对性带来的一个普遍的 时空属性，他与物体的具体组成和结构无关，当物体运动 速度越接近光速，这种收缩效上的观察
M
N者认为尺子是静止的：
2L0=c·t0
①
L
M
地面观察者看到光束到N时，所用时间
t1 ，在t1内，尺子向前运动了V·t1 ，L为
N 地面观察者看到尺子长度:
M
V·t1+L=c·t1
②
N
光束经N反射后到达M所用时间t2，在
v·t1
t2时间内尺子的M端向前运动了Vt2
t0 1 v 2
c
三、时间间隔的相对性
（1）经典物理学认为，某两个事件，在不同的惯性参考 系中观察，他们的时间间隔总是相同的
（2）运动的人认为两个事件的时间间隔为，地面观察 者测得的时间间隔为△t，则两者关系为：

4．爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设 (1)在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的． (2)真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的．
【例 1】 关于狭义相对论，下列说法不正确的是( ) A．狭义相对论认为在不同的惯性参考系中，一切物理规律都 是相同的 B．狭义相对论认为在一切惯性系中，光在真空中的速度都等 于 c，与光源的运动无关 C．狭义相对论只涉及无加速度运动的惯性系 D．狭义相对论任何情况下都适用
要点一 经典的相对性原理与狭义相对论 1．惯性系和非惯性系：牛顿运动定律能够成立的参考系为惯 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．牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系． 2．伽利略相对性原理：力学规律在任何惯性系中都是相同的． 3．相对性原理与电磁规律 (1)根据麦克斯韦的电磁理论，真空中的光速在任何惯性系中都 是一个常量，但是按照伽利略的相对性原理，在不同惯性系中的光 速应是各不相同的． (2)迈克耳孙——莫雷实验证明：不论光源与观察者做怎样的相 对运动，光速都是相同的．
地静止的观察者测量同一地点的两个事件发生的时间间隔，而 Δt
是相对于事件发生地以速度 v 高速运动的观察者测量同一地点的同
样两个事件发生的时间间隔．
3．经典时空观和狭义相对论时空观：
(1)经典时空观：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)狭义相对论时空观：空间和时间与物质运动状态有关．
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提醒：①时间间隔、长度的变化，都是由于物质的相对运动引 起的一种观测效应，它与所选取的参考系有关，物质本身的结构并 没有变化．
②两个事件的时间间隔和物体的长度，必须与所选取的参考系 相联系，如果在没有选取参考系的情况下讨论时间的长短及空间的 尺寸，是没有任何意义的．

答案：BD
解析：物品投放后，仅受重力作用，飞行员看物品是初 速度为零的自由落体运动，符合牛顿运动定律，故飞机为惯 性参考系，B对；而地面上的人员看物品做初速度不为零的 抛体运动，也符合牛顿运动定律 ，D也对。
二、怎样理解“动尺变短”和“动钟变慢” 1．怎样理解“动尺变短”：狭义相对论中的长度公 式：l＝l0
l0
v 1－ c 2
。
3．时间间隔的相对性 (1)经典的时空观：某两个事件，在不同的惯性系中观 察，它们的时间间隔总是 相同的 。 (2)相对论的时间观：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 不同 的。
设Δτ表示相对事件发生地静止的惯性系中观测的时间 间隔，Δt表示相对事件发生地以v高速运动的参考系中观察 Δτ v2 1－ c 同样两事件的时间间隔，则它们的关系是：Δt＝ 。
点的两个事件发生的时间间隔，而Δt是相对于事件发生地以 速度v运动的观察者测量同一地点的同样两个事件发生的时 间间隔。也就是说：在相对运动的参考系中观测，事件变化 过程的时间间隔变大了，这叫做狭义相对论中的时间膨胀。
知识自主梳理
知识点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， 这个参考系就叫惯性系。 2．经典相对性原理 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：任何惯性系都是 平权 的。
●学法指导 学习本章前应先复习、了解在前面学习过的有关经典力 学的局限性内容，在学习中要注意相对论时空观的学习。本 章的学习应采用独立思考和交流讨论相结合方法。在学习本 章的过程中，还应注意相对论的全面阐述，这要用到较多的 高等数学知识，在这里做到了解即可，不必探究。

第十三页，共25页。
典例精析 一、狭义(xiáyì)相对论
D.在以 1 c竖直方向升空(shēnɡ kōnɡ)的火箭上向任一方 1 000
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，即对不同的惯性参考系光速是相同的，因此C、D
典例精析 二、时间(shíjiān)和空间的
相对性
例3 π＋介子(jièzǐ)是一种不稳定粒子，平均寿命是2.6×10－8 s (在自己的参考系中测得) (1)如果此粒子相对于实验室以0.8c的速度运动，那么在实验室坐 标系中测量的π＋介子(jièzǐ)寿命多长？ (2)π＋介子(jièzǐ)在衰变前运动了多长距离？
问题(wèntí)设计
1.如图1所示，假设杆MN沿着车厢的运动方向固定在火车 (huǒchē)上，且与火车(huǒchē)一起运动，火车(huǒchē)上的 人测得杆的长度与地面上的人测得杆的长度相同吗？
答案 不同.
图1
第七页，共25页。
二、时间(shíjiān)和空间的相对性
2.某人在这列火车上拍了两下桌子，火车上的人观测(guāncè) 的两次拍桌子的时间间隔与地面上的人观测(guāncè)的时间 间隔相同吗？
第二页，共25页。
一、相对论的诞生(dànshēng)
问题(wèntí)设 计
在一艘大船密闭的船舱里，你能否通过观察自由释放的小球的 运动判断大船是静止还是在匀速行驶？ 答案 不能.因为不论大船是静止，还是匀速行驶，观察到小 球的运动都是相同(xiānɡ tónɡ)的，而且都要落在释放点的正下 方.
123
解析 由l＝l0
1－vc 2

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相对论的时空观
牛顿物理学的绝对时空观：物理学的空间 牛顿物理学的绝对时空观：物理学的空间 物理学的绝对时空观 与时间是绝对分离没有联系的 是绝对分离没有联系 与时间是绝对分离没有联系的，脱离物质而 单独存在，与物质的运动无关。 单独存在，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。 人类对于空间、 人类对于空间、时间更进一步的认识而形 成的新的时空观， 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。
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问题的关键是， 问题的关键是 ， 时间延缓效应是狭义相对论的结果 它要求飞船和地球同为惯性系。 ， 它要求飞船和地球同为惯性系 。 要想保持飞船和地 球同为惯性系， 哥哥和弟弟就只能永别， 球同为惯性系 ， 哥哥和弟弟就只能永别 ， 不可能面对 面地比较谁年轻。 这就是通常所说的孪生子佯谬 面地比较谁年轻 。 这就是通常所说的 孪生子佯谬 （ twin paradox）。 ） 如果飞船返回地球则在往返过程中有加速度， 如果飞船返回地球则在往返过程中有加速度 ， 飞船 就不是惯性系了。 就不是惯性系了 。 这一问题的严格求解要用到广义相 对论， 计算结果是， 兄弟相见时哥哥比弟弟年轻。 这 对论 ， 计算结果是 ， 兄弟相见时哥哥比弟弟年轻 。 孪生子效应。 种现象，被称为孪生子效应 种现象，被称为孪生子效应。 1971年， 美国空军用两组 （ 铯 ） 原子钟做实验 。 年 美国空军用两组Cs（ 原子钟做实验。 发现绕地球一周的运动钟变慢了203±10ns，而按广义 发现绕地球一周的运动钟变慢了 ± ， 相对论预言运动钟变慢184 ± 23 ns，在误差范围内理 相对论预言运动钟变慢 ， 论值和实验值一致，验证了孪生子效应。 论值和实验值一致，验证了孪生子效应。

4
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 的.
相同
第1讲 相对论的诞生
时间和空间的相对性
5
二、时间和空间的相对性 1.“同时”的相对性 在另一个参考系中一定也是 的. 的，即在同一个参
光速又是多少？
第1讲 相对论的诞生
时间和空间的相对性
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解析
根据速度合成法则，第一种情况人看到的光速应是c，
第二种情况应是c－v，第三种情况应是c＋v，而根据狭义相
对论理论，光速是不变的，都应是c.
答案 (1)c (2)c (3)c
第1讲 相对论的诞生
时间和空间的相对性
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二、时间和空间的相对性
相对事件发生地或 相对事件发生地
物体静止的参考系 或物体运动的参
中观察 同时的相 事件同时但不同地 考系中观察 事件不同时发生
对性
点发生
两事件发生的时 Δτ
时间间隔 两个事件发生的时
第1讲 相对论的诞生 时间和空间的相对性 的相对性 间间隔为 Δτ
v2 1－cΔ t 间间隔变大，
＝
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若参考系沿杆长度的方
3 对点练习
巩固·应用·反馈
预习导学 记·点拨
梳理·识
一、相对论的诞生
1.经典的相对性原理 (1)惯性系： 做 牛顿运动 运动的另一个参考系也是惯性系. 规律在任何 定律能够成立的参考系.相对一个惯性系 系中都是相同的. 惯性
(2)匀速直线 伽利略相对性原理：
力学
第1讲 相对论的诞生
时间和空间的相对性
第1讲 相对论的诞生 时间和空间的相对性

重点难点： 1.“同时”的相对性和时空相对性的验证． 2．长度的相对性和时间间隔的相对性．
课 前自主学案
一、经典的相对性原理 惯性参考系是指可以使_牛__顿__运__动__定__律__成立的参考 系． 1．力学规律在任何惯性系中都是_相__同__的,这就是 伽利略相对性原理,又叫经典的相对性原理.
2.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__.或者说,任何惯性参考系都是_平__权__的. 二、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 系中都是_相__同___的.
优化方案物理：15.2 时间和空间的 相对性 课件（人教版选修3-4）
第一节 相对论的诞生 第二节 时间和空间的相对性
课标定位
第
二
节
课前自主学案
时
间
和
核心要点突破
空
间
的
相
课堂互动讲练
对
性
知能优化训练
课标定位 学习目标：1.知道经典的相对性原理，知道狭义相 对论的实验基础和它的两个基本假设． 2．知道狭义相对论的几个主要结论． 3．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．
2．对时间、空间与物质的联系性认识不同 (1)经典时空观认为时间均匀流逝，与物质无关； 空间是物质运动的场所，空间本身不受物质运动 状态的影响；同时空间与时间也是没有联系的． 总之一句话，时间、空间都是绝对的，不同参考 系中观察同一物理过程时间是相同的，观察同一 物体长度是相同的．
(2)相对论时空观认为物理过程的快慢与物体的运 动状态有关，运动物体的长度也跟物体的运动状 态有关．换句话说，不同参考系中观察同一物理 过程时间可能不同，观察同一物体长度可能不同 ．空间和时间与物质的运动状态有关．同时，时 间和空间也是有联系的.

探究一
探究二
课前篇自主预习
课堂篇探究学习
课堂篇探究学习
当堂检测
名师精讲
1.惯性系和非惯性系
(1)惯性系:牛顿运动定律能够成立的参考系称为惯性参考系。牛
顿定律成立的这个参考系是惯性参考系,相对于这个参考系做匀速
直线运动的另一个参考系也是惯性参考系。
(2)非惯性系:牛顿定律不能成立的参考系称为非惯性参考系。例
世界情景的差异
4.了解经典时空观与
相对论时空观的主
要区别,体会相对论
时空观的建立对人
类认识世界的影响-2-VIP特权福利
1
2
特权说明
相对论的诞生
VIP用户有效期内可使用VIP专享文档下载特权下载或阅读完成VIP专享文档（部分VIP专享文档由于上传者设置不可下载只能
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课堂篇探究学习
(1)在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的。
(2)真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的。
光的传播速度与惯性系的选取无关。
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1
2
相对论的诞生
时间和空间的相对性
探究一
探究二
课前篇自主预习
课堂篇探究学习
课堂篇探究学习
当堂检测
典例剖析
例题1关于经典力学的时空观与相对论的时空观,下列说法正确
不等价的
D.力学规律在任何惯性系里都是等价的
解析:在所有惯性系中,一切力学规律都是等价的,故选项D正确,
选项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,故选项A、B均错误。
答案:D

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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 c＋v 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．
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(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： v l＝l0 1－c 2.
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特别提醒 (1)不同惯性系中的观测者对同一物体进行观测， 测得的结 果并不相同． (2)虽然结果不同，物体本身并未收缩． (3)在垂直于运动的方向观测结果不变．
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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 v＝v′＋u. 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 v＝v′＋u.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 v＝v′ ＋c，那么，光速是可以变大或变小的(在真空中)．
答案：C
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典例 2 利用长度的相对性公式解题 例 2 一张宣传画是边长为 5 m 的正方形，一高速列车以 2×108m/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？
[解析] 因为长度收缩只发生在运动方向上， 与运动 方向垂直的方向上没有这种效应， 故测得宣传画的高仍为 5 m．设宣传画原长 l0＝5m，观测到沿列车运动方向长为 l.由动尺缩短效应有