18学年高中物理第十五章相对论简介第1、2节相对论的诞生时间和空间的相对性教学案新人教版选修3_4

第1、2节相对论的诞生时间和空间的相对性1.爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的；真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的。

2．时间和空间的相对性：“动尺变短”、“动钟变慢”。

一、相对论的诞生1．经典的相对性原理(1)惯性系：牛顿运动定律能够成立的参考系。

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)伽利略相对性原理：力学规律在任何惯性系中都是相同的。

2．狭义相对论的两个基本假设(1)实验基础：不论光源与观测者做怎样的相对运动，光速都是一样的。

(2)两个基本假设：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同时的。

(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相对运动而不同。

(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，其长度总比杆静止时的长度小。

设相对于杆静止的观察者认为杆的长度为l 0，与杆有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 、l 0、v 的关系是l ＝l 01－⎝ ⎛⎭⎪⎫v c 2。

1．自主思考——判一判(1)静止或匀速直线运动的参考系是惯性系。

(√)(2)由于在任何惯性系中力学规律都是相同的，因此，研究力学问题时可以选择任何惯性系。

(√)(3)在不同的惯性系中，光速是不相同的。

(×)(4)在一个惯性系内进行任何力学实验都不能判断它是否在相对另一个惯性系做匀速直线运动。

(√)(5)在狭义相对论时空观中空间和时间与物质的运动状态无关。

(×)2．合作探究——议一议(1)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，不是因为时钟的结构或精度因运动而发生了改变。

1 相对论诞生2 时间和空间相对性课前预习情景素材1.19世纪末期，经典物理学形成了完整科学体系，自然界各种物理现象几乎无一不能用它们来解释。

1900年著名物理学家汤姆孙充满自信地宣称：科学大厦已经根本完成，未来物理学只要做一些修修补补工作就可以了。

不过他也成认，“明朗天空中还有两朵小小，令人不安乌云〞。

那么这两朵乌云分别是什么？它们又引发了什么新理论？简答：分别是黑体辐射和光速度。

对它们研究分别摧生了量子理论和相对论。

2.什么是时间？什么是空间？时间和空间有什么性质？经典物理学对这些问题并没有正面答复。

但是从它对问题处理上，我们体会到，经典物理学认为空间和时间是脱离物质而存在，是绝对，空间与时间之间也是没有联系。

那么，相对论时空观是否也是这样认为呢？简答：相对论时空观认为空间和时间与物质运动状态有关。

知识预览一、相对论诞生1.伽利略相对性原理是：___________________。

答案：力学规律在任何惯性系中都是一样2.狭义相对论两个根本假设分别是___________；________________。

答案：狭义相对性原理光速不变原理3.狭义相对性原理是指：___________________。

答案：在不同惯性参考系中，一切物理定律都是一样4.光速不变原理内容是：___________________。

答案：真空中光速在不同惯性参考系中都是一样5.如果__________在某个参考系中成立，这个参考系叫做惯性系。

答案：牛顿运动定律二、时间和空间相对性1.长度相对性是指，相对于观察者运动物体长度，总是________静止时物体长度。

答案：小于2.同时相对性是指，在不同地点发生两个事件，在一个惯性系里是同时，但在另一个惯性系里看来却_________同时。

答案：不是3.时间间隔相对性是，某两个事件在不同惯性系中观察，他们发生时间间隔是___________。

答案：不相等。

1 相对论的诞生2 时间和空间的相对性更上一层楼基础·巩固1.著名物理学家“开尔文勋爵”威廉·汤姆孙曾自信地宣称：“科学大厦已经基本完成”，但也承认，“明朗的天空中还有两朵小小的、令人不安的乌云”.他指的科学大厦是_______________，两朵乌云是________________.答案：以经典力学、热力学与统计物理学、电磁场理论为主要内容的物理学形成了完整的科学体系一是黑体辐射，一是光的速度.2.根据你的理解，你认为下列哪些观点是正确的（）A.在经典力学中，物体的质量是不随物体运动状态而改变的B.以牛顿运动定律为基础的经典力学理论具有局限性，它只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界C.相对论与量子力学的出现否定了经典力学理论D.伽利略的“自然数学化”的方法和牛顿的“归纳演绎法”是经典力学方法的典型答案：ABD3.下列服从经典力学规律的是（）A.自行车、汽车、火车、飞机等交通工具的运动B.发射导弹、人造卫星、宇宙飞船C.物体运动的速率接近于真空中的光速D.能量的不连续现象解析：经典力学只适用于宏观、低速运动的物体，所以A、B两项正确，C项错误；能量的不连续现象涉及量子论，不适合用经典力学来解释，所以选项D错误.答案：AB4.下列说法正确的是( )A.世界的过去、现在和将来都只有量的变化，而不会发生质的变化B.时间和空间不依赖人们的意识而存在C.时间和空间是绝对的D.时间和空间是紧密联系、不可分割的解析：根据狭义相对论的观点，时间和空间都不是绝对的，都是相对的.时间和空间不能割裂，是紧密联系的.所以选项A、B、C三项错误，选项D正确.答案：D5.一只长的标尺以接近光速穿过一根几米长的管子，它们的长度都是在静止状态下测量的.以下哪种叙述最恰当地描述了标尺穿过管子的情况( )A.标尺收缩变短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它B.标尺收缩变短，因此在某些位置上，标尺从管子的两端伸出来C.两者都收缩，且收缩量相等，因此在某个位置，管子恰好遮住标尺D.所有这些都与观察者的运动情况有关解析：观察者的运动情况不同，选取不同的惯性系，标尺与管子的相对速度也不相同，观察到的标尺和管子的长度也不相同，所以选项D正确.答案：D6.火箭以0.75c 的速度离开地球，从火箭上向地球发射一个光信号.火箭上测得光离开的速度是c ，根据过去熟悉的速度合成法则，光到达地球时地球上测得的光速是多少？根据狭义相对论的原理呢？解析：根据过去熟悉的速度合成法则，光相对于地球的速度是：v=c-0.75c=0.25c.而根据狭义相对论原理，光速与光源、观测者之间的相对运动没有关系，光速仍为c.答案：0.25c c7.一张正方形的宣传画，正贴在铁路旁的墙上，一高速列车驶过时，在车上的司机看来这张宣传画画成了什么样子？解析：取列车为惯性系，宣传画相对于列车高速运动，根据尺缩效应，宣传画在运动方向上将变窄，但在垂直运动方向上没有发生变化.答案：宣传画成了长方形，此画的高度不变，宽度变窄了.综合·应用8.以8 km/s 的速度运行的人造卫星上一只完好的手表走过了1 min ，地面上的人认为它走过这1 min“实际”上花了________________min 时间?解析：卫星上观测到的时间为Δt′=1 min，卫星运动的速度为v=8×103 m/s ，所以地面上观测到的时间为Δt=2)(1'c v t -∆=283)103108(-11⨯⨯ min=(1+3.6×10-10) min. 答案：1+3.6×10-109.假如有一对孪生兄弟A 和B ，其中B 乘坐速度为v=0.9c 的火箭飞往大角星（牧夫座a 星），而后又飞回地球.根据A 在地球上的观测，大角星离地球有40万光年远，这次B 往返飞行经历时间为80.8年.如果B 在离开地球时，他们的年龄都为20岁，试问当B 回到地球时，A 的年龄为________________岁,B 的年龄为________________岁.解析：设B 在飞船惯性系中经历时间为t′，根据时间延缓效应得：t=221c vt-，即：80.8=29.01'-t ，解得：t′=35.2年.所以B 回到地球时的年龄为20+35.2=55.2（年）答案：A 的年龄为100.8岁，B 的年龄为55.2岁.10.人马星座a 星是离太阳系最近的恒星，它距地球4.3×1016 m.设有一宇宙飞船自地球往返于人马星座a 星之间.若宇宙飞船的速度为0.999c ，按地球上的时钟计算，飞船往返一次需时间________________.如以飞船上的时钟计算，往返一次的时间又为________________.解析：以地球上的时钟计算Δt=v s =8161030.999104.32⨯⨯⨯⨯ s=2.87×108 s=9年； 若以飞船上的时钟计算：因为Δt=Δt′/1-(v/c)2所以得Δt′=Δt 2)/(1c v -=2.87×108×20.999-1s=1.28×107 s=0.4年 答案：Δt=9年，Δt′=0.4年11.长度测量与被测物体相对于观察者的运动有关，物体在运动方向长度缩短了.一艘宇宙飞船的船身长度为L 0=90 m ，相对地面以u=0.8c 的速度在一观测站的上空飞过.（1）观测站测得飞船的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？解析：（1）观测站测得船身的长度为L=L 022/1c u -=90×20.8-1m=54 m 通过观测站的时间间隔为Δt=u L =0.8c54=2.25×10-7 s （2）宇航员测得飞船船身通过观测站的时间间隔为Δt=c u L 8.0900==3.75×10-7 s 牛顿时空观是速度远小于光速时相对论时空观的近似。

第1节 相对论的诞生 第2节 时间和空间的相对性1．(对应要点一)关于时间和空间，在学习狭义相对论后我们应认识到( )A ．因为时间是绝对的，所以我们在不同的参考系中观察到的时间进程都是相同的B ．空间与时间之间是没有联系的C ．有物质才有空间和时间D ．在一个确定的参考系中观察，运动物体的空间距离和时间进程跟物体的运动状态有关解析：经典物理学认为空间和时间是脱离物质存在的，是绝对的，空间与时间之间也是没有联系的，在相对论力学中，时间和空间是和物质的运动相联系的。

只有在物质存在时才有空间和时间的概念，时间和空间是相互联系且是相对的。

答案：CD2．(对应要点一)下列说法中正确的是A ．相对性原理能简单而自然地解释电磁学的问题B ．在真空中，若物体以速度v 背离光源运动，则光相对物体的速度为c －vC ．在真空中，若光源向着观察者以速度v 运动，则光相对于观察者的速度为c ＋vD ．迈克耳孙—莫雷实验得出的结论是：不论光源与观察者做怎样的相对运动，光速都是一样的解析：相对性原理简单而自然，但在电磁学的领域里，涉及到相对哪个参考系才成立的问题，故选项A 错误；根据狭义相对论的光速不变原理，故选项B 、C 错误，D 正确。

答案：D3．(对应要点二)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，但是飞船中的宇航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，而飞船中的宇航员却感觉到地面上的人看起来比船中的人扁一些D ．当物体运动的速度v ≪c 时，“时间膨胀”和“长度收缩”效果可忽略不计解析：时间和空间都是相对的，故选项A 的说法错误；根据“时间膨胀”和“长度收缩”效应，选项B 、C 的说法正确；当速度v ≪c 时，1－(v c )2≈1，所以“时间膨胀”和“长度收缩”效应可忽略不计，故选项D 说法正确。

——教学资料参考参考范本——高中物理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达标训练新人教版选修3_4______年______月______日____________________部门更上一层楼基础·巩固1.著名物理学家“开尔文勋爵”威廉·汤姆孙曾自信地宣称：“科学大厦已经基本完成”，但也承认，“明朗的天空中还有两朵小小的、令人不安的乌云”.他指的科学大厦是_______________，两朵乌云是________________.答案：以经典力学、热力学与统计物理学、电磁场理论为主要内容的物理学形成了完整的科学体系一是黑体辐射，一是光的速度.2.根据你的理解，你认为下列哪些观点是正确的（）A.在经典力学中，物体的质量是不随物体运动状态而改变的B.以牛顿运动定律为基础的经典力学理论具有局限性，它只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界C.相对论与量子力学的出现否定了经典力学理论D.伽利略的“自然数学化”的方法和牛顿的“归纳演绎法”是经典力学方法的典型答案：ABD3.下列服从经典力学规律的是（）A.自行车、汽车、火车、飞机等交通工具的运动B.发射导弹、人造卫星、宇宙飞船C.物体运动的速率接近于真空中的光速D.能量的不连续现象解析：经典力学只适用于宏观、低速运动的物体，所以A、B两项正确，C项错误；能量的不连续现象涉及量子论，不适合用经典力学来解释，所以选项D错误.答案：AB4.下列说法正确的是( )A.世界的过去、现在和将来都只有量的变化，而不会发生质的变化B.时间和空间不依赖人们的意识而存在C.时间和空间是绝对的D.时间和空间是紧密联系、不可分割的解析：根据狭义相对论的观点，时间和空间都不是绝对的，都是相对的.时间和空间不能割裂，是紧密联系的.所以选项A、B、C三项错误，选项D正确.答案：D5.一只长的标尺以接近光速穿过一根几米长的管子，它们的长度都是在静止状态下测量的.以下哪种叙述最恰当地描述了标尺穿过管子的情况( )A.标尺收缩变短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它B.标尺收缩变短，因此在某些位置上，标尺从管子的两端伸出来C.两者都收缩，且收缩量相等，因此在某个位置，管子恰好遮住标尺D.所有这些都与观察者的运动情况有关解析：观察者的运动情况不同，选取不同的惯性系，标尺与管子的相对速度也不相同，观察到的标尺和管子的长度也不相同，所以选项D正确.答案：D6.火箭以0.75c 的速度离开地球，从火箭上向地球发射一个光信号.火箭上测得光离开的速度是c ，根据过去熟悉的速度合成法则，光到达地球时地球上测得的光速是多少？根据狭义相对论的原理呢？解析：根据过去熟悉的速度合成法则，光相对于地球的速度是：v=c-0.75c=0.25c.而根据狭义相对论原理，光速与光源、观测者之间的相对运动没有关系，光速仍为c. 答案：0.25c c7.一张正方形的宣传画，正贴在铁路旁的墙上，一高速列车驶过时，在车上的司机看来这张宣传画画成了什么样子？解析：取列车为惯性系，宣传画相对于列车高速运动，根据尺缩效应，宣传画在运动方向上将变窄，但在垂直运动方向上没有发生变化. 答案：宣传画成了长方形，此画的高度不变，宽度变窄了. 综合·应用8.以8 km/s 的速度运行的人造卫星上一只完好的手表走过了1 min ，地面上的人认为它走过这1 min“实际”上花了________________min 时间?解析：卫星上观测到的时间为Δt′=1 min，卫星运动的速度为v=8×103 m/s，所以地面上观测到的时间为Δt== min=(1+3.6×10-10) min.2)(1'cv t -∆283)103108(-11⨯⨯答案：1+3.6×10-109.假如有一对孪生兄弟A 和B ，其中B 乘坐速度为v=0.9c 的火箭飞往大角星（牧夫座a 星），而后又飞回地球.根据A 在地球上的观测，大角星离地球有40万光年远，这次B 往返飞行经历时间为80.8年.如果B 在离开地球时，他们的年龄都为20岁，试问当B 回到地球时，A 的年龄为________________岁,B 的年龄为________________岁. 解析：设B 在飞船惯性系中经历时间为t′，根据时间延缓效应得：t=，即：80.8=，解得：t′=35.2年.所以B 回到地球时的年龄为20+35.2=55.2（年）221c v t -29.01'-t答案：A 的年龄为100.8岁，B 的年龄为55.2岁.10.人马星座a 星是离太阳系最近的恒星，它距地球4.3×1016 m.设有一宇宙飞船自地球往返于人马星座a 星之间.若宇宙飞船的速度为0.999c ，按地球上的时钟计算，飞船往返一次需时间________________.如以飞船上的时钟计算，往返一次的时间又为________________.解析：以地球上的时钟计算Δt== s=2.87×108 s=9年；vs 8161030.999104.32⨯⨯⨯⨯ 若以飞船上的时钟计算：因为Δt=Δt′/1-(v/c)2所以得Δt′=Δt=2.87×108×s=1.28×107 s=0.4年2)/(1c v -20.999-1答案：Δt=9年，Δt′=0.4年11.长度测量与被测物体相对于观察者的运动有关，物体在运动方向长度缩短了.一艘宇宙飞船的船身长度为L0=90 m ，相对地面以u=0.8c 的速度在一观测站的上空飞过.（1）观测站测得飞船的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？解析：（1）观测站测得船身的长度为L=L0=90×m=54 m 22/1c u -20.8-1通过观测站的时间间隔为Δt===2.25×10-7 su L 0.8c54（2）宇航员测得飞船船身通过观测站的时间间隔为Δt==3.75×10-7 scu L 8.0900=牛顿时空观是速度远小于光速时相对论时空观的近似。

第1、2节 相对论的诞生__时间和空间的相对性一、相对论的诞生1．经典的相对性原理(1)惯性系：牛顿运动定律能够成立的参考系。

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)伽利略相对性原理：力学规律在任何惯性系中都是相同的。

2．狭义相对论的两个基本假设(1)实验基础：不论光源与观测者做怎样的相对运动，光速都是一样的。

(2)两个基本假设： 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 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 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同时的。

(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相对运动而不同。

(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，其长度总比杆静止时的长度小。

设相对于杆静止的观察者认为杆的长度为l 0，与杆有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 、l 0、v 的关系是l ＝l 01－⎝ ⎛⎭⎪⎫v c 2。

1．自主思考——判一判(1)静止或匀速直线运动的参考系是惯性系。

(√)(2)由于在任何惯性系中力学规律都是相同的，因此，研究力学问题时可以选择任何惯性系。

(√)(3)在不同的惯性系中，光速是不相同的。

(×)(4)在一个惯性系内进行任何力学实验都不能判断它是否在相对另一个惯性系做匀速直1.爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的；真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的。

2．时间和空间的相对性：“动尺变短”、“动钟变慢”。

线运动。

(√)(5)在狭义相对论时空观中空间和时间与物质的运动状态无关。

(×)2．合作探究——议一议(1)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，不是因为时钟的结构或精度因运动而发生了改变。

1 相对论的诞生2 时间和空间的相对性课堂合作探究问题导学一、经典相对性原理与狭义相对论的两个基本假设活动与探究11．如何理解经典相对性原理？2．对光速不变原理如何理解？迁移与应用1如图所示，地面上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，哪个事件先发生？力学的相对性原理和狭义相对性原理的区别（1）力学的相对性原理指的是力学现象对一切惯性系来说，都遵从同样的规律；或者说，在研究力学规律时，一切惯性系都是等价的、平权的。

因此无法借助力学实验的手段确定惯性系自身的运动状态。

（2）而狭义相对论指的是物理定律在所有惯性系中都是相同的，因此各个惯性系都是等价的，不存在特殊的绝对的惯性系。

因此狭义相对论原理所指范围更大，内容更丰富。

二、时间和空间的相对性活动与探究21．怎样理解同时的相对性？2．怎样理解时间间隔的相对性？3．怎样理解经典时空观与相对论时空观的区别？迁移与应用2下面的说法中正确的是（）A．因为时间是绝对的，所以我们在不同的参考系中观察到的时间进程都是相同的B．空间与时间之间是没有联系的C．有物质才有空间和时间D．在一个确定的参考系中观察，运动物体的空间距离和时间进程跟物体的运动状态有关经典的时空观与相对论时空观的比较经典物理学的时空观（牛顿物理学的绝对时空观）：时间和空间是脱离物质而存在的，是绝对的，空间与时间之间没有任何联系。

相对论的时空观（爱因斯坦相对论的相对时空观）：空间和时间都与物质的运动状态有关。

相对论的时空观更具有普遍性，但是经典物理学作为相对论的特例，在宏观、低速运动时仍将发挥作用。

三、狭义相对论的应用活动与探究3为什么在日常生活中我们觉察不到参考系中同时的相对性呢？在什么情况下，相对论效应比较明显？迁移与应用3一支静止时长为30 m的火箭以3 km/s的速度从观察者的身边擦过。

（1）观察者测得火箭的长度应为多少？（2）火箭上的人测得火箭的长度是多少？（3）如果火箭的速度为光速的二分之一，观察者测得火箭的长度应为多少？1．长度的变化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，物质本身结构并没有变化。