高中物理 第15章 相对论简介 1-2 相对论的诞生 时间和空间的相对性 新人教版选修3-4A

第十五章第1节相对论的诞生第2节时间和空间的相对性1．(吉林省扶余市第一中学2017～2018学年高二下学期期中)如果有一列火车，以很高的速度运动，车窗沿运动方向为长，垂直运动方向为宽，根据相对论的知识，地面上的人发现( B ) A．火车窗口比静止时要长B．火车窗口比静止时要短C．火车窗口比静止时要宽D．火车窗口比静止时要窄解析：由于尺缩效应，在运动的方向上，长度要缩短，所以车窗的长度比静止时更短，但是在与运动方向垂直的宽不会变化，所以B正确。

2．(河北省衡水中学2017年高二下学期期中)在地面附近有一高速飞行的火箭，关于地面上的观察者和火箭中的工作人员观察到的现象，下列说法正确的是( A )A．地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变慢了B．地面上的人观察到火箭变长了，火箭上的时间进程变慢了C．火箭中的工作人员观察到火箭的长度不变而时间进程却变化了D．地面上的人观察到火箭变长了，火箭上的时间进程变快了解析：根据狭义相对论的“尺缩效应”和“钟慢效应”可判选项A正确。

3．(江苏省扬州市2017～2018学年高三上学期期末)下列说法正确的是( C )A．电磁波不能产生衍射现象B．电磁波和机械波都只能在介质中传播C．根据多普勒效应可以判断遥远天体相对于地球的运动速度D．光在真空中运动的速度在不同惯性系中测得的数值可能不同解析：干涉和衍射是波特有的性质，电磁波也可以发生衍射现象，故A错误；电磁波可以在真空中传播，故B错误；由于波源与接受者的相对位移的改变，而导致接受频率的变化，称为多普勒效应，所以可以判断遥远天体相对于地球的运动速度，故C正确；根据光速不变原理，知在不同惯性系中，光在真空中传播速度大小相等，故D错误。

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1 相对论的诞生2 时间和空间的相对性一览众山小诱学·导入材料：1.在100 m赛跑中，如果赛场测得某运动员跑完100 m的时间为11 s，那么在其他参赛者看来也是11 s.在飞速行驶的火车上，释放一个小球，在火车上的人观察到小球做自由落体运动，在地面上的人观察到小球做平抛运动.电磁波在真空中传播的速度是3.0×108 m/s.2.在高速运行的火车上对地面上长度的测量和时间的计算与地面上的不一样，长度会变短，时间会变长.3.“双生子佯谬”讲的是这样一件事：假设在地球上有一对孪生兄弟，哥哥乘宇宙飞船遨游太空，弟弟留在地球上.根据相对论中“时钟变慢效应”，有人认为，当哥哥返回地球时，应比弟弟年轻.还有人认为，哥哥与宇宙飞船相对静止，弟弟随地球一起遨游太空，同样根据“时钟变慢效应”，弟弟应比哥哥年轻.问题：电磁波的速度与观察者有无关系？什么是“时钟变慢效应”？导入:本节从我们最常见的事件入手说明有关经典的相对性原理.并从相对性原理与电磁规律的矛盾的角度提出相对论的两个基本假设.从“同时”的相对性、长度的相对性入手，并深入研究时间间隔的相对性，并建立相对论时空观.材料：从钟表的滴答声到太阳的东升西落，我们时刻都与时间和空间打交道.在日常生活和生产中，用时钟测量时间，用米尺测量长度，也是司空见惯的事情.我们知道，力学的研究对象是物体的机械运动，要定量地研究这种运动，必须选定适当的参考系.力学的概念及其规律对一定的参考系才有意义.我们也知道，无论是运动的描述，还是运动规律的说明，都跟长度和时间的测量有关.问题：你想过没有，到底什么是时间和空间？相对于不同的参考系，长度和时间的测量结果是一样的吗？导入:对上述问题的讨论，物理学家进行了长期的探索.于是，物理学经历了一场关于时空观的根本性变革，从牛顿时代的经典力学跨越到爱因斯坦的相对论.温故·知新1.试说明什么是惯性系？答：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.电磁波在真空中传播的速度是多少？答：3.0×108 m/s.3.试说明经典力学的适用范围.答：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.。

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。

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。

1 相对论诞生2 时间和空间相对性更上一层楼根底·稳固1.著名物理学家“开尔文勋爵〞威廉·汤姆孙曾自信地宣称：“科学大厦已经根本完成〞，但也成认，“明朗天空中还有两朵小小、令人不安乌云〞.他指科学大厦是_______________，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物理学形成了完整科学体系一是黑体辐射，一是光速度.2.根据你理解，你认为以下哪些观点是正确〔〕A.在经典力学中，物体质量是不随物体运动状态而改变B.以牛顿运动定律为根底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D.伽利略“自然数学化〞方法和牛顿“归纳演绎法〞是经典力学方法典型答案：ABD3.以下服从经典力学规律是〔〕A.自行车、汽车、火车、飞机等交通工具运动B.发射导弹、人造卫星、宇宙飞船解析：经典力学只适用于宏观、低速运动物体，所以A、B两项正确，C项错误；能量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.以下说法正确是( )A.世界过去、现在和将来都只有量变化，而不会发生质变化D.时间和空间是严密联系、不可分割解析：根据狭义相对论观点，时间和空间都不是绝对，都是相对.时间和空间不能割裂，是严密联系.所以选项A、B、C三项错误，选项D正确.答案：D5.一只长标尺以接近光速穿过一根几米长管子，它们长度都是在静止状态下测量.以下哪种表达最恰当地描述了标尺穿过管子情况( )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，管子恰好遮住标尺解析：观察者运动情况不同，选取不同惯性系，标尺与管子相对速度也不一样，观察到标尺和管子长度也不一样，所以选项D正确.答案：D速度离开地球，从火箭上向地球发射一个光信号.火箭上测得光离开速度是c，根据过去熟悉速度合成法那么，光到达地球时地球上测得光速是多少？根据狭义相对论原理呢？解析：根据过去熟悉速度合成法那么，光相对于地球速度是：v=c=.而根据狭义相对论原理，光速与光源、观测者之间相对运动没有关系，光速仍为c.答案： c7.一张正方形宣传画，正贴在铁路旁墙上，一高速列车驶过时，在车上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，此画高度不变，宽度变窄了.综合·应用8 km/s 速度运行人造卫星上一只完好手表走过了1 min ，地面上人认为它走过这1 min“实际〞上花了________________min 时间解析：卫星上观测到时间为Δt′=1 min，卫星运动速度为v=8×103 m/s ，所以地面上观测到时间为Δt== min=(1+3.6×10-10) min.答案：1+3.6×10-109.假设有一对孪生兄弟A 和B ，其中B 乘坐速度为v=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，他们年龄都为20岁，试问当B 回到地球时，A 年龄为________________岁,B 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 回到地球时年龄为20+35.2=55.2〔年〕答案：A 年龄为100.8岁，B 年龄为55.2岁.10.人马星座a 星是离太阳系最近恒星，它距地球4.3×1016 m ，按地球上时钟计算，飞船往返一次需时间________________.如以飞船上时钟计算，往返一次时间又为________________.解析：以地球上时钟计算Δt=vs = s=2.87×108 s=9年； 假设以飞船上时钟计算：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 答案：0=90 m ，相对地面以u=速度在一观测站上空飞过.〔1〕观测站测得飞船船身通过观测站时间间隔是多少？〔2〕宇航员测得船身通过观测站时间间隔是多少？解析：〔1〕观测站测得船身长度为L=L 022/1c u -=90×20.8-1m=54 m通过观测站时间间隔为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时间间隔为Δt==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近似。