第十五章 1 相对论的诞生 2 时间和空间的相对性.ppt

寻找以太“大失败”
►1 ） 迈克耳逊他们如实地报道了他们的实验结果，但他 没有意识到他所做的实验给出的结果所具有的重大意义： 根本没有以太这种东西！ 迈克耳逊称他的实验是一次没 有给出预期结果的大失败。
►2 ） 但是正是这个实验提醒人们必须重新审查被视为 “神圣”的经典物理学的根基：光的波动说理论和麦克 斯韦电磁理论都是建立在以太基础之上的。
但同时他也承认“明朗的天空中还有两朵小 小的、令人不安的乌云”。
与黑体辐射有关 与光速问题有关
量子理论诞生 相对论诞生
正是这两朵小小的乌云，冲破了经典物理 学的束缚，打消了当时绝大多数物理学家的盲 目乐观情绪，为后来建立近代物理学的理论基 础作出了贡献。
1、惯性系：牛顿运动定律成立的参考系
相对于一个惯性系做匀速直线运动的另一个参 考系也是惯性系
但是19世纪中叶，人们在研究与物体运动有 关的电磁现象时，发现电磁现象的规律不符合相 对性原理。
其中最典型的就是光速的问题。
19世纪末电磁理论在麦克斯韦的推动下达到了 顶峰。他的成就在于将当时所有已知的电磁学的知识 归纳集中于四个方程之中：
c 1 3.0108m/s
0 0
由麦克斯韦 方程组可以直接 得出：电磁波的 速度等于光速c， 并不涉及参考系 的问题，这与经 典力学的速度合 成法则一致吗？
T 谢谢观看 HANK YOU!
1 相对论的诞生
►19世纪末物理学取得了巨大的成就： ►牛顿力学 热力学 统计物理学 电磁场理论 ►形成了完整的物理学体系，并被赞誉为： ►“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽庙堂”
在1900年英国皇家学会的新年庆祝会上， 著名的物理学家，威廉·汤姆孙，回顾了物理学 在过去几百年中的发展，充满自信地宣称：科学 的大厦已经基本完成，未来的物理学家只要做一 些修修补补的工作就可以了。

第十五章
第1、
金版教程 · 人教版物 理 · 选修3-4
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、
金版教程 · 人教版物 理 · 选修3-4
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、
金版教程 · 人教版物 理 · 选修3-4
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、
金版教程 · 人教版物 理 · 选修3-4
(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_____

Δτ ， 1－vc2
其中Δt为地面观察者测得的时间间隔，Δτ为相对观察者静止时
测得的时间间隔。
例3 一张宣传画是边长为5 m的正方形，一高速列车以 2×108 m/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＝5 m，观测看到沿列车运动方向长为l。由动尺缩短效 应有
相对论的诞生 时间和空间的相对性
一、相对论的诞生 1．经典相对性原理 (1)惯性系：牛__顿__运__动__定__律_____成立的参考系。相对于一个惯 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
(2)参考系O′相对于参考系O以速度v向右运动时，人看到 的光速应是多少？
(3)参考系O相对于参考系O′以速度v向左运动时，人看到 的光速又是多少？
解析：根据狭义相对论的光速不变原理：真空中的光速在 不同的惯性参考系中都是相同的，光速与光源、观察者间的相 对运动没有关系。因此三种情况下，人观察到的光速都是c。
(2)相对论的时空观：同时是相对的，即在一个惯性系中 “同时”发生的两个事件，在另一个惯性系中可能是不同时 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相对 杆运动而不同。 (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，其长度总比静止的长度小，但在垂直于杆 的运动方向上，杆的长度没有变化。
对于狭义相对论的相对性原理来说，力学规律对惯性系来 说都是相同的，但是光速是不变的。由于光速是不变的，造成 了与经典理论一些不同的结论。这些结论在低速的世界里是不 易搞清的，但从天体的物理现象中却得到了证实。

新课标[物理 ·选修3-4]
2．思考判断
(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．(×)
服/务/教/师
免/费/馈/赠
返回菜单
新课标[物理 ·选修3-4]
3．探究交流
1.基本知识 (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
可能不是同时
的．
返回菜单
服/务/教/师
免/费/馈/赠
新课标[物理 ·选修3-4]
●课标解读
1．理解经典的相对性原理．
2 ．了解光的传播速度与经典的速度合成法则之间的矛 盾． 3．理解狭义相对论的两个基本假设． 4．理解同时的相对性、时间间隔的相对性和长度的相对
性．
5．知道时间和空间不是脱离物质而单独存在的．
服/务/教/师
免/费/馈/赠
返回菜单
新课标[物理 ·选修3-4]
●教学地位 本节介绍相对论的简单知识，使学生对相对论有一个初 步认识．
③相对时间间隔公式：设Δ τ 表示静止的惯性系中观测的 时间间隔，Δ t 表示以 v 高速运动的参考系中观察同样两事件 的时间间隔，则它们的关系是： Δ τ v 2 1－（ ） Δ t＝___________________. c
服/务/教/师 免/费/馈/赠
返回菜单
新课标[物理 ·选修3-4]
2．探究交流

栏目导引
1．怎样理解“动尺变短”：狭义相对论中的长度公式： l＝l0 1－vc2中，l0 是相对于杆静止的观察者测出的杆的长 度，而 l 可以认为是杆沿自己的长度方向以速度 v 运动时， 静止的观察者测量的长度．还可以认为是杆不动，而观察者 沿杆的长度方向以速度 v 运动时测出的杆的长度．
工具
人教版物理选修3-4 第十五章 相对论简介
栏目导引
(3)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．
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)相对论的时空观：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
同样两事件的时间间隔，则它们的关系是Δt＝
Δτ 1－vc2 .
工具
人教版物理选修3-4 第十五章 相对论简介
栏目导引
4．时空相对性的实验验证 (1)微观验证——宇宙射线中μ子的行为． (2)宏观验证——铯原子钟环球飞行的实验． 5．相对论时空观 (1)经典时空观：空间和时间是脱离物质存在的 ，是 绝对 的，空间和时间之间也是 没有 联系的． (2)相对论时空观：空间和时间与物质的 运动状态 有 关．
栏目导引
(2)如果与杆相对静止的人认为杆长是L0，与杆相对运 动的人认为杆长是L，则两者之间的关系为L＝
L0
1－vc2 .
(3)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．
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

12/9/2021
第二十五页，共三十八页。
栏目导航
[解析] 根据狭义相对论的假设，真空中的光速相对于不同的惯 性参考系是相同的，即在地面上任何地方的观察者看到的光速都是 c.
[答案] c c c
12/9/2021
第二十六页，共三十八页。
栏目导航
时间(shíjiān)和空间的相对性
1.“动尺缩短” 狭义相对论中的长度公式 l＝l0 1－vc2中，l0 是相对于杆静止 的观察者测出的杆的长度，而 l 可以认为是杆沿自己的长度方向以速 度 v 运动时，静止的观察者测量的长度．
S′相对于 S 以速度 v 运动，那么光相对于 S′的速度应该是(c－v)
而不是 c，好像电磁规律不是对任何惯性系都一样．
12/9/2021
第十九页，共三十八页。
栏目导航
(2)实验结论：不论光源与观察者做怎样的相对运动，光速都是 一样的．
12/9/2021
第二十页，共三十八页。
栏目导航
【例 1】 如图所示，思考以下几个问题：(光速用 c 表示)
第十三页，共三十八页。
栏目导航
3.假设甲在接近光速的火车上看地面上乙手中沿火车前进方向 放置的直尺，同时地面上的乙看甲手中沿火车前进方向放置的直尺， 则下列说法中正确的是( )
A．甲看到乙手中的直尺长度比乙看到自己手中的直尺长度大 B．甲看到乙手中的直尺长度比乙看到自己手中的直尺长度小 C．乙看到甲手中的直尺长度比甲看到自己手中的直尺长度大 D．乙看到甲手中的直尺长度比甲看到自己手中的直尺长度小
12/9/2021
第十四页，共三十八页。
栏目导航
BD [由 l＝l0 l－vc22可知，运动的观察者观察静止的尺子和静 止的观察者观察运动的尺子时，都出现尺缩效应，即都发现对方手 中的尺子比自己手中的短，故 B、D 正确．]

● 答案： (1)2.25×10－7 s (2)3.75×10－7 s
应用相对论“效应”解题的一般步骤
●首先，应该通过审题确定研究对象及研究对象的运动速度．其次， 明确求解的问题，即明确求解静止参考系中的观察结果，还是运 动参考系中的观察结果，最后，应用“尺缩效应公式”或“时间 延缓效应公式”进行计算．
断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运 动． ●b．任何惯性参考系都是 平权 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 在不同的 惯性 参考系中，一切物理
原理
规律都是 相同 的
光速不变原 真空中的光速在不同的惯性参考系
＝
1Δ－τ vc2中，Δτ 是相对事件发生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 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．
●3．理解要点：
●(2)相对论时空观：空间和时间与物质的 运动状态 有关．
●1．惯性系和非惯性系：牛顿运动定律能够成立的参考系，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，即 任何惯性参考系都是平权的．
●(3)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．
●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

2 ） 但是正是这个实验提醒人们必须重新审查被视为 “神圣”的经典物理学的根基：光的波动说理论和 麦克斯韦电磁理论都是建立在以太基础之上的。
3 ） 迈克耳逊为此而获得1907年的诺贝尔物理学奖， 他也是获得此奖的第一位美国人。
对实验“零结果”的几种解释
(1) 地球相对以太静止论 地球为绝对参照系，光速在地球上恒为 C 且各向同性。这样显然光程差为零， 在地球上实验条纹不移动。但此解释必 然得出地球是宇宙中心的结论，同时太 阳光在地球周围各向同性，但太阳相对 地球运动，仍不符合经典速度合成。
(3)发射理论
静止光源光速为C，运动光源光速改变，且各向同性。 这样在地球上用静止光源做实验，条纹当然不移动。 麦氏方程在地球上精确成立，但在以太中形式不同。 仍认为以太存在，这样阳光在地球上不为C。
这一说法与双星实验相矛盾。若光速与光源运动有 关，则在1处光速相对地球为C+v，2处光速相对地球 为C－v。在同一时刻观看B星不应是一亮点。B星不 同时刻发出的光在同一时刻到达地球，拍摄照片应 是一条很短的亮线。但实验结果均为亮点，说明光 速与光源运动无关。1924年用日光做迈氏实验，仍 然无移动，证明双星实验正确。
(4)收缩假定（1892年洛仑兹—菲兹杰拉德 )
迈克耳逊-莫雷实验的零结果大大震惊了当时 的物理学家们，他们无法相信根本不存在以太 这种东西。 为了维护以太理论，一些科学家又提出了各种 不同的假设来解释迈克耳逊-莫雷实验
菲兹杰拉德
1. 1892年爱尔兰物理学家菲兹杰拉德（1851-1901） 对迈克耳逊-莫雷实验的零结果提出了一种新奇的解 释。他认为地球穿过以太运动，一切物体都要在运 动方向上产生一定比例的收缩，即 1 v 2 的比例收
迈克耳逊先单独做了一 个实验来测量地球穿过 以太的效应，1881年他 发表结果说没有发现地 球相对于以太的可以检 测的运动。

第二页，共三十页。
课堂导入
20世纪最伟大的科学家 爱因斯坦
第三页，共三十页。
一、经典的相对性原理
1、惯性系： 牛顿运动定律成立的参考系 相对于一个惯性参考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
还可表述为：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，任何惯性系都是平权的。
麦克尔逊莫雷
实
验
第十页，共三十页。
二、相对性原理与电磁规律
上述的矛盾使物理学家面临两个选择，一是修正现有的理论，去迎合实验结果（这
相对比较容易，但常常无效）； 另一种主张彻底摆脱“麦克斯韦电磁理论只适用于某一特 殊的惯性系”，创立全新的理论。爱因斯坦、庞加莱等人选择了后者．并提出了两 个假设：
第十一页，共三十页。
• 0.99c
• 0.999c • 0.9998c
• T(秒)
• 1.01 • 1.15
• 1.67 • 2.29 • 7.1 • 22.4 • 50
第二十三页，共三十页。
四、时空相对性的实验验证
根据相对论，时间在运动中会 进行的比较缓慢，也就是说，在 空间中高速移动的时钟，比固定 于地面上的时钟走得慢．
第二十五页，共三十页。
四、时空相对性的实验验证
t
t0 1 v 2
c
l l0
1 v 2 c
对速度可与光速相比时， 时间与空间的相对性才 比较明显．
狭义相对论的结论已经完全得到证实，实际上它 已经成为微观粒子研究的基础之一．
第二十六页，共三十页。
五、相对论的时空观
牛顿物理学的绝对时空观：物理学的空间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。

【素养升华】 狭义相对论的相对性原理 力学规律对惯性系来说都是相同的,但是光速是不变的。光速 的大小与选取的参考系无关,在任何情况下,真空中的光速都是 c。
二、动尺变短与动钟变慢
规律方法
1.“动尺变短”:狭义相对论中的长度公式:l=l0
1 ( v)2 中,
c
l0是相对于杆静止的观察者测出的杆的长度,而l可以认为是杆
3
在K′系的x′y′平面内静置一长为
5m、与x′轴成30°角的杆。试问:在
K系中观察到此杆的长度和杆与x轴的夹角分别为多大?
【标准解答】设杆固有长度为l0,在K′系中x′方向上:
l0x=l0cosα′,y′方向上:l0y=l0sinα′,由长度的相对性得
K系中x方向上:lx=l0x
1 (v)2 c
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l0,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、l0、v的关系是l=_l_0 _1___(_vc_)2_。
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? 提示:在平时生活中,物体运动的速度都非常慢,与光速c相比均 可忽略,因此我们觉察不到同时的相对性,相对论的所有效应都 不明显,但在参考系速度接近光速(一般都需0.9c以上)时,相对 论效应就明显表现出来了。
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: