高中物理第6章经典力学与现代物理6.2狭义相对论的基本原理学案沪科版必修2

《狭义相对论的基本原理》教案（沪科版必修⼆）狭义相对论的基本原理教学要求1初步了解爱因斯坦相对论建⽴的背景，知道时间延缓，长度缩短，质速关系，质能关系和时空弯曲。

能运⽤相对论知识解释简单的现象。

2了解经典物理学的局限，知道经典时空观与相对论时空观之间的关系。

3初步认识“猜想”，“假设”和“物理模型的构建”在科学研究中的重要作⽤，培养⼤胆质疑的勇⽓和批判意识。

教学重点了解现代物理学的基础知识。

通过物理学史的教育帮助学⽣建⽴辩证唯物主义的时空观，同时让学⽣体会到：科学的发展永⽆⽌境；在科学研究中要敢于质疑，不迷信权威，选择科学的研究⽅法巧妙地解决问题。

教学难点⾼速世界远离我们所⽣活的低速世界，不但难以⽤⽣活经验来诠释，⽽且与⽣活经验相背离，导致学⽣难以接受。

经典物理学的概念根深蒂固，导致学⽣对新理论难以理解。

⾼速实验难以演⽰，缺乏直观的实验和形象⽣动的实例使学⽣难以想象。

学情分析学⽣已通过⼀年的物理学习基本建⽴经典⼒学的概念体系，⽜顿经典时空观与认知世界的协调，以及⽜顿⼒学对现实世界解释的巨⼤成功，使之对此深信不疑；况且教师在以往的教学中有意避开对⽜顿⼒学成⽴的先验条件的阐述，因此学⽣对此缺乏认识，⾼速世界与⽜顿⼒学的冲突⼜远离他们的⽣活经验，不能构成他们进⼀步求知的动⼒。

教学⽬的1知识与技能知道世纪之交的晴朗的物理学天空上的两朵乌云，了解其主要内容以及由此所引起的物理学理论的发展与创新。

认识经典⼒学的实⽤范围和局限性。

知道经典时空观与相对论时空观之间的关系。

初步了解相对论时空观中的基本观点，了解狭义相对论和⼴义相对论。

知道相对论以⼈类认识⾼速世界的影响。

2过程与⽅法经历科学家建⽴相对论的思维探索过程，认识科学思维的意义，学习科学的思维⽅法，从中体验成功的乐趣。

了解物理学的研究⽅法，认识理想实验，物理模型和数学⼯具在科学研究中的重要作⽤，以及物理验证实验在物理学发展过程中的作⽤。

3情感态度与价值观领略到⾃然界的奇妙与和谐，发展学⽣对科学的好奇⼼与求知欲。

6.2狭义相对论的基本原理6.3爱因斯坦心目中的宇宙问题导学一、对两个奇特效应的理解活动与探究1时间延缓效应是指被观测的过程节奏变慢了吗？为什么我们平时观察不到长度收缩的效应呢？迁移与应用1一支静止时长l的火箭以v的速度从观察者的身边飞过。

（1）火箭上的人测得火箭的长度应为多少？（2）观察者测得火箭的长度应为多少？（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？时间延缓效应与长度收缩效应的应用方法明确时间间隔的相对性公式中各量的含义，Δt是在“静止的参考系”（通常将观察者所在的参考系看成是静止的）中测得的时间差，Δt′是在相对于“静止参考系”为v的“运动参考系”中测得的时间差。

（1）“钟慢效应”或“动钟变慢”是两个不同惯性系进行时间比较的一种效应，不要认为是时钟的结构或精度因运动而发生了变化。

（2）运动时钟变慢完全是相对的，在两个惯性参考系中的观测者都将发现对方的钟变慢了。

二、对质速公式和质能方程的理解活动与探究2根据相对论，我们应该怎样理解质速关系和质能关系？迁移与应用2太阳内部不停地发生着剧烈的热核反应，在不断地辐射能量，因而其质量也不断地减少。

若太阳每秒钟辐射的总能量为4×1026 J，试计算太阳在一秒内失去的质量。

估算5 000年内总共减少了多少质量？并求5 000年内减少的质量与太阳的总质量2×1027 t的比值。

对质能方程的理解（1）相对论中，质量与能量是物质不可分离的属性。

（2）任何质量m都对应一定的能量mc2，即任何静止时质量不为零的物体，都贮存着巨大的能量。

答案：AD解析：狭义相对论的基本假设相对性原理与光速不变原理均建立在惯性参考系的基础上，故A、D正确，B、C错误。

高中物理狭义相对论的基本原理知识探讨沪科版必修2合作与讨论1.在匀速前进的车厢中自由下落一小球，请思考:(1)小球相对于车厢内静止的观察者做什么运动？(2)小球相对于地面上静止的观察者做什么运动？(3)由此你可得到什么结论？2.让两小球从同一高度，同时自由落下，请思考：(1)以地面为参考系，两球做什么运动？(2)以其中一球为参考系，另一球做什么运动？此时对该球运动的描述还符合牛顿运动定律吗？(3)你对此有怎样的理解？3.如图a所示，假设一列火车以速度v1匀速前进，车厢内一乘客以速度v2走向车头.请思考：图a(1)对站台上的观察者来说乘客的速度是多少？(2)如果乘客的速度与火车的速度方向相反，对站台上的观察者来说乘客的速度是多少？4.在图b中，车厢后部有一个光源，火车速度为v1，光的传播速度为c，实验发现对于站台上的观察者来说光的传播速度仍为c.请思考：图b(1)该实验事实与经典力学的速度合成法则产生了怎样的矛盾？(2)爱因斯坦如何解决了该问题？我的思路:1.小球相对于车厢内静止的观察者做自由落体运动；相对于地面上静止的观察者做平抛运动.由此可以得到选择不同的参考系对同一运动的描述往往会有所不同.2.以地面为参考系，两球都做自由落体运动；以其中一球为参考系，另一球将保持静止.它虽然受到重力的作用，却保持静止，所以对小球这个参考系来说，对另一小球运动的描述并不符合牛顿运动定律.凡是牛顿运动定律成立的参考系，称为惯性系；牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系.由此我们可以看出牛顿运动定律只适用于惯性系，并且对于一切惯性系，力学规律都是相同的，或者说一切惯性系都是等效的，这便是伽利略相对性原理.3.如果乘客的速度与火车的速度方向相同，对站台上的观察者来说乘客的速度是v1+v2;如果乘客的速度与火车的速度方向相反，对站台上的观察者来说乘客的速度是v1－v2.4.按照经典力学的速度合成法则，此时对于站台上的观察者来说光的传播速度应为v1＋c ,而实验的结果却是c,因而产生了矛盾.为解决上述矛盾爱因斯坦于1905年提出了狭义相对论，狭义相对论理论的出发点是以下两条基本假设：第一是相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的.第二是光速不变原理：不管在哪个惯性系中，测得的真空中的光速都相同，从而解决了上述矛盾.例题思考本节的重点是使学生在经典力学时空观的基础之上，结合光速不变的实验事实，明确经典时空观的局限性.同时了解爱因斯坦为解决该矛盾所提出的两条基本假设，为建立正确的时空观奠定基础，使我们对自然世界的认识更进一步，为接受爱因斯坦的狭义相对论作好准备.【例题】试述经典力学的时空观及所遇到的困难.解析：该题考查相对论时空观的提出背景，对物理学的发展要做到有所了解.经典力学的时空观认为：时间和空间是分离的，时间尺度和空间尺度与物质运动无关，都是绝对的.按该观点和伽利略的相对性原理，就会得到在不同的惯性系中所测得的光速是不同的.而实验事实却是光速不变，这样实验事实便与理论产生了矛盾，使经典力学时空观遇到了困难.点评：本题考查了人们对时空的认识过程，也反映了人们对自然界的认识总是从感性认识上升到理性认识，随认识的深入更接近事物的本质.变式练习试述当经典力学时空观遇到光速不变的实验事实这一困难时，爱因斯坦是如何解决的.它的意义如何？答案：狭义相对论的基本原理爱因斯坦提出了两条基本假设即相对性原理：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：不管在哪个惯性系中，测得的真空中的光速都相同.从而解决了上述矛盾.两条基本假设的提出解决了光速不变的困难，同时为狭义相对论的建立奠定了基础.使得人们的时空观发生了重大的变革，使得看似毫无联系的时间与空间紧密地联系在了一起.知识总结本节的任务是使学生了解爱因斯坦的两条基本假设，明确经典力学时空观的局限性，进一步认识物理学是一门以实验事实说话的科学.使学生认识到当理论与事实发生矛盾时，我们应当扬弃理论而不应扭曲事实的科学态度.。

1 *6.2 狭义相对论的基本原理*6.3 爱因斯坦心目中的宇宙课前预习情境导入九百多年前，有一次非常著名的超新星爆发事件，当时北宋王朝的天文学家作了详细的记载．据史书称：爆发出现在宋仁宗至和元年五月(即1054年)．在开始的二十三天中这颗超新星非常亮，白天也能在天空上看得到它，随后逐渐变暗，直到嘉祐元年(公元1056年)三月，才不能为肉眼看见，前后历时二十二个月．这次爆发的残骸就形成了著名的金牛座中的星云，叫做蟹状星云.这条古老的记录同光速颇有关系．当一颗恒星发生超新星爆发时，它的外围物质向四面八方飞散．也就是说，有些爆发物向着我们运动，有些运动方向则在垂直方向．如果光线服从速度合成公式，那么，按照类似于对投球运动的分析即知，A 点向我们发出的光的速度是c+u ，而B 点向我们发来的光的速度则大约仍是c.这样，由A 点发出的光到达地球的时间是t ＝L ／(c ＋u)，而由B 点发出的光到达地球的时间是t′≈L/c.蟹状星云与地球的距离L 大约是5千光年，爆发速度是每秒1 500 km 左右．用这些数据来计算，很容易得到t-t′≈25年．也就是说，我们至少在25年里都可以看到开始爆发时所产生的强光．然而，这是错误的，不符合事实的．历史的记录是：岁余稍没，即一年多就看不见了.这就证明上面的推算有问题．这是为什么呢？简答：从A 点或B 点向我们发射的光，速度是一样的，即光速与发光物体本身的速度无关，无论光源速度多么大，向我们发来的光的速度都是一样的．光速并不遵循经典的速度合成规律，这就是狭义相对论中的光速不变原理．知识预览1.经典力学的时空观:时间和空间是分离的,时间尺度和空间尺度与物质运动无关,都是绝对的.因此,这种时空观也叫做绝对时空观.2.伽利略相对性原理：所有的实验现象和实验结论，都不会因惯性系的不同而有所不同，也就是说，各个惯性系都是等价的.3.狭义相对论的两条基本公设:(1)在不同的惯性系中,一切物理规律都是相同的;(2)在一切惯性系中,光在真空中传播的速度都等于 c ,跟光源的运动无关.4.从狭义相对论的两条基本公设出发,推导出不同于经典力学的结论.(1)同时的相对性;(2)运动的时钟变慢;(3)运动的尺子缩短;(4)物体的质量随速度的增加而增大.5.爱因斯坦质量公式:m=2201c vm .6.质能关系:E=mc 2.。

沪科版必修2《狭义相对论的基本原理》教案狭义相对论的基本原理【教学目标】一、知识与技能1、了解狭义相对论的两个基本公设，并初步了解爱因斯坦对时空的新认识。

2、知道伽利略变换与洛伦兹变换反映的时空观的不同。

3、理解同时的相对性二、过程与方法1、通过学习爱因斯坦提出两条假设的过程，理解实验对理论的重要作用以及爱因斯坦的时空观。

2、通过两条假设理解同时的相对性，加深对相对论时空观的理解。

三、情感态度与价值观（1）理解相对论的时空观，体会相对论的建立对人类认识世界的影响。

（2）学会辩证地看待经典物理理论和相对论。

【学情分析】学习已经了建立狭义相对论中光速不变的实验基础，以及爱因斯坦的探索发现，因此学习狭义相对论的两条公设，已成顺理成章的事情。

不过学习的重点和难点在于随两条公设的提出而带来的时空观的变化。

【教学思路】因此本节教学应注意与上节知识的衔接，重视思维逻辑的连贯性，逐步建立新结论。

学生在思维中有很容易回到经典时空观上去将新旧时空观混为一谈，教学中应注意强调区别。

【教学重点、难点】1、狭义相对论的两个基本公设2、爱因斯坦的时空观——相对论时空观【教学方法】问题式讨论和讲授。

【教学过程】一、引入新课：通过上节课的学习，我们知道：光速是与参考系无关的常量；经典物理学中的速度变换关系对电磁规律不适用，等。

对这些问题，许多物理学家试图通过在经典物理学内进行修补，仍无法解决上述矛盾。

而爱因斯坦发现问题的症结在于经典物理学的时空观，因此他摈弃了经典物理学的时空观，根据实验事实提出了狭义相对论的两条公设，用理论研究的方法得到了狭义相对论的全部结论，当然狭义相对论建立了一种新的时空观。

我们下面看看爱因斯坦是怎样思考的。

二、新课教学狭义相对论的两条公设1、伽利略变换设开始时惯性系S′（O′-x′y′z′）相对惯性系S（O-xyz）完全重合，S′系相对S系以速度v沿x轴正方向运动。

由伽利略变换:（1）x x'vty y'z z't t'=+⎧⎪=⎪⎨=⎪⎪=⎩（位置坐标变换）可得： (2)x xy yz zv v'vv v'v v'=+⎧⎪=⎨⎪=⎩(速度变换)（3）x xy yz za'aa'aa'a=⎧⎪=⎨⎪=⎩（加速度变换）此式表明：从不同得惯性系所观察到的同一质点的加速度是相同的，或说成：物体的加速度对伽利略变换是不变的。

6.1 经典力学的巨大成就和局限性 6.2 狭义相对论的基本原理 6.3 爱因斯坦心目中的宇宙[学习目标] 1.了解经典力学的发展历程和伟大成就.2.认识经典力学的局限性和适用范围.3.初步了解微观和高速世界中的奇妙现象.4.知道相对论、量子力学和经典力学的关系．一、经典力学的巨大成就1．经典力学经典力学通常叫牛顿力学，主要研究宏观物体机械运动的规律．2．经典力学的巨大成就(1)把天体的运动与地上物体的运动统一起来．(2)经典力学和以经典力学为基础发展起来的天体力学、材料力学和结构力学等得到了广泛的应用．(3)力学和热力学的发展及其与生产的结合引发了第一次工业革命．(4)由牛顿力学定律导出的动量守恒定律、机械能守恒定律等是航空航天技术的理论基础．(5)相对论和量子力学的形成都受到经典力学的影响．二、经典力学方法论的意义1．两种典型研究方法(1)伽利略：“自然数学化”的方法，开创了将实验、逻辑(数学)相结合的方法．(2)牛顿：归纳—演绎法，大量运用数学方法系统地整理物理学理论的方法．其演绎的结果必须通过实验验证．2．意义伽利略和牛顿的科学方法是经典力学方法的典型，影响深远，并不断得到发展和完善，逐渐成为一种传统，甚至作为社会科学和哲学的方法论，意义很大．三、经典力学的局限性和适用范围1．经典力学的局限性和适用范围：对于宏观、低速(相对光速)物体的运动经典力学仍然适用．2．经典力学的局限性(1)经典力学的应用受到物体运动速率的限制，当物体运动速率接近于真空中的光速时，经典力学的许多观念将发生重大变化．(2)经典力学不适用于微观领域中物质结构和能量不连续的现象．四、经典时空观与相对论时空观1．经典时空观(1)经典时空观(绝对时空观)：时间永远均匀地流逝，与任何外界无关；空间与任何外界事物无关，从不运动，永远不变．(2)惯性系与非惯性系：①惯性系：凡是牛顿运动定律成立的参考系，相对于惯性系静止或做匀速直线运动的参考系都是惯性系．②非惯性系：牛顿运动定律不成立的参考系，相对于惯性系做变速运动的参考系是非惯性系．(3)伽利略相对性原理：对于所有的惯性系，力学规律都是相同的，或者说，一切惯性系都是等价的．(4)经典时空观的几个具体结论：①同时的绝对性；②时间间隔的绝对性；③空间距离的绝对性；④物体质量恒定不变，即它们与参考系的选择(或观察者的运动状态)无关．2．相对论时空观(1)光速不变与经典物理学的矛盾：观察和实验事实表明：无论光源和观察者如何运动，光速只能是c，这与经典力学的速度合成法则相矛盾．(2)狭义相对论的两条基本假设：①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：在一切惯性系中，光在真空中传播的速度都等于c，跟光源的运动无关．(3)相对论时空观①同时的相对性：在一个参考系中同时发生的两个事件，在另一个参考系看来是不同时的．②运动的时钟变慢：时钟相对于观察者静止时，走得快；相对于观察者运动时，走得慢．运动速度越快，效果越明显．③运动的尺子缩短：一个物体相对于观察者静止时，它的长度测量值最大；相对于观察者运动时，观察者在运动方向上观测，它的长度要缩短，速度越快，缩得越短．④物体质量随速度的增加而增大．[即学即用]1．判断下列说法的正误．(1)牛顿运动定律适用于任何参考系．(×)(2)经典时空观认为时间是绝对的．(√)(3)经典时空观认为物体的质量是绝对的．(√)(4)不论是宏观物体，还是微观粒子，经典力学和相对论都是适用的．(×)2．(多选)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．能量的不连续现象答案AB解析经典力学只适用于宏观、低速运动的物体，所以A、B正确，C错误；能量的不连续现象不适合用经典力学来解释，所以选项D错误.一、经典力学与相对论的比较[导学探究] 如图1甲，质子束被加速到接近光速；如图乙，中子星是质量、密度非常大的星体．请思考：图1(1)经典力学是否适用于质子束的运动规律？如何研究质子束的运动规律？(2)经典力学是否适用于中子星的引力规律？如何研究中子星的引力规律？答案(1)质子束的运动属于高速、微观范畴，经典力学不再适用，应该应用狭义相对论、量子力学进行研究．(2)中子星的引力属于引力范畴，经典力学不再适用，应该应用广义相对论进行研究．[知识深化]1．区别：比较项经典力学相对论形成时期物理学形成的初期阶段，受历史发展限制，理论较肤浅、片面形成于物理学充分发展的现代，理论较完善、科学适用范围低速运动，宏观世界，弱引力作用任何情况都适用速度对质量的影响物体的质量不随其速度的变化而变化物体的质量随其速度的增加而增大速度的合成时间与空间互不相干速度与位移、时间的测量有关2.联系：(1)当物体的运动速度远小于光速时，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别．(2)相对论并没有否定经典力学，经典力学是相对论在一定条件下的特殊情形．例1下列说法正确的是( )A．在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变，在狭义相对论中，物体的质量也不随运动状态而改变B．狭义相对论和经典力学是完全不同、相互矛盾的两个理论C．物体高速运动时，物体的运动服从狭义相对论，在低速运动时，物体的运动服从牛顿运动定律D．以上说法都是错误的答案 C解析在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变，在狭义相对论中，物体的质量随物体运动速度的增大而增大，选项A错误；狭义相对论没有否定经典力学，经典力学是狭义相对论在一定条件下的特殊情形，选项B 错误；经典力学适用于低速运动的物体，狭义相对论阐述物体在以接近光速运动时所遵循的规律，选项C正确．针对训练1 (多选)牛顿运动定律能适用于下列哪些情形( )A．研究原子中电子的运动B．研究“神舟五号”飞船的高速发射C．研究地球绕太阳的运动D．研究飞机从北京飞往纽约的航线答案BCD解析牛顿运动定律只能用于“宏观低速”的情形，这里的“宏观”是相对于微观粒子而言的．这里的“低速”是相对于光速而言的．原子、电子等是微观粒子，它们的运动不服从牛顿运动定律，A错误；B、C、D选项中运动虽然是“高速”，但相对于光速来说，却是微不足道的，完全可以用牛顿运动定律研究其规律，B、C、D正确．二、相对论的理解[导学探究] 地球绕太阳公转的速度是3×104m/s；如图2所示，设在美国伊利诺伊州费米实验室的圆形粒子加速器可以把电子加速到0.999 999 999 987倍光速的速度．请思考：图2(1)地球的公转速度在狭义相对论中属于低速还是高速？被加速器加速后的电子的速度呢？(2)加速后电子的质量比电子的静止质量增大了还是减小了？答案(1)狭义相对论的高速是可以与光速相比较的速度，所以地球的公转速度属于低速，被加速器加速后的电子的速度属于高速．(2)物体的质量随速度的增大而增大，所以加速后电子的质量比电子的静止质量增大了．[知识深化]1．两个基本原理(1)相对性原理：所有物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式，表明在任何惯性系中研究某个物体的某一运动过程，其运动规律形式不变．(2)光速不变原理：在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速c都一样，表明了经典时空观与相对论时空观的不同；比较如下：经典时空观相对论时空观运动情况同一运动对不同参考系描述结果不同，即速度不同光在一切惯性参考系中传向各个方向的速度不变时间与空间的关系时间均匀流逝，空间不变化，与运动情况及外部条件无关时间、空间都随运动情况而改变几个结论①同时的绝对性②时间间隔的绝对性③空间距离的绝对性④物体的质量恒定不变①同时的相对性②运动的时钟变慢③运动的尺子缩短④物体的质量随速度的增加而增大2.相对论时空观的内容认为时间和空间是相互联系、相互影响的，并且与物质的存在及运动有关．(1)长度收缩效应：一把尺子，在相对于它静止的参考系xOy中测得其长度为l(称为静止长度)，如图3所示．当该尺子相对另一参考系x′O′y′(如地面)沿尺子长度方向以速度v运动时，在该参考系x′O′y′(如地面)中测得尺子长度为l′＝l1－(vc)2.图3由于v<c，所以l′<l，说明在相对尺子运动的参考系中测得的“运动长度”比在相对尺子静止的参考系中测得的“静止长度”短，即所谓的“长度收缩效应”．当速度v≪c时，l′＝l，这就回到了经典物理学的结论——空间的尺度与物体的运动状态无关．(2)时间延缓效应：在相对于地面以速度v匀速运动的参考系内，测得该参考系中某一事件所经历的时间为Δt′，则在地面上测得该事件所经历的时间为：Δt＝Δt′1－(vc)2.由于v<c，所以Δt>Δt′.即用同样标准的钟，在静止参考系中测得的时间比在运动参考系中测得的时间长，好比是运动的钟走“慢”了．当速度v≪c时，Δt＝Δt′，这就回到了经典物理学的结论——时间与物体的运动状态无关．例2半人马星座α星是距离太阳系最近的恒星，它距地球为4.3×1016m．设有一宇宙飞船自地球往返于半人马星座α星之间．若宇宙飞船的速度为0.999c，按地球上的时钟计算，飞船往返一次需多长时间？如以飞船上的时钟计算，往返一次的时间又为多长？答案9年0.4年解析以地球上的时钟计算：Δt＝sv＝2×4.3×10160.999×3×108s≈2.87×108s≈9年若以飞船上的时钟计算(原时)，因为Δt＝Δt′1－(vc)2所以得Δt′＝Δt1－(vc)2＝2.87×108×1－0.9992s≈1.28×107s≈0.4年．针对训练2 如图4所示，有三个完全相同的时钟，时钟A放在地面上，时钟B、C分别放在两个火箭上，两个火箭分别以速度v B和v C朝同一方向飞行，v B<v C.对于地面上的观察者来说，以下说法中正确的是( )图4A．时钟A走得最慢B．时钟B走得最慢C．时钟C走得最慢D．时钟C走得最快答案 C解析根据相对论的时空观，运动的时钟变慢，其实质是指在相对论中每位观察者都有自身的时间测度，即如果一时钟在天空高速飞驰，对静止不动的观察者来说似乎时钟的时间走得慢了．时钟飞驰得越快，时钟的时间走得越慢．1．(经典力学的成就和局限性)(多选)20世纪以来，人们发现了一些新的事实，而经典力学却无法解释．经典力学只适用于解决物体的低速运动问题，不能用来处理高速运动问题；只适用于宏观物体，一般不适用于微观粒子，以下说法正确的是( )A．随着认识的发展，经典力学已成了过时的理论B．人们对客观事物的具体认识在广度上是有局限性的C．不同领域的事物各有其本质与规律D．人们应当不断拓展认识，在更广阔的领域内掌握不同事物的本质与规律答案BCD解析人们对客观世界的认识要受到所处的时代的客观条件和科学水平的制约，所以形成的看法也都具有一定的局限性，人们只有不断拓展自己的认识，才能掌握更广阔领域内的不同事物的本质与规律；新的科学的诞生并不意味着对原来科学的全盘否定，只能认为过去的科学是新的科学在一定条件下的特殊情形．2．(经典时空观)(多选)下列说法中哪些属于经典时空观的观点( )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、不可分割的答案ABC解析经典时空观认为时间和空间都是与外界事物无关的、绝对的，选项A、B、C属于经典时空观；选项D属于相对论时空观．3．(相对论效应的理解)如图5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，列车上的观察者测得A、C两铁塔被照亮的顺序是( )图5A．同时被照亮B．A先被照亮C．C先被照亮D．无法判断答案 C解析列车上的观察者看到的是由B发出后经过A和C反射的光，由于列车在这段时间内向C运动，靠近C而远离A，所以C的反射光先到达列车上的观察者，观察者看到C先被照亮，故只有C正确．4．(狭义相对论的应用)如图6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( )图6A．0.4c B．0.5cC．0.9c D．c答案 D解析由狭义相对论的光速不变原理知，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，A、B、C错误．一、选择题考点一经典力学的认识1．经典力学不能适用于下列哪些运动( )A．火箭的发射B．宇宙飞船绕地球的运动C．“勇气号”宇宙探测器的运动D．以99%倍光速运行的电子束答案 D解析经典力学在低速运动的广阔领域(包括天体力学的研究)中，经受了实践的检验，取得了巨大的成就，但在高速领域不再适用，故选项A、B、C适用，D不适用．2．(多选)下列说法正确的是( )A．牛顿运动定律只适用于相对静止的参考系B．在任何惯性系中，物体的加速度都具有不变性C．按照经典时空理论，物体的长度、质量和运动时间都与参考系的运动无关D．伽利略相对性原理表明，在惯性运动的范围内不存在绝对空间和绝对运动答案BCD3．(多选)以下说法正确的是( )A．经典力学理论普遍适用，大到天体，小到微观粒子均适用B．经典力学理论的成立具有一定的局限性C．在经典力学中，物体的质量不随运动状态改变而改变D．相对论和量子力学否定了经典力学理论答案BC解析经典力学理论只适用于宏观、低速运动的物体，A错误，B正确．在经典力学中，物体的速度v≪c，所以物体的质量不随运动状态改变而改变，但相对论和量子力学并不否定经典力学，认为经典力学是相对论在一定条件下的特殊情形，C正确，D错误．考点二相对论的理解4．属于狭义相对论基本假设的是：在不同的惯性系中( )A．真空中光速不变B．时间间隔具有相对性C．物体的质量不变D．物体的能量与质量成正比答案 A解析狭义相对论基本假设为：一是在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的；二是真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，即光速不变原理，由此可知A属于狭义相对论基本假设，故A正确，B、C、D错误．5．一列火车以接近光速的速度从我们身边飞驶而过，我们会感到车厢、车窗变窄了，而车厢、车窗的高度并没有变化，那么车厢内的人看路旁的电线杆间距将会( )A．变窄B．变宽C．不变D．都有可能答案 A解析火车相对地面以接近光速的速度向前飞驶，如果以火车为参考系，地面向后飞驶，根据尺缩效应知电线杆间距变窄．6．日常生活中，我们并没有发现物体的质量随着物体运动速度的变化而变化，其原因是( )A．运动中物体的质量无法称量B．物体的速度远小于光速，质量变化极小C．物体的质量太大D ．物体的质量不随速度的变化而变化 答案 B7．广东省虎门大桥全长近15 km ，在500 m 高空有一架与大桥平行以接近光速飞行的飞机，飞机上人员看到大桥的长度将是( ) A ．大于15 km B ．等于15 km C ．小于15 km D ．无法确定答案 C解析 由于飞机相对大桥是运动的，因此在飞机上观察者看来，大桥要缩短，故C 正确． 二、非选择题8．(相对论的理解)某物体高速运动时的质量是其静止时质量的二倍，求该物体的高速运动速度是光速c 的多少倍． 答案32倍 解析 由爱因斯坦的质速公式m ＝m 01－(v c)2，得1－(v c)2＝(m 0m)2，所以v c＝1－(m 0m)2＝1－122＝32.。

6.3 爱因斯坦心目中的宇宙思维激活世界上有各式各样的钟：砂钟、电钟、机械钟、光钟和生物钟，如图6-3-1所示.既然运动可以使某一种钟变慢，它一定会使所有的钟都一样变慢.这种说法是否正确呢？图6-3-1提示 将不同类型的两架钟调整到速度相同，并将它们密封在一个盒子中，再让该盒子匀速运动.如果运动对一架钟的影响比另一架大，则坐在盒子里的人就能看到两架钟的差别，因而可以知道盒子是在运动，显然这违反了相对论的基本原理：一个密闭在盒子中的人是无法辨认自己是处于静止状态，还是匀速运动状态的.所以一架钟变慢时，所有钟必定都变慢，且变慢的程度一定严格相同. 自主整理一、爱因斯坦的时空观 1.“同时”的相对性“同时性”在惯性系中，在低速时是没有疑问的，例如一列火车在做匀速直线运动，在某车厢中的中点一个人点燃一支蜡烛.他看到车厢前后两壁是同时被照亮的，地面上的人也应认为前后壁都是被同时照亮的.但有了光速不变原理时，情况就不一样了，当火车速度较大时，地面上的人将认为光先到达后壁 ，而后达到前壁.这就是“同时的相对性”. 2.时空的相对性假如有一个事件P 发生，在参考系A 中的坐标为（x ，y ，z ），发生的时间为t ，在以速度v 运动的参考系B 中的坐标为（x′，y′，z′），发生的时间为t′，则有变换公式：⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧-+=-+=22'122221'1''c v x c v t t c v vt x x爱因斯坦的时空相对性揭示了时间、空间与物质运动存在着内在的不可分割的联系，并给出了它们之间的定量关系. 二、两个奇特的效应 1.长度收缩效应物体静止长度l 0和运动长度l 之间的关系为： l=l 02)(1cv -上面的式子说明，相对于地面以速度v 运动的物体，从地面上看，沿着运动方向上的长度变短了，速度越大，变短得越多.2.时间延缓效应 Δt=2)(1'cv t -∆上面的式子具有普遍意义，当从地面观察以速度v 前进的火车时，车上的时间进程变慢了，不仅时间变慢了，物理、化学过程和生命的过程都变慢了，但车上的人都没有这种感觉，他们反而认为地面上的时间进程变快了. 三、爱因斯坦的质量公式经过严格的证明，物体有静止质量m 0和运动的质量m ，它们之间有如下关系： m ＝20)(1cv m -从上式可以看出，当物体（一般是粒子）的速度很大时，其运动时的质量明显大于静止时的质量. 四、质能关系按照相对论和基本力学定律可推出质量和能量具有如下关系：E=mc 2这就是著名的质能关系.如果用Δm 表示物体质量的变化，ΔE 表示能量的变化，那么它们的关系可以表示为ΔE=Δmc 2该式表示，随着一个物体质量的减小，会释放一定的能量；与此同时，另一个物体吸收了能量，质量也会增大. 高手笔记1.狭义相对论时空观和牛顿时空观的区别 （1）牛顿时空观：①空间是绝对静止不动的(即绝对空间)，时间是绝对不变的(即绝对时间). ②空间和时间跟任何外界物质的存在及其运动情况无关.③空间是三维欧几里得空间，时间是一维的，空间和时间彼此独立. （2）狭义相对论时空观：①不存在绝对的空间和绝对的时间.②空间、时间与在其中运动的物质存在着密不可分的联系.③空间和时间是紧密相连的，统一构成闵可夫斯基四维空间(即伪欧几里得空间).2.狭义相对论时空观与牛顿时空观的联系(1)牛顿时空观和狭义相对论时空观都包含了空间是均匀的，各向同性的(无论以哪一点作为坐标原点、坐标轴任取哪个方向都是一样的)、时间是均匀的假设.也就是说这两种时空观都认为所有处于空间和时间中的点都是等价的.正因为如此，所以伽利略变换和洛伦兹变换都是线性的.(2)牛顿时空观的某些概念是光速趋于无限大时(即v c 时)狭义相对论时空观的某些对应概念的极限情况.例如：在c→∞时，洛伦兹变换转变成伽利略变换.时间间隔、空间长度及同时等在c→∞时都从相对的转变成绝对的.相对论力学中的质量、力、动量、动能等概念的表达式在c→∞时都和牛顿力学中的这些概念的表达式趋于一致.(3)牛顿力学中有一个伽利略相对性原理，所有的力学规律从一个惯性参考系变换到另一个惯性参考系时其具体形式保持不变.同样，狭义相对论中也有一个狭义相对性原理，所有的物理规律从一个惯性参考系变换到另一个惯性参考系时其具体形式保持不变.而狭义相对性原理正是伽利略相对性原理合乎逻辑的推广. 名师解惑1.对长度收缩效应的理解剖析：可以想象这样一幅图景：一列火车以接近光的速度从我们身边飞驰而过，我们感到车厢变短了，车窗变窄了……火车越快，这个现象越明显，但是车厢和车窗的高度都没有变化.车上的人有什么感觉呢？他认为车上的一切和往常一样，因为他和火车是相对静止的.但是，他却认为地面上的景象有些异常：沿线的电线杆间的距离变短了，面对铁路线的正方形布告牌由于宽度变小而高度未变竟成了窄而高的矩形…… 2.对时间延缓效应的理解 剖析：时间延缓效应也叫钟慢效应.一个相对于我们做高速运动的惯性系中发生的物理过程，在我们看来，它所经历的时间比在这个惯性系中直接观察到的时间长.对于化学反应、生命过程等这一结论也是正确的.根据同样道理，设一对孪生子，一人停在地面上，另一人乘飞船飞行，当回到地面时，两人站在一起，后者比前者年轻，这称作双生子效应. 3.对质速关系的理解剖析：在相对物体静止的参考系中测量，物体具有最小的质量m 0（称为静止质量），在相对物体以速度v 运动的惯性系中测量，物体的运动质量为 m ＝20)(1cv m -由于v ＜c ，所以m ＞m 0，速度v 越大，运动质量也越大.当v=0.98c 时，m=5m 0.当v c 时，m=m0，这就回到了经典物理学的结论——物体的质量与物体的运动状态无关.对于速度v=c 的光子，其静止质量m0=0，即只有静止质量为零的粒子，才能以速度c运动.对于质量m0≠0的物体，当v→c时，m→∞，可见，即使长时间对物体施加恒力F的作用，物体的速度也不可能无限制地增大，其速度不可能达到光速c.4.对质能关系的理解剖析：质量和能量是物体不可分离的属性，其关系式为E=mc2.一个静止质量为m0的物体，在相对它静止的参考系中测量其质量为m0，能量为E＝mc2=m0c2，该能量称为物体的静能量.当物体的质量减少时，它会释放出一定的能量；反之，当物体吸收能量后，它会增加一定的质量.不过，要使物体的质量发生变化并非易事，人类现在已经找到了引发物体质量发生变化的方法——核裂变和核聚变.原子能发电站、原子弹核氢弹便是核反应能量释放的实际应用.根据质能关系式，当物体有Δm的质量发生变化时，一定伴随着有ΔE的能量变化，其关系式为ΔE=Δmc2.和平利用原子能这一新能源，正是当前全世界人民所企盼的.5.广义相对论的时空观剖析：时空弯曲：光线在引力场中会发生弯曲，也就是说空间本身被引力弯曲了.引力不但影响空间，还会影响时间，对这种影响的描述称为时空弯曲.宇宙中，物质密度大的区域，时空弯曲也大；物质稀少的区域，时空弯曲小，即时空较“平直”.英国科学家爱丁顿，从发生日食时所拍摄的太阳所在天区的恒星照片，与太阳不在该天区时所拍摄的同一天的恒星的照片比较，发现两张照片上的恒星位置不会重合，从而证实了远处恒星发来的光线，在经过太阳附近时，因太阳的引力作用而弯曲.。

6.2 狭义相对论的基本原理教研中心教学指导一、课标要求1.通过学生熟悉的物理事例让学生理解经典力学中的时空观（绝对时空观）.2.通过对追光问题的思考，结合伽利略相对性原理提出惯性系的概念，从对实际问题的研究中发现并思考问题.3.了解狭义相对论两个基本公设的产生基础，它与经典时空观的矛盾，知道爱因斯坦就是在解决这一矛盾的过程中提出了狭义相对论.二、教学建议1.在介绍经典力学的绝对时空观时应该使学生明白这种时空观特点是时间和空间是分离的、绝对的，与物质的运动形式无关，而得出这些观点的主要渠道是直觉和经验.在教学中应该注意到这种时空观已经被学生所接受，不能急着说这种观点不正确，相反可以肯定这些观点对于跑动、乘车甚至于乘坐高速运动的火箭的观察者来说，时间和空间都是统一的.2.追光问题的思考在本节中的地位相当重要，教学中可以运用所学过的知识作简要的分析和说明，可以组织学生讨论、设想、相互评价，没有必要涉及更深的理论，但应该使学生知道两种结论似乎都不能令人满意.这也就提出了问题，科学家是怎样寻求答案的.3.伽利略相对性原理中首先提出了惯性系的概念，指出了惯性系中的力学规律都相同，所有的惯性系都等价.在教学中应该处理好教材中给出的讨论题，可以让学生讨论出在三种情况下得到三种不同的结果，都与“光速不变”产生矛盾，而“光速不变”这一结论只能用“大量的事实证明”来直接告诉学生.4.狭义相对论的两个基本公设的提出，是针对伽利略的相对性原理与光速不变这一事实发生矛盾时，爱因斯坦在寻求二者的统一.在教学中应该把重点放在介绍爱因斯坦超人的智慧和独特的思维方式上，在要求上只能作为科普知识，没有必要作过多的要求.5.狭义相对论的相关知识很多学生只是了解一点点，本节教学中可以让学生相互交流、讨论，可以介绍一点有关狭义相对论的小故事，目的是激发学生的学习兴趣，但不能过多地讨论.资源参考用伽利略相对性原理求解“为什么会击中”的问题此类问题在力学中是非常有趣的问题，很易用实验证实，既是老问题，又是新问题.在均匀的引力场中，若忽略空气阻力，枪瞄准吊在高处B的苹果A，往往都击中.若A 在开始射击的时刻同时自由落下，只要子弹的速度足够大，如图1，都能击中，可用牛顿力学来求解.最近，Kalotas等人指出，此种解答不能给出直观的结果，而用另一种方法求解，即爱因斯坦等效性原理（E p）、且考虑苹果A在竖直方向自由下落.在这构想中，除了应用爱因斯坦等效性原理外，还采用连接在自由下落苹果A和子弹上的参考系（非惯性系），引入一虚构的达朗伯力作用于子弹和苹果上，抵消引力，这样在子弹和苹果上不存在净力，即合力为零，子弹直线运动击中固定不动的苹果A.虽然此种方法能给学生良好的直观感觉，但很难理解，在非惯性系中引入达朗伯力，就不易接受.图1现在，也是本文主要谈的，用伽利略的运动学研究击中下落苹果的问题，在历史上和概念上都优越于牛顿力学.此种方法能方便地、直观地解决此类问题，也能解决两物体（如导弹等）在空中相碰的问题.伽利略的运动相对性原理：运动物体在以恒定速度相对运动的坐标系中的物理规律是相同的，即所有的惯性系都是等价的.令S 是惯性参考系，原点为B ，考虑一个想象的参考点R 在射击初始时刻（t=0）以子弹的速度运动，以R 为原点建立一惯性系S′.因此，S′相对于S 以恒定速度（v 0，θ0）直线运动，如图2，在S′惯性参考系上观察，t ＝0时，子弹D 开始从原点R 由静止自由下落，因此在任意时刻t ，离原点R 的距离为21gt 2，因为在所有惯性系中，时间间隔和空间间隔都是同样的，则在S 中观察，在任意时刻t ，子弹D 离原点R 的距离仍是21gt 2.图2现考虑时刻t 1，R 运动到B 点，在S 中，苹果在t 1期间从静止下落，因此离原点的距离为21gt 12，因为R 和B 在t 1相遇，子弹D 和苹果A 必在同一点相遇，如图3.即相遇在R 和B 的下面21gt 12的地方.值得注意的是这种论证法不用计算，显得简单和直观，可以这样说：在R 运动到B 的时间间隔内，自由下落的距离是21gt 12，与速度v 0无关.这里的重要点是在S′中的子弹D 和在S 中的苹果A 同时地从原点由静止开始自由下落，从运动的相对性来看，应认为在惯性系中自由下落是同样的，因此当两个原点R 和B 相重合时，子弹D 和苹果A 必在同一点.图3同样的考虑可用于空中截击目标的举例，如图4，两个抛射体（如炮弹、导弹、火箭等）同时从同样高度射击，初速分别为v 01和v 02，如前所说，假设每个抛射体在惯性系中有它自己的参考点，在空中相遇的条件为：v 01sin θ01=v 02sin θ02①图4它们在同一时刻在R′相遇，当然，同样的结果也可在实验室参考系中求得，此时，只要认为两个抛射体的初速的Y分量相等，即满足①式就可，此时两个抛射体在同样高度相遇.总之，本文谈的方法是简单、直观的，只应用伽利略的运动相对性原理、采用常用的惯性系和应用简单的自由落体公式，就求得满意的结果.按现编的大学普通物理力学教材介绍的方法，要解决此类问题，必然应用斜抛公式、自由落体公式和某些几何条件，显得麻烦些，且不直观.。