高中物理《时间和空间的相对性》课件一(17张PPT)

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_____

这是一个令人吃惊的结论：光信号往返的时间，地面上的 人(小芳)和车厢里的人(小明)测量的结果不一样，地面上的人 测得的时间(Δt)要比车厢里的人测得的时间(Δt′)长些．
【答案】 小明观测的时间Δτ＝2h/c，小芳观测的时间
Δt＝
Δτ ，显然两者不相等． 1－vc2
2．“动钟变慢”：时间间隔的相对性公式：Δt＝
Δτ 1－vc 2
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．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．
4．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．
典例分析
举一反三 触类旁通
一、对光速不变原理的理解
例1】 (多选题)下列说法正确的是( )
A．在以
1 1000
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
c竖直方向升空的火箭上向前发出的光，对
地速度一定比c大．
B．在以
1 1000
c竖直方向升空的火箭上向后发出的光，对
地速度一定比c小．
C．在以

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

典例精析 二、时间和空间的相对性
例3 π＋介子是一种不稳定粒子，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＋介子寿命多长？ (2)π＋介子在衰变前运动了多长距离？
典例精析 二、时间和空间的相对性
解析 Δt＝
图2
A.0.4c
B.0.5c C.0.9c
D.c
123
解析 由狭义相对论的基本假设：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，可知D正 确. 答案 D
123
2.(狭义相对论)关于狭义相对论，下列说法不正确的是( D ) 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
典例精析 一、狭义相对论
例1 下面说法正确的是( )
A.在以
1
1 000
c竖直方向升空的火箭上向前发出的光，对
地速度一定比c大
B.在以
1
1 000
c竖直方向升空的火箭上向后发出的光，对
地速度一定比c小
C.在以 1 c竖直方向升空的火箭上沿水平方向发出的 1 000
光对地速度为c
典例精析 一、狭义相对论
二、时间和空间的相对性
2.长度的相对性(尺缩效应) (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)狭义相对论认为“动尺变短”：狭义相对论中的长 度公式：l＝ l0 1－vc2 ，但垂直于杆的运动方向上， 杆的长度不变 .
二、时间和空间的相对性
3.时间间隔的相对性
D.在以
1 1 000
c竖直方向升空的火箭上向任一方向发出
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

完整版ppt
8
第十五章 第1、2节
金版教程 ·人教版物理 ·选修3-4
(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____。设与杆 相对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，则两者之间的关系是：
l＝ ___l0____1_－__v_c_2___。
完整版ppt
13
第十五章 第1、2节
金版教程 ·人教版物理 ·选修3-4
课堂合作探究
完整版ppt
14
第十五章 第1、2节
金版教程 ·人教版物理 ·选修3-4
要点一 相对论的诞生
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)相对性原理的三种表述
完整版ppt
17
第十五章 第1、2节
金版教程 ·人教版物理 ·选修3-4
3．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 相同。 这两个假设是迈克耳孙——莫雷的直接结论，但由于是有 限的几次实验的结论，还要大量的实验来证明，还要经过逻辑 推理的大量结论来验证才能成为真正的原理。
完整版ppt
9
第十五章 第1、2节
金版教程 ·人教版物理 ·选修3-4
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 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，

l0
v
l
车上的人看到的车厢的长度： 车外的人看到的车厢的长度：
l0
l
l l0
v 1 c
2
动尺变短（空间收缩效应）
S
O
Y O′
Y′
S′
u
B
X X′
A l
x1
●
注意： 的 X 轴方向上，在Y 轴方向上 无长度缩短效应
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 在垂直于运动方向上，杆的长度没 有发生变化
三、时间间隔的相对性
在站台上看运 动火车上的钟
在火车上看运 动站台上的钟
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．
小 结
一、“同时”是相对的 二、长度的相对性
v l l0 1 c
t t0
2
三、时间间隔的相对性
v 1 c
2
• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •
15.2 时间和空间的 相对性
在经典物理家的头脑中，如果两个事件在一个参 考系中看来是同时的，在另一个参考系中看来也一 定是同时的，但是如果接受爱因斯坦的两个假设， 我们会得出“同时是相对的”这样一个结论．
同时是相对的
一、“同时”的相对性
车厢上的人和地面上的人看到车厢中间灯光到 达前后车厢的先后是不一样的．
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．

15.3 狭义相对论的其他结论
一、相对论的速度变换公式
v
u
车对地的速度为v，人对车的速度为u/
u v u 地面上的人看到车上 u v 1 人相对地面的速度为： 2 c
u v u u v 1 2 c
如果车上人运动方向与火车运动方向相 反，则u’取负值
课本P107思考与讨论
2
2
1 2 2 2 v m c m c m c 0 0 0 2 c Ek 2 1v 1 2 c
1 m0v 2 2
1 2 Ek m0v 2
这就是我们过去熟悉的动能表达式，这也 能让我们看出，牛顿力学是相对论力学在低速 情况下的特例．
课本P108 思考与讨论
二、相对论质量
物体的运动速度不能无限增加，那么物 体的质量是否随着速度而变化？ 严格的论证表明，物体高速（与光速相 比）运动时的质量与它静止时的质量之间有 下面的关系： m0 m 2 v 1 c m为运动质量
﹥ m0为静止质量
微观粒子的速度很高，它的质量明显 的大于静止质量．在研究制造回旋加速器 时必须考虑相对论效应的影响．
2 Emc
2
运动时的能量
静止时的能量
Ek
1 2 m v 0 2
在v ＜ ＜ c时的一种近似 这就是动能表达式．
具体推导过程如下：
E E E k 0
Emc
2
2 E m c 0 0
Ek
m0c 2 v 1 c
2
2
m0c 2
v 1 c
1 v v 1 1 2 c c
1988年，中 国第一座高能粒 子加速器——北 京正负电子对撞 机首次对撞成功

教 学 教 法 分 析
教 学 方 案 设 计
课 前 自 主 导 学
菜单
新课标 ·物理 选修3-4
课 堂 互 动 探 究
当 堂 双 基 达 标
课 时 作 业
新课标 ·物理 选修3-4
2 时间和空间的相对性
教 学 教 法 分 析
教师用书独具演示
课 堂 互 动 探 究
教
学
当
方 案
●课程要求
堂 双
设
基
计
了解经典时空观与相对论时空观的主要区别，体会相对
Δτ
件的时间间隔，则它们的关系是：Δ t＝ 1－（cv）2 .
菜单
新课标 ·物理 选修3-4
教 学 教 法 分 析
课
堂
2.探究交流
互 动
探
运动的时针变慢是不是因为时钟的结构因运动发生了改 究
教
学 方
变？
当 堂
案 设
【提示】
运动的时钟变慢是在两个不同的惯性系中进
双 基
计
达
课 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 标
基 达
标
课 步认识．
前
自
课
主
时
导
作
学
业
菜单
新课标 ·物理 选修3-4
教 学 教 法 分 析
课
●新课导入建议
堂 互
动
1971 年人类将三只铯原子钟分别放到地面和喷气式飞机 探 究
教 学
上验证相对论：在地面将三个铯原子钟调整同步，把两个分
当
方
堂
案 别放在向东、向西在赤道上空高速飞行的飞机上，飞行一周 双
课 时 作 业
教 学 教 法 分 析

(★★☆)(多选)如图所示,你站在水平木杆AB的中央附近,并且看到木杆落在地面 上时是两端同时着地的,所以,你认为木杆是平着落到了地面上;若此时飞飞正以接 近光速的速度从你前面掠过,她看到B端比A端先落地,因而她认为木杆是向右倾斜 着落地的.她的看法是 ( ) A.对的 B.错的 C.她应感觉到木杆在朝她运动 D.她应感觉到木杆在远离她运动
系是Δt= Δτ .
1-
v c
2
6|相对论的时空观
1.经典的时空观:空间和时间是脱离物质而存在的,是 绝对 的,空间和时间之 间也是 没有 联系的. 2.相对论的时空观:空间和时间与物质的 运动状态 有关.
判断正误,正确的画“ √” ,错误的画“ ✕” . 1.根据相对论的时空观,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. ( √ ) 2.相对论时空观认为长度也具有相对性. ( √ ) 3.相对论时空观认为空间和时间与物质的运动状态无关. ( ✕ ) 相对论时空观认为空间和时间与物质的运动状态有关. 4.真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的. ( √ ) 5.力学规律在任何惯性系中都是相同的. ( √ ) 6.真空中的光速与所选的参考系有关. ( ✕ ) 真空中的光速与所选的参考系无关. 7.任何惯性参考系都是平权的. ( √ )
Δτ
间间隔变大,Δt=
1-
v c
2
长度的相 对性
与杆相对静止的人认为杆的长 度为l0
若参考系沿杆长度的方向运动,观察到杆的长度
减小,l=l0
1-
v c
2
几个结论的理解要点
(1)时间间隔及长度的变化都是由于物体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,物体本身的结构并没有变化. (2)两个事件的时间间隔和物质的长度,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.