2017年高中物理 第5章 新时空观的确立 5.1 电磁场理论引发的怪异问题 狭义相对论的基本原理学案 沪科版选修3-4

1、1电磁场理论引发的怪异问题狭义相对论的基本原理学习目标定位1.理解伽利略相对性原理.2.了解狭义相对论的两条基本公设.3.由伽利略变换和洛伦兹变换体会经典物理学的时空观和狭义相对论的时空观的不同.4.了解同时的相对性和相对论速度变换公式1惯性系：如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系就叫惯性系，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迈克耳孙莫雷实验说明，光在任何方向上传播时，相对于地球的速度都是相同的即光速c是不变的3伽利略相对性原理：对于力学规律来说，一切惯性系都是等价的4狭义相对论的两条公设为：爱因斯坦相对性原理和光速不变原理5同时的相对性经典物理学家认为同时是绝对的，与参考系无关，狭义相对论的时空观认为同时是相对的，即在一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中不一定是同时的6相对论速度变换公式若高速运动的飞船相对于地球的速度为v，飞船上的某物体以速度u沿着飞船前进的方向相对飞船运动，那么物体相对于地球的速度u.一、电磁场理论引发的怪异问题问题设计1举例说明电磁场理论与经典物理学存在着尖锐的矛盾答案一辆车对地做匀速直线运动速度为v，若自车厢后

2、壁发出一个闪光，按照经典物理速度合成公式，这个闪光对地的速度为Vcv.但电磁场理论中光在真空中的传播速度为c，并不涉及参考系问题2迈克耳孙莫雷实验说明了什么？答案说明光速c是不变的要点提炼1按经典物理速度合成公式，一个人在相对地面以速度v运动的车或船上，向前进方向掷出一个相对于自己以速度u运动的球，则球相对地面的速度应为Vuv.2对光的传播应用了经典的物理速度合成公式后，得出的结果与电磁场理论中“光在真空中的传播速度为c”产生了矛盾即经典的速度合成公式对电磁学不适用3迈克耳孙莫雷实验说明：光在任何方向上传播时，相对地球的速度都是相同的也就是说，地球相对于“以太”的速度v实际上为零，或者说“以太”根本不存在光速c是不变的4伽利略相对性原理：对于力学规律来说，一切惯性系都是等价的例1如图1所示，在列车车厢的光滑水平底面上有一个质量为m5 kg的小球，正随车厢一起以20 m/s的速度匀速前进现在给小球一个水平向前的F5 N的拉力作用，求经10 s时，车厢里的观察者和地面上的观察者看到小球的速度分别是多少？图1解析对车厢里的观察者物体的初速度为0，加速度a1 m/s2经10 s时，速度v1at

3、10 m/s.对地面上的观察者解法一物体初速度v020 m/s加速度相同a1 m/s2经10 s时，速度v2v0at30 m/s.解法二根据速度合成法则v2v1v0(1020) m/s30 m/s.答案10 m/s30 m/s二、狭义相对论的两条公设问题设计1在伽利略变换中，时间和空间是否有关系，它们与物体的运动有无关系？答案时间和空间是分离的时间尺度和空间尺度跟物体运动无关，都是绝对的2面对电磁场理论与经典物理学之间出现的矛盾，爱因斯坦对时间和空间又是怎样理解的？答案爱因斯坦认为，空间和时间在本质上是统一的，空间和时间不是分离的要点提炼狭义相对论的两个基本公设1爱因斯坦相对性原理：在所有相互做匀速直线运动的惯性参考系中，物理规律都是相同的2光速不变原理：在所有相互做匀速直线运动的惯性参考系中，光在真空中的速度都是相等的例2考虑以下几个问题：图2(1)如图2所示，参考系O相对于参考系O静止时，人看到的光速应是多少？(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？解析光速不变原理指的是真空中的光速

4、在不同的惯性参考系中都是相同的故三种情况下人看到的光速都是c.答案(1)c(2)c(3)c三、洛伦兹变换、同时的相对性问题设计如图3所示，一列火车沿平直轨道飞快地匀速行驶，车厢中央的光源发出了一个闪光，闪光照亮了车厢的前壁和后壁车上的人观察到闪光同时照亮了前后壁吗？地上的人怎么认为？图3答案车上的人认为闪光同时照亮了前后壁，地上的人认为先照亮后壁要点提炼1洛伦兹变换2同时的相对性(1)经典物理学家认为：如果两个事件在一个参考系中是同时发生的，那么在另一个参考系中观察也一定是同时发生的即同时是绝对的，与所在的惯性参考系无关(2)狭义相对论的时空观认为：同时是相对的，即在一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中不一定是同时的，跟观察者所选取的参考系有关延伸思考你能够在vc时，由洛伦兹变换得到伽利略变换吗？答案当vc时，公式x中的很小近似为零，故xxvt；公式t中也近似为零，则tt.例3如图4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，列车上的观测者测得A、C两铁塔被照亮的顺序是()图4A同时被照亮BA先被照亮

5、CC先被照亮 D无法判断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，所以列车上的观察者看到C先被照亮，故只有C正确答案C四、相对论速度变换公式问题设计一列火车正以v50 m/s的速度高速行驶，列车内一乘客以相对列车u5 m/s的速度向前跑，站台上的观察者测得该乘客的速度是uvu55 m/s.若列车的速度是0.9c，乘客的速度是0.5c，那么站台上的观察者测得该乘客的速度为0.9c0.5c1.4c吗？答案不是要点提炼相对论速度变换公式1公式：设高速行驶的火车的速度为v，车上的人相对火车以速度u运动，人相对地面的速度为u，则2结论：光速c是物体运动速度的极限，且相对任何参考系，光速都是不变的3理解：若vc，uc时，可忽略不计，即11，相对论速度合成公式可近似变为uvu.例4地球上一观察者，看见一飞船A以速度2.5108 m/s从他身边飞过，另一飞船B以速度2.0108 m/s跟随A飞行求：(1)A上的乘客看到B的相对速度；(2)B上的乘客看到A的相对速度解析(1)A上的乘客看地面上的人以2.5108 m/s向后运动地面上的人看B以2

6、.0108 m/s向前运动，则A上的乘客看到B的相对速度为u108 m/s1.125108 m/s.(2)B上的乘客看到A的相对速度为1.125108 m/s.答案(1)1.125108 m/s(2)1.125108 m/s2狭义相对论的基本原理1通常我们把地球和相对于地面静止或匀速运动的参考系看成惯性系，若以下列系统为参考系，则其中属于非惯性系的有()A停在地面上的汽车B绕地球做匀速圆周运动的飞船C在大海上匀速直线航行的轮船D以较大速度匀速运动的磁悬浮列车答案B解析由惯性系和非惯性系的概念可知选B.2关于狭义相对论，下列说法不正确的是()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同的B狭义相对论认为在一切惯性系中，光在真空中的速度都等于c，与光源的运动无关C狭义相对论只涉及无加速度运动的惯性系D狭义相对论任何情况下都适用答案D解析由狭义相对论原理可知D错误3下列关于经典力学的时空观，正确的是()A经典力学的时空观中，同时是绝对的，即在一个参考系中的观察者在某一时刻观察到的两个事件，对另一参考系中的观察者来说也是同时发生的B在经典力学的时空观中，时间间隔是绝对的，即任何事

7、件(或物体的运动)所经历的时间，在不同的参考系中测量都是相同的，而与参考系的选取无关C在经典力学的时空观中，空间距离是绝对的，即如果各个参考系中用来测量长度的标准相同，那么空间两点距离是绝对不变的量值，而与参考系的选取无关D经典力学的时空观就是一个绝对的时空观，时间、空间与物体的运动无关答案ABCD解析由经典力学时空观内容可知A、B、C、D正确4设想有一艘飞船以v0.8c的速度在地球上空飞行，如果这时从飞船上沿其运动方向抛出一物体，该物体相对于飞船的速度为0.9c，从地面上的人看来，物体的速度为()A1.7c B0.1c C0.99c D无法确定答案C解析根据相对论速度变换公式：u，得u0.99c，故选项C正确基础题1某地发生洪涝灾害，灾情紧急，特派一飞机前往，飞机在某高度做匀速直线运动，投放一包救急品，灾民看到物品做曲线运动，飞行员看到物品做自由落体运动，物品刚好落到灾民救济处，根据经典时空观，则下列说法正确的是()A飞机为非惯性参考系B飞机为惯性参考系C灾民为非惯性参考系D灾民为惯性参考系答案BD解析物品投放后，仅受重力作用，飞行员看到物品是做初速度为零的自由落体运动，符合牛顿运动

8、定律，故飞机为惯性参考系，B对；而地面上的人员看到物品做初速度不为零的抛体运动，也符合牛顿运动定律，D也对2关于牛顿力学的适用范围，下列说法正确的是()A适用于宏观物体B适用于微观物体C适用于高速运动的物体D适用于低速运动的物体答案AD解析由经典力学的局限性可知A、D正确3根据伽利略相对性原理，可以得到下列结论()A力学规律在任何惯性系中都是相同的B同一力学规律在不同的惯性系中可能不同C在一个惯性参照系里不能用力学实验判断该参照系是否做匀速直线运动D在一个惯性参照系里可以用力学实验判断该参照系是否做匀速直线运动答案AC解析由伽利略相对性原理可知A、C正确4如图1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1A0.4cB0.5cC0.9cDc答案D能力题5在高速运动的火车上，设车对地面的速度为v，车上的人以速度u沿着火车前进的方向相对火车运动，那么他相对地面的速度u与uv的关系是()Auuv Buuv D以上均不正确答案B解析由相对论速度变换公式可知B正确6判断下面说法中正确的是()A在以c沿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c沿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c沿竖直方向升空的火箭上沿水平方向发出的光，对地速度为cD在以c沿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答案CD解析根据狭义相对论的基本公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，对不同的惯性系是相同的，因此C、D正确，A、B错误7若一宇宙飞船对地以速度v运动，宇航员在飞船内沿同方向测得光速为c，问在地面上的观察者看来，光速应为vc吗？答案在地面上的观察者看来，光速是c，而不是vc.解析由相对论速度变换公式u，式中u、v分别为v和c，代入公式求得光对

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