高中物理 第5章 新時空觀的確立 5_1 電磁場理論引發(fā)的怪異問題 5_2 狹義相對論的基本原理教師用書 滬科版選修3-4

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5.1　電磁場理論引發(fā)的怪異問題 5.2　狹義相對論的基本原理 學(xué) 習(xí) 目 標(biāo) 知 識 脈 絡(luò) 1.知道經(jīng)典的相對性原理，知道狹義相對論的實驗基礎(chǔ)和它的兩個基本假設(shè).(重點) 2.知道狹義相對論的幾個主要結(jié)論.(重點) 3.了解經(jīng)典時空觀與相對論時空觀的主要區(qū)別，體會相對論的建立對人類認(rèn)識世界的影響. 4.狹義相對論兩個基本假設(shè)的理解與應(yīng)用.(難點) 電磁場理論引發(fā)的怪異問題 1.邁克耳孫—莫雷實驗 (1)經(jīng)典物理的速度合成公式V＝u＋v. (2)1886年邁克耳孫和莫雷利用可自由轉(zhuǎn)動的實驗臺等裝置，在水平面內(nèi)不同的方位觀察干涉條紋并沒有預(yù)期的移動.“以太漂移的零結(jié)果”表明：光在任何方向上傳播時相對地球的速度都是相同的.即光速是不變的. 2.伽利略相對性原理 (1)內(nèi)容：力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是等價的. (2)在一個慣性參考系內(nèi)進(jìn)行的任何力學(xué)實驗都不能判斷這個慣性參考系是否相對于另一個慣性系做勻速直線運動. 1.牛頓定律在慣性系中都成立.(√) 2.經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為，時間和空間是不能脫離物質(zhì)而存在的.() 3.邁克耳孫—莫雷實驗尋找“以太”取得了成功.() 牛頓定律在任何參考系中都成立嗎？ 【提示】　不一定.在慣性系中都成立，在非慣性系中牛頓運動定律不成立. 1.慣性系和非慣性系 牛頓運動定律能夠成立的參考系，相對于這個慣性系做勻速直線運動的另一個參考系也是慣性系. 牛頓運動定律不成立的參考系稱為非慣性系. 2.伽利略相對性原理 力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的，即任何慣性參考系都是平權(quán)的. 3.相對性原理與電磁規(guī)律 根據(jù)麥克斯韋的電磁理論，真空中的光速在任何慣性系中都是一個常量，但是按照伽利略的相對性原理，在不同慣性系中的光速應(yīng)是各不相同的.邁克耳孫—莫雷實驗證明：不論光源和觀察者做怎樣的相對運動，光速都是相同的. 1.下列說法正確的是(　　) A.物理基本規(guī)律在所有慣性系中都是等價的 B.在真空中，光的速度與光源的運動狀態(tài)無關(guān) C.在不同的慣性系中，在不同方向上光速大小不同 D.在所有慣性系中，光在真空中沿任何方向傳播的速度都相同 E.經(jīng)典力學(xué)規(guī)律適用于高速運動的物體 【解析】　根據(jù)相對性原理知，物理規(guī)律在所有慣性系中都是等價的，A正確；根據(jù)光速不變原理知，B、D正確；根據(jù)邁克耳孫—莫雷實驗結(jié)果，C錯誤；經(jīng)典力學(xué)只適用于低速和宏觀物體，E錯誤. 【答案】　ABD 2.如圖511所示，在列車車廂的光滑水平面上有一個質(zhì)量為m＝5 kg的小球，正隨車廂一起以20 m/s的速度勻速前進(jìn)，現(xiàn)在給小球一個水平向前的F＝5 N的拉力作用，求經(jīng)10 s時，車廂里的觀察者和地面的觀察者看到小球的速度分別是多少？ 圖511 【解析】　對于車上的觀察者： 小球的初速度v0＝0，加速度a＝＝1 m/s2 10 s時速度v1＝at＝10 m/s. 對于地上的觀察者： 方法一：小球初速度v0＝20 m/s 加速度a＝＝1 m/s2 10 s末速度v2＝v0＋at＝30 m/s. 方法二：根據(jù)速度合成法則 v2＝v1＋v0＝(10＋20) m/s＝30 m/s. 【答案】　10 m/s　30 m/s 慣性系與非慣性系的區(qū)分 1.牛頓運動定律能夠成立的參考系叫慣性系.以勻速直線運動的汽車、輪船等作為參考系就是慣性系. 2.牛頓運動定律不能成立的參考系稱為非慣性系.例如，我們坐在加速的車廂里時，以車廂為參考系觀察路邊的樹木、房屋，它們向后方加速運動，根據(jù)牛頓運動定律，房屋樹木應(yīng)該受到不為零的合外力作用，但事實上卻沒有，也就是說牛頓運動定律不成立.這里加速的車廂就是非慣性系. 狹義相對論基本原理 1.狹義相對論的兩個基本假設(shè) (1)狹義相對性原理：在所有相互做勻速直線運動的慣性參考系中，物理規(guī)律都是相同的. (2)光速不變原理：在所有相互做勻速直線運動的慣性參考系中，光在真空中的速度都是相等的. 2.“同時”的相對性 (1)絕對時空觀：在同一個慣性系中不同地點同時發(fā)生的兩個事件，在另一個慣性系中觀察也是同時的，即時間是絕對的. (2)相對論的時空觀：“同時”具有相對性，即在同一個慣性系中不同地點同時發(fā)生的兩個事件，在另一個慣性系中觀察可能是不同時的. 1.靜止或勻速直線運動的參考系是慣性系.(√ ) 2.由于在任何慣性系中力學(xué)規(guī)律都是相同的，因此，研究力學(xué)問題時可以選擇任何慣性系.(√ ) 3.在不同的慣性系中，光速是不相同的.() 飛船在高空以0.1c的速度向目標(biāo)飛行，在飛船上向目標(biāo)方向發(fā)射一個光信號，則在地面的觀察者看來光信號的速度是1.1c嗎？ 【提示】　由經(jīng)典力學(xué)的相對性原理可知，光信號相對地面的速度v＝c＋0.1c＝1.1c，但這一結(jié)論是錯誤的. 根據(jù)狹義相對論的假設(shè)，真空中的光速相對于飛船為c，相對于地面也為c，對不同慣性參考系是相同的. 1.狹義相對論的兩個基本假設(shè) (1)第一個假設(shè)：在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的，即自然界不存在特殊的慣性參考系，對于一切物理現(xiàn)象的描述來說，所有慣性系都是等效的. (2)第二個假設(shè)：真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的，與光源的運動和觀察者的運動無關(guān). 2.對狹義相對論兩個假設(shè)的理解 (1)愛因斯坦提出了兩條基本假設(shè)是相對論的基礎(chǔ)，對同時的相對性等經(jīng)典力學(xué)所無法解決的問題，應(yīng)緊緊地抓住兩條基本假設(shè)這一關(guān)鍵點. (2)真空中對不同的慣性參考系來說，光速都是相同的. (3)經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論是有一定局限性的，一般只適用于宏觀物體的低速運動. 3.經(jīng)典理論與相對論的比較 力學(xué)的相對性原理指的是力學(xué)現(xiàn)象對一切慣性系來說，都遵從同樣的規(guī)律；或者說，在研究力學(xué)規(guī)律時，一切慣性系都是等價的、平權(quán)的.因此，無法借助力學(xué)實驗的手段確定慣性系自身的運動狀態(tài). 而狹義相對論指的是物理定律在所有慣性系中都是相同的，因此，各個慣性系都是等價的，不存在特殊的絕對的慣性系.因此，狹義相對論原理所指范圍更大，內(nèi)容更豐富. 3.關(guān)于狹義相對論的兩個假設(shè)，下列說法正確的是(　　) A.在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的 B.在不同的慣性參考系中，力學(xué)規(guī)律都一樣，電磁規(guī)律不一樣 C.真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的 D.真空中的光速在不同的慣性參考系中是有差別的 E.光速的大小與光源的運動和觀察者的運動無關(guān) 【解析】　狹義相對論的基本假設(shè)有兩個，分別是愛因斯坦相對性原理和光速不變原理.選項A、C正確.根據(jù)光速不變原理，E正確. 【答案】　ACE 4.火箭以0.75c的速度離開地球，從火箭上向地球發(fā)射一個光信號.火箭上測得光離開的速度是c，根據(jù)過去熟悉的速度合成法則，光到達(dá)地球時地球上測得的光速是多少？根據(jù)狹義相對性原理呢？ 【解析】　根據(jù)過去熟悉的速度合成法則，光相對于地球的速度是：v＝c－0.75c＝0.25c.而根據(jù)狹義相對性原理，光速與光源、觀察者之間的相對運動沒有關(guān)系，光速仍為c. 【答案】　0.25c　c 求解狹義相對論有關(guān)問題的技巧 1.愛因斯坦相對性原理：對不同的慣性系，物理規(guī)律(包括力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)等)都是一樣的. 2.光速不變原理：在任何慣性系中，光在真空中的速度恒為c，與光源的運動和觀測者的運動無關(guān). 在此基礎(chǔ)上相關(guān)問題就會迎刃而解了.