2019-2020年高中物理 第十五章 相對(duì)論簡(jiǎn)介 2 時(shí)間和空間的相對(duì)性學(xué)案1(新人教版)選修3-4.doc

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2019-2020年高中物理 第十五章 相對(duì)論簡(jiǎn)介 2 時(shí)間和空間的相對(duì)性學(xué)案1(新人教版)選修3-4 1．“同時(shí)”的相對(duì)性 (1)經(jīng)典的時(shí)空觀 在同一個(gè)慣性系中不同地點(diǎn)同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，在另一個(gè)慣性系中觀察也是同時(shí)的。 (2)相對(duì)論的時(shí)空觀 “同時(shí)”具有相對(duì)性，即在同一個(gè)慣性系中不同地點(diǎn)同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，在另一個(gè)慣性系中觀察不一定是同時(shí)的。 【例1】利用愛因斯坦理想實(shí)驗(yàn)說明同時(shí)的相對(duì)性。 解析：假設(shè)一列很長的火車在沿平直軌道飛快地勻速行駛，車廂中央有一個(gè)光源發(fā)出一個(gè)閃光，閃光照到了車廂的前壁和后壁，這是兩個(gè)事件。車上的觀察者認(rèn)為兩個(gè)事件是同時(shí)的，在他看來這很好接受，因?yàn)檐噹莻€(gè)慣性系，光向前、向后傳播的速度相同，光源又在車廂的中央，閃光當(dāng)然會(huì)同時(shí)到達(dá)前后兩壁。 車下的觀察者則不以為然，他觀測(cè)到，閃光先到達(dá)后壁，后到達(dá)前壁。他的解釋是：地面也是一個(gè)慣性系，閃光向前、向后傳播的速度對(duì)地面也是相同的，但是在閃光飛向兩壁的過程中，車廂向前行進(jìn)了一段距離，所以向前的光傳播的路程長些，到達(dá)前壁的時(shí)刻也就晚些，這兩個(gè)事件不同時(shí)。 答案：見解析 2．“長度”的相對(duì)性 (1)經(jīng)典的時(shí)空觀 一條桿的長度不會(huì)因?yàn)橛^察者是否與桿做相對(duì)運(yùn)動(dòng)而不同。 (2)相對(duì)論的時(shí)空觀 “長度”也具有相對(duì)性，一條沿自身長度方向運(yùn)動(dòng)的桿，其長度總比靜止時(shí)的長度小。設(shè)相對(duì)于桿靜止的觀察者認(rèn)為桿的長度為l0，與桿有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的人認(rèn)為桿的長度為l，桿相對(duì)于觀察者的速度為v，則l、l0、v的關(guān)系是：l＝l0。 【例2】假想在xx年，有一太空船以0.8c的速度飛向“月球太空站”。一科學(xué)家在月球上測(cè)量運(yùn)動(dòng)中的太空船長度為200 m，此太空船最后在月球上登陸，此科學(xué)家再度測(cè)量靜止的太空船的長度，測(cè)量的結(jié)果如何？ 解析：設(shè)在月球上測(cè)得運(yùn)動(dòng)的太空船的長度為l，靜止的太空船長度為l0， 依據(jù)狹義相對(duì)論的長度收縮效應(yīng)有 l＝l0， 所以l0＝＝ ≈333 m 答案：333 m 3．時(shí)間間隔的相對(duì)性 (1)經(jīng)典的時(shí)空觀 某兩個(gè)事件，在不同的慣性系中觀察，它們的時(shí)間間隔總是相同的。 (2)相對(duì)論的時(shí)空觀 某兩個(gè)事件，在不同的慣性參考系中觀察，它們的時(shí)間間隔是不同的。 設(shè)Δτ表示相對(duì)事件發(fā)生地靜止的慣性系中觀測(cè)的時(shí)間間隔，Δt表示相對(duì)事件發(fā)生地以v調(diào)整運(yùn)動(dòng)的參考系中觀察同樣兩事件的時(shí)間間隔，則它們的關(guān)系是Δt＝。 【例3】一對(duì)孿生兄弟，出生后甲乘高速飛船去旅行，測(cè)量出自己飛行30年回到地面上，乙在地面上生活，問甲回來時(shí)30歲，乙這時(shí)是多少歲？(已知飛船速度v＝c) 解析：已知飛船觀察者甲經(jīng)時(shí)間Δτ＝30年，地面上的觀察者乙經(jīng)過時(shí)間為Δt＝＝年＝60年 可見甲的孿生兄弟已經(jīng)60歲了。 答案：60歲 4．相對(duì)論時(shí)空觀 (1)經(jīng)典時(shí)空觀 空間和時(shí)間是脫離物質(zhì)存在的，是絕對(duì)的，空間和時(shí)間之間也是沒有聯(lián)系的。 (2)相對(duì)論時(shí)空觀 空間和時(shí)間與物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。 兩者都不能說是錯(cuò)誤的，只是相對(duì)論時(shí)空觀更具普遍性，經(jīng)典時(shí)空觀雖有局限性但作為相對(duì)論時(shí)空觀在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)的特例，在自己的適用范圍內(nèi)還將繼續(xù)發(fā)揮作用。 經(jīng)典時(shí)空觀和相對(duì)論時(shí)空觀哪,一個(gè)是正確的？哪一個(gè)是錯(cuò)誤的？ 【例4】用相對(duì)論的觀點(diǎn)判斷下列說法中正確的是(　　) A．時(shí)間和空間都是絕對(duì)的，在任何參考系中一個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間和一個(gè)物體的長度總不會(huì)改變 B．在地面上看來，以10 km/s的速度運(yùn)動(dòng)的飛船中的時(shí)鐘會(huì)變快，但是飛船中的宇航員卻看到時(shí)鐘可能是準(zhǔn)確的 C．在地面上的人看來，以10 km/s的速度運(yùn)動(dòng)的飛船在運(yùn)動(dòng)方向上會(huì)變窄，而飛船中的宇航員卻感覺不到地面上的人看起來比飛船中的人扁一些 D．當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)的速度v遠(yuǎn)小于c時(shí)，“長度收縮”和“時(shí)間膨脹”效果可忽略不計(jì) 解析：時(shí)間和空間都是相對(duì)的，沒有絕對(duì)準(zhǔn)確的時(shí)間和空間，所以選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤；由l＝l0可知兩處的人都感覺l＜l0，所以選項(xiàng)C錯(cuò)誤；由尺縮效應(yīng)和鐘慢效應(yīng)公式可知當(dāng)v遠(yuǎn)小于c時(shí)，尺縮效應(yīng)和鐘慢效應(yīng)都可以忽略不計(jì)，所以選項(xiàng)D正確。 答案：D 5．對(duì)狹義相對(duì)論幾個(gè)主要結(jié)論的理解 (1)幾個(gè)主要結(jié)論 相對(duì)事件發(fā)生地或物體靜止的參考系中觀察 相對(duì)事件發(fā)生地或物體運(yùn)動(dòng)的參考系中觀察 同時(shí)的相對(duì)性 事件同時(shí)但不同地點(diǎn)發(fā)生 事件不同時(shí)發(fā)生 時(shí)間間隔的相對(duì)性 兩個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間間隔為Δτ 兩事件發(fā)生的時(shí)間間隔變大。Δt＝ 長度的相對(duì)性 桿的長度為l0 若參考系沿桿的方向運(yùn)動(dòng)，觀察到的桿的長度減小l＝l0 (2)幾個(gè)結(jié)論的理解要點(diǎn) ①時(shí)間間隔、長度的變化，都是由于物質(zhì)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的一種觀測(cè)效應(yīng)，它與所選取的參考系有關(guān)，物質(zhì)本身的結(jié)構(gòu)并沒有變化。 ②兩個(gè)事件的時(shí)間間隔和物體的長度，必須與所選取的參考系相聯(lián)系，如果在沒有選取參考系的情況下討論時(shí)間的長短及空間的尺寸，是沒有任何意義的。 析規(guī)律：對(duì)狹義相對(duì)論的認(rèn)識(shí) 以上結(jié)論是狹義相對(duì)論的必然結(jié)論，而狹義相對(duì)論的正確性已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，所以以上結(jié)論是高速世界中必然發(fā)生的現(xiàn)象，是客觀存在的事實(shí)，絕不是人們的主觀臆造，之所以人們平常觀察不到這些現(xiàn)象，是因?yàn)槲覀兩钤诘退龠\(yùn)動(dòng)的世界里。 【例5－1】一個(gè)鐘在靜止參考系中的擺動(dòng)周期是3.0 s，當(dāng)一個(gè)觀測(cè)者相對(duì)擺鐘以0.99c的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測(cè)者測(cè)得的周期是多少？擺鐘是變快了還是變慢了？ 解析：設(shè)在靜止參考系中測(cè)得的擺鐘周期為Δτ，運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)者測(cè)得的周期為Δt，則根據(jù)時(shí)間延緩效應(yīng)有 Δt＝＝ s≈21.3 s， 即運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)者觀測(cè)到的擺鐘變慢了。 答案：21.3 s　變慢 【例5－2】A、B兩架飛機(jī)沿地面上一足球場(chǎng)的長度方向在其上空高速飛過，且vA＞vB，在飛機(jī)上的人觀察結(jié)果正確的是(　　) A．A飛機(jī)上的人觀察到足球場(chǎng)的長度比B飛機(jī)上的人觀察到的大 B．A飛機(jī)上的人觀察到足球場(chǎng)的寬度比B飛機(jī)上的人觀察到的大 C．兩飛機(jī)上的人觀察到足球場(chǎng)的長度相同 D．兩飛機(jī)上的人觀察到足球場(chǎng)的寬度相同 解析：因?yàn)楫?dāng)一個(gè)慣性系的速度比較大時(shí)，根據(jù)l＝l0知，足球場(chǎng)的長度沿飛行方向長度減小，而且速度越大，長度越小，故A、C均錯(cuò)誤；而垂直于運(yùn)動(dòng)方向上，寬度是不隨速度而變化的，因此B錯(cuò)誤、D正確。 答案：D 【例5－3】慣性系S中有一邊長為l的正方形(如圖A所示)，從相對(duì)S系沿x方向以接近光速飛行的飛行器上測(cè)得該正方形的圖象是(　　) 解析：由相對(duì)論知識(shí)l＝l0得運(yùn)動(dòng)方向上的邊的邊長變短，垂直運(yùn)動(dòng)方向的邊的邊長不變，C圖象正確。 答案：C