最新人教版人教版高考高中物理选修34151《相对论的诞生《时间和空间的相对性》教案.docx

1、最新人教版人教版高考高中物理选修34151相对论的诞生时间和空间的相对性教案图示是目前世界上最为豪华的游轮之一。如果游轮在平静的海面上匀速前行,而你在游轮最底部的船舱内,看不到外面的大海和任何游轮之外的物体,你有什么方法能够得知轮船是在海面上匀速前进还是静止?是的,在轮船没有加速度时,由于我们没有参考系(在船舱底部),所以无法判断轮船到底是匀速前进还是静止,只有具有加速度时我们才能够判断。对于惯性参考系来讲,一切物理规律都是等价的,只是它们的初始状态不同,这就是相对论的开始。怎么样?相对论没有你想象的那么难吧!课时15.1相对论的诞生时间和空间的相对性1.了解经典相对性的原理。2.知道狭义相对

2、论的实验基础,知道狭义相对论关于时空相对性的主要结论。3.了解狭义相对论的两个基本假设。通过实例,了解时间和空间的相对性,体会相对论时空观与低速世界情景的差异。4.了解经典时空观与相对论时空观的主要区别,体会相对论时空观的建立对人类认识世界的影响。重点难点:狭义相对论的基本假设,长度与时间间隔的相对性。教学建议:通过本节的学习,了解面对迈克耳孙莫雷实验的结果,爱因斯坦通过否定以太的存在,同时否定了牛顿力学的绝对空间和绝对时间。了解狭义相对论的两个基本假设,同时以这两个原理为基础,通过对一些简单现象的分析和逻辑推理,得到“同时”的相对性与时间间隔的相对性。导入新课:1994年初,一架意大利客机在

3、非洲河岸上空飞行,突然,客机从地面控制室的雷达屏幕上消失了。正当机场工作人员焦急万分之际,客机又在原来的空域出现,雷达又追踪到了客机的信号,最后,这架客机安全降落在意大利内地机场。对此现象专家们认为,唯一的解释是在“失踪”的一刹那,时间“静止”不动了,或者说出现了时光倒流。同学们,时光真的会倒流吗?1.相对论的诞生(1)经典相对性的原理:力学规律在任何惯性系中都是相同的。(2)狭义相对论的两个基本假设 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。 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,光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。2.“同时”的相对性“同时”是指

4、两个事件发生的时刻是一样的。“同时”的相对性是说,在一个惯性系中同时发生的两个事件,在另一个惯性系中则可能不是同时发生的,即“同时”是相对的,也就是说,有人看到同时发生的事件,在其他观察者眼里可能不是同时发生的。3.长度的相对性经典物理学家认为,杆子的长度不会因为观察者是否与杆子有相对运动而不同,但是根据狭义相对论的两个基本假设可以推导出,物体的长度的确与观察者和物体间的相对运动情况有关,且与相对运动速度存在以下关系:l=l0,其中l为与杆相对运动的观察者观察到的长度,l0为与杆相对静止的观察者观察到的长度,v是物体相对于观察者运动的速度。4.时间间隔的相对性既然同时具有相对性,时间间隔也就具

5、有相对性,时间间隔相对性的公式为:t=,其中t为地面的观察者所观察到的时间,为与钟表相对静止的观察者所测得的时间。1.迈克耳孙莫雷实验说明什么问题?解答:光速不变。2.以太存在吗?解答:不存在。3.按照相对论观点,空间和时间与物质的运动状态有关吗?解答:有关。主题1:狭义相对论的两个基本假设情景: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是相同的。问题:说说你对这两个基本假设的认识,为什么这两个观点不叫定律而叫假设?解答:前一个假设是解决参考系的问题,爱因斯坦认为自然界不存在特殊的惯性参考系,

6、所以相对性原理的内容是在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的。第二个假设解决电磁学规律不能和经典的惯性参考系相兼容的问题,内容是真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的。 能够验证这两个观点的实验非常有限,只有从这两个假设出发,经过逻辑推理(包括数学推导)所得出的大量结论都与事实相符,才能证实它的正确性。知识链接:狭义相对论同样认为空间和时间并不是相互独立的,它们应该用一个统一的四维时空来描述,并不存在绝对的空间和时间。主题2:“同时”的相对性情景:一列火车以速度v相对地面运动,在火车上有一个光源。问题:如果地面上的人测得这个光源发出的闪光同时到达车的前壁和后壁,图示是地面上观察者得到

7、的结果;那么按照火车上人的测量,闪光是先到达前壁还是后壁?火车上的人怎样解释自己的测量结果? 解答:火车上的人测得光先到达前壁,由于地面上的人测得闪光同时到达前、后壁,而在光向前、后壁传播的过程中,火车要相对于地面向前传播一段距离,所以光源发光的位置一定距离前壁较近,各个方向上的光速又是一样的,从车上观察,闪光先到达前壁。知识链接:同时的相对性,不仅仅局限在看到哪个先发生,而在于事实是哪个先发生。1.(考查惯性系)下列参考系可以看作惯性系的是()。A.静止的参考系B.匀速运动的参考系C.匀加速运动的参考系D.牛顿运动定律成立的参考系【解析】根据伽利略相对性原理可知A、B、D对。【答案】ABD【

8、点评】惯性系就是相对地面静止或匀速运动的物体。2.(考查两个基本假设)关于狭义相对论的两个假设,下列说法正确的是()。A.在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的B.在不同的惯性参考系中,力学规律都一样,电磁规律不一样C.真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的D.真空中的光速在不同的惯性参考系中是有差别的【解析】狭义相对论的两个假设分别是狭义相对性原理和光速不变原理,选项A、C正确。【答案】AC【点评】要掌握狭义相对论的两个假设。3.(考查相对论和相对性)如图所示,甲乘坐宇宙飞船追赶乘坐另一宇宙飞船的乙,两宇宙飞船对地面的速度分别为0.7c、0.4c,某时刻甲为了联系乙向乙发出一个光信

9、号,则()。A.地面上的人认为光信号的速度为u+c B.乙认为光信号的速度为0.6cC.甲认为光信号的速度为cD.乙认为甲的速度为0.3c 【解析】由相对性原理可知D对;由光速不变原理可知C对。【答案】CD【点评】真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的。4.(考查长度的相对性)图示是一个边长为1 m的正方体木箱,现在让这个正方体木箱沿水平方向匀速向右运动,运动速度很大,为0.99c,那么这个木箱看上去应该是()。A.边长不相等的长方体B.边长都缩短的正方体 C.近似一块薄木板 D.以上说法都不对【解析】由于木箱运动得很快,速度已经接近光速,所以在沿着运动方向上的尺缩效应很明显,而其他两个方

10、向上没有尺缩效应,看上去应该是一块薄木板。【答案】C【点评】只有沿着运动的方向,物体才变短。 拓展一:光速不变原理 1.假设你是一个“光子”,你和你的同伴(当然也是一个“光子”)都从灯泡里“逃”出来,那么,在你看来,你的同伴的速度是多少?在你的同伴看来,你的速度又是多少?在站在灯泡外面的人看来,你们的速度是多少?(从相对论的角度论述)【分析】注意题目要求,是从相对论的角度论述,所以要紧紧抓住光速不变这一条件。【解析】根据光速不变的原理知,在所有的惯性系中,真空中的光速都是一个常数c。当你是一个“光子”时,你就是一个惯性系。你将会看到你的“光子”同伴以速度c远离你而去。依此类推,你的“光子”同伴

11、也是惯性系,在它看来,你将以速度c向前狂奔,把它抛在后面。对于灯泡外边的观测者,也是一个惯性系,他将看到你们两个并肩前进,速度都是c。【答案】ccc【点拨】在狭义相对论中,有两个基本假设,其中一个就是光速对任何惯性参考系而言都是相同的。拓展二:长度的相对性2.一根10 m长的梭镖以某一速度穿过一根10 m长的管子,它们的长度都是在静止状态下测量的。以下叙述中能最好地描述梭镖穿过管子的情况的是()。A.梭镖收缩变短,因此在某些位置上,管子能完全遮住它 B.管子收缩变短,因此在某些位置上,梭镖从管子的两端伸出来 C.两者都收缩,且收缩量相等,因此在某个位置,管子恰好遮住梭镖 D.所有这些都与观察者

12、的运动情况有关【分析】观察者看到相对自己运动的参考系中的物体变短。【解析】如果你是在相对于管子静止的参考系中观察运动着的梭镖,那么梭镖看起来就比管子短,因此在某些位置梭镖会完全处在管子内部。然而当你和梭镖一起运动时,你看到的管子就缩短了,所以在某些位置,你可以看到梭镖两端都伸出管子。假如你在梭镖和管子之间运动,运动的速度是在梭镖运动的方向上,而大小是其一半,那么梭镖和管子都相对于你运动,且速度的大小一样,你看到这两样东西都缩短了,且缩短的量相同。所以你看到的一切都是相对的。【答案】D【点拨】观察者所处的角度不同,相对运动的速度就不同,所以得出的结论也不尽相同。拓展三:时间间隔的相对性3.如图所

13、示,甲、乙、丙三个完全相同的时钟,甲放在地面上,乙、丙分别放在两架航天飞机上,航天飞机沿同一方向高速飞离地球;但是乙所在的飞机比丙所在的飞机飞得快。则乙所在飞机上的观察者认为 ()。A.走得最快的钟是甲B.走得最快的钟是乙 C.走得最快的钟是丙 D.走得最慢的钟是甲【分析】本题考查“运动的时钟变慢”这一规律。【解析】根据公式t=可知,相对于观察者的速度v越大,其上的时间进程越慢。【答案】BD【点拨】时间间隔的相对性指的是运动的钟变慢。在乙所在飞机上观察,甲钟的速度最大,丙钟速度较小,乙钟速度为零。一、物理百科迈克耳孙莫雷实验(1)实验装置(如图所示) (2)实验内容:转动干涉仪,在水平面内不同

14、方向进行光的干涉实验,干涉条纹并没有预期的移动。(3)实验原理如果两束光的光程一样,或者相差波长的整数倍,在观察屏上就是亮的;若两束光的光程差不是波长的整数倍,就会有不同的干涉结果。由于M1和M2不能绝对的垂直,所以在观察屏上可以看到明暗相间的条纹。如果射向M1和M2的光速不相同,就会造成干涉条纹的移动。我们知道地球的运动速度是很大的,当我们将射向M的光路逐渐移向地球的运动方向时,应当看到干涉条纹的移动,但实验结果却看不到任何干涉条纹的移动。因此,说明光在任何参考系中的速度是不变的,它的速度的合成不满足经典力学的法则,因此需要新的假设出现,为光速不变原理的提出提供有力的实验证据。二、备用试题1

15、.在一惯性系中观测,有两个事件同时不同地,则在其他惯性系中观察,结果是()。A.一定同时B.可能同时C.不可能同时,但可能同地D.不可能同时,也不可能同地【解析】两个相对静止的惯性系观测结果相同,其他则不同,故B正确。【答案】B2.惯性系S中有一边长为l的正方形,在相对S系沿x方向以接近光速匀速飞行的飞行器上测得该正方形的图象是图中的()。【解析】由l=可知沿速度方向即x方向的长度变短了,而垂直于速度方向,即y轴上的边长不变,故C对。【答案】C3.用相对论的观点判断,下列说法正确的是()。A.时间和空间都是绝对的,在任何参考系中一个事件发生的时间和一个物体的长度总不会改变B.在地面上的人看来,

16、以10 km/s的速度运动的飞船中的时钟会变慢,但是飞船中的宇航员却看到时钟是准确的C.在地面上的人看来,以10 km/s的速度运动的飞船在运动方向上会变窄,而飞船中的宇航员却感觉到地面上的人看起来比飞船中的人扁一些D.当物体运动的速度vc时,“时间膨胀”和“长度收缩”效果可忽略不计【解析】按照相对论的观点,时间和空间都是相对的,A错误;由t=可知,运动的时钟变慢了,但飞船中的钟相对观察者静止,时钟准确,B正确;由l=l0可知,地面上的人看飞船 ,和飞船上的人看地面上的人都会感觉对方沿运动方向长度减小,C正确;当vc时,“时间膨胀”和“长度收缩”效果可忽略不计,故D也正确。【答案】BCD甲4.

17、如图甲所示,在地面上M点固定一光源,在离光源等距的A、B两点上固定有两个光接收器,今使光源发出一闪光,问:(1)在地面参考系中观测,谁先接收到光信号?(2)在沿AB方向高速运动的火车参考系中观测,谁先接收到光信号?乙【解析】(1)因光源离A、B两点等距,光向A、B两点传播速度相等,则光到达A、B两点所需要的时间相等,即在地面参考系中观测,两接收器同时收到光信号。(2)对于火车参考系来说,光源和A、B两接收器都沿BA方向运动,当光源发出的光向A、B传播时,A和B都沿着BA方向运动了一段距离到达A和B,如图乙所示,所以光到达A的距离大于到达B的距离,即在火车参考系中观测,B比A先收到信号。【答案】(1)同时收到(2)B先接收到