1、目标导航,预习导引,目标导航,预习导引,一,二,一、狭义相对论的诞生与基本原理 1.狭义相对论的诞生 爱因斯坦在大学时就开始注意“以太”的争论及迈克尔逊和莫雷的实验,他深信麦克斯韦电磁理论和光速不变的事实。经过7年的研究,认识到不同速度的地方(即参考系)的时间是不一样的,时间会因相对速度而改变。 2.狭义相对论的两个基本假设,目标导航,预习导引,一,二,二、时间和空间的相对性 1.“同时”的相对性 (1)经典的时空观:在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件,在另一个惯性系中观察也是同时的。 (2)相对论的时空观:“同时”具有相对性,即在同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
2、系中观察不一定是同时的。,目标导航,预习导引,一,二,2.时间间隔的相对性 (1)经典的时空观:两个事件在不同的惯性参考系中观测,它们之间的时间间隔总是相同的。 (2)相对论的时空观:两个事件在不同的惯性参考系中观测,它们之间的时间间隔是不同的。 设t表示相对事件发生在静止的惯性系中观测的时间间隔,t表示相对事件发生在以v高速运动的参考系中观察同样两事件的时间间隔,则它们的关系是,目标导航,预习导引,一,二,3.空间距离的相对性 (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
3、度小。设相对于杆静止的观察者认为杆的长度为l,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l、l、v的关系是,一,二,知识精要,思考探究,典题例解,迁移应用,一、经典相对性原理与狭义相对论的两个基本假设 1.惯性系和非惯性系:牛顿运动定律能够成立的参考系为惯性系,相对于这个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系。牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系。 2.伽利略相对性原理:力学规律在任何惯性系中都是相同的。 3.相对性原理与电磁规律:根据麦克斯韦的电磁理论,真空中的光速在任何惯性系中都是一个常量,但是按照伽利略的相对性原理,在不同惯性系中的光速应是各不相同的。迈克耳
4、孙莫雷实验证明不论光源与观察者做怎样的相对运动,光速都是相同的。 4.爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设: (1)在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的; (2)真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的,与光源的运动和观察者的运动无关。,一,二,知识精要,思考探究,典题例解,迁移应用,对光速不变原理如何理解? 答案:我们经常讲速度是相对的,参考系选取不同,速度也不同,这是经典力学中速度的概念,但是1887年迈克耳孙莫雷实验中证明的结论是:不论取怎样的参考系,光速都是一样的。也就是说光速的大小与选取的参考系无关,光的速度是从麦克斯韦方程组中推导出来的,它没有任何前提条件,所以这个速度不是指
5、相对某个参考系的速度。,一,二,知识精要,思考探究,典题例解,迁移应用,【例1】 假如一列火车以0.75c(c为光速)的速度向站台驶来,从火车上向站台上的观测者发射一个光信号。在火车上测得光离开的速度是c,根据过去熟悉的速度合成法则,光到达站台上的观测者时,该观测者测得的光速是多少?根据狭义相对性原理,该观测者测得的光速又是多少?哪种测法得出的光速是正确的? 思路分析根据经典的速度合成法则,光相对于观测者的速度等于光相对火车的速度与火车相对观测者的速度的矢量和。 解析:根据过去熟悉的速度合成法则,光相对于观测者的速度为v=c+0.75c=1.75c;根据狭义相对性原理,光速与光源、观测者之间的
6、相对运动没有关系,故该观测者测得的光速仍为c。 答案:1.75c c 由狭义相对性原理得出的光速是正确的,一,二,知识精要,思考探究,典题例解,迁移应用,一,二,知识精要,思考探究,典题例解,迁移应用,光在真空中的传播速度为c与参考系的选取无关。一电梯以v=0.5c的速度向上运动,电梯轿厢的高为h,按照经典理论,地面上的人认为电梯底部的小灯泡发出的光到达顶部需要的时间是多少?电梯中的人认为小灯泡发出的光传到顶部需要的时间又是多少?,一,二,知识精要,思考探究,典题例解,迁移应用,二、时间和空间的相对性 1.分析时间间隔和长度变化时应注意的问题 (1)时间间隔、长度的变化,都是由于物质的相对运动
7、引起的一种观测效应,它与所选取的参考系有关,物质本身的结构并没有变化。 (2)两个事件的时间间隔和物体的长度,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。 2.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。,一,二,知识精要,思考探究,典题例解,迁移应用,1.怎样理解同时的相对性? 答案:同时是指两个事件发生的时刻是相同的,“相同”是观察者得出的结论,不同的观察者观察到的结果是不“相同”的。 2.怎样理解
8、时间间隔的相对性? 答案:运动的时钟变慢:时钟相对于观察者静止时,走得快;相对于观察者运动时,观察者会看到它变慢了,运动速度越快,效果越明显,即运动着的时钟变慢。,一,二,知识精要,思考探究,典题例解,迁移应用,3.怎样理解经典时空观与相对论时空观的区别? 答案:经典力学时空观:绝对的真实的数学时间,就其本质而言,是永远均匀地流逝,与任何外界因素无关;绝对空间就其本质而言是与任何外界事物无关的,它从不运动,并且永远不变。经典力学时空观的几个具体结论: (1)同时的绝对性:在一个参考系中的观察者在某一时刻观测到两个事件,对另一参考系中的观察者来说是同时发生的,即同时性与观察者做匀速直线运动的状态
9、无关。,一,二,知识精要,思考探究,典题例解,迁移应用,(2)时间间隔的绝对性:任何事件所经历的时间,在不同的参考系中测量都是相同的,而与参考系的运动无关。 (3)空间距离的绝对性:如果各个参考系中用来测量长度的标准相同,那么空间两点的距离也就有绝对不变的量值,而与参考系的选择无关。 相对论时空观:空间的大小、时间流逝的快慢都与物体运动的速度有关。,一,二,知识精要,思考探究,典题例解,迁移应用,【例2】 长度测量与被测物体相对于观察者的运动速度有关,物体在运动方向上的长度缩短了。一艘宇宙飞船的船身长度为L0=90 m,相对地面以u=0.8c的速度在一观测站的上空飞过。求: (1)在观测站中测
10、得飞船的船身通过观测站的时间间隔是多少? (2)飞船上的宇航员测得船身通过观测站的时间间隔是多少? 思路分析解答本题的关键是理解长度的相对性,即在不同的惯性系中的观察者对同一物体进行观测,结果并不相同。物体沿运动方向的长度会变短。,一,二,知识精要,思考探究,典题例解,迁移应用,答案:(1)2.2510-7 s (2)3.7510-7 s,一,二,知识精要,思考探究,典题例解,迁移应用,一,二,知识精要,思考探究,典题例解,迁移应用,惯性系S中有一边长为l的正方形,从相对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( )答案:C 解析:由相对论知识可知,沿运动方向,物体的长度将变短,而其他方向物体长度不会发生变化,因此,C项正确,A、B、D项错误。,
