高中物理 第十五章 相对论简介 1 相对论的诞生学案1 新人教版选修3-4-新人教版高二选修3-4物理学案VIP免费

1相对论的诞生1．经典的相对性原理(1)惯性系和非惯性系牛顿运动定律能够成立的参考系叫惯性系，匀速运动的汽车、轮船等作为参考系就是惯性系。牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系，例如我们坐在加速的车厢里，以车厢为参考系观察路边的树木、房屋向后方加速运动，根据牛顿运动定律，房屋、树木应该受到不为零的合外力作用，但事实上没有，也就是牛顿运动定律不成立，这里加速的车厢就是非惯性系。相对于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)伽利略相对性原理力学规律在任何惯性系中都是相同的，即任何惯性参考系都是平权的。【例1】如图所示，在列车车厢的光滑水平面上有一个质量为m＝5kg的小球，正随车厢一起以20m/s的速度匀速前进。现在给小球一个水平向前的F＝5N的拉力作用，求经10s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？解析：对车上的观察者：物体的初速v0＝0，加速度a＝＝1m/s210s时速度v1＝at＝10m/s对地上的观察者：物体初速度v0＝20m/s加速度相同a＝＝1m/s210s末速度v0＝v0＋at＝30m/s。答案：10m/s30m/s2．迈克耳孙—莫雷实验(1)实验装置：(2)实验内容：转动干涉仪，在水平面内不同方向进行光的干涉实验，干涉条纹并没有预期移动。(3)实验结论：光沿任何方向传播时，相对于地球的速度是相同的，光速的不变性证明了当时很多人认为的以太参考系是不存在的。【例2】迈克耳孙—莫雷实验说明了以下哪些结论()A．以太不存在B．光速的合成满足经典力学法则C．光速不变D．光速是相对的，与参考系的选取有关解析：迈克耳孙—莫雷实验证明了光速不变的原理，同时也说明以太作为光速的参考系是不存在的。答案：AC3．狭义相对论的两个基本假设第一个假设：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的，即自然界不存在特殊的惯性参考系，对于一切物理现象的描述来说，所有惯性系都是等效的。第二个假设：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。释疑点：光速不变原理光速不变原理与迈克耳孙—莫雷实验的结论相同，但迈克耳孙—莫雷实验结论是在有限的几次实验中得到的，不能称其为理论，只能通过假设然后再应用到实践中进行检验。【例3】(江苏高考)如图所示，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________。(填写选项前的字母)1A．0.4cB．0.5cC．0.9cD．1.0c解析：由光速不变原理知光速与参考系的选取无关，D项正确。答案：D4．狭义相对论的理解(1)实验基础不论光源与观测者做怎样的相对运动，光速都是一样的。(2)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【例4】考虑几个问题：(1)如图所示，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，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，人看到的光速又是多少？解析：根据速度合成法则，第一种情况人看到的光速应是c，第二种情况应是c＋v，第三种情况应是c－v，此种解法是不对的，而根据狭义相对论理论知，光速是不变的，都应是c。答案：三种情况都是c。5．经典理论与相对论的比较力学的相对性原理指的是力学现象对一切惯性系来说，都遵从同样的规律；或者说，在研究力学规律时，一切惯性系都是等价的、平权的。因此无法借助力学实验的手段确定惯性系自身的运动状态。狭义相对论指的是物理定律在所有惯性系中都是相同的，因此各个惯性系都是等价的，不存在特殊的绝对的惯性系。因此狭义相对论原理所指的范围更大，内容更丰富。【例5】飞船在高空以c的速度向目标飞行，从飞船上向目标方向发射一个光信号，则在地面的观察者看来光信号的速度是1.1c吗？解析：由经典力学的相对性原理可知，光信号相对地面的速度v＝c＋＝1.1c，但这一结论是错误的。根据狭义相对论的假设，真空中的光速相对于飞船为c，相对于地面也为c，对不同惯性参考系是相同的，这一判断已被迈克耳孙—莫雷实验所证实。答案：在地面的观察者看来光信号的速度为c，不是1.1c。2