高中物理 第十五章 相对论简介 1 相对论的诞生课堂探究学案 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．相对论的诞生课堂探究一、对惯性系和非惯性系的认识1．惯性系：牛顿运动定律能够成立的参考系称为惯性参考系。牛顿定律成立的这个参考系是惯性参考系，相对于这个参考系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性参考系。2．非惯性系：牛顿定律不能成立的参考系称为非惯性参考系。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，根据牛顿第二定律，房屋和树木应该受到不为零的合力作用，但事实上没有，也就是牛顿定律不成立，这里的加速车厢就是非惯性参考系。如何判断一个参考系是惯性参考系还是非惯性参考系？我们通常选大地是惯性参考系，相对于地面静止或做匀速运动的物体都是惯性参考系；相对于地面做变速运动的物体都是非惯性参考系。二、麦克斯韦电磁理论中的电磁波的光速是相对哪个参考系的呢自从麦克斯韦预言了光的电磁本质以及电磁波的速度以后，物理学家们就在思考，这个速度是相对哪一个参考系说的？如果存在一个特殊的参考系O，光对这个参考系的速度是c，另一个参考系O′以速度v沿光传播的方向相对参考系O运动，那么在O′中观测到的光速就应该是c－v，如果参考系O′逆着光的传播方向运动，在参考系O′中观测到的光速就应该是c＋v。由于一般物体的运动速度比光速小得多，c＋v和c－v与光速c的差别很小，在19世纪的技术条件下很难直接测量，于是物理学家们设计了许多巧妙的实验，力图测出不同参考系中光速的差别。最著名的一个实验是美籍物理学家迈克耳孙设计的。他把一束光分成互相垂直的两束，一束的传播方向和地球运动的方向一致，另一束和地球运动的方向垂直，然后使它们发生干涉，如果不同方向上的光速有微小的差别，当两束光互相置换时干涉条纹就会发生变化。由于地球在宇宙中运动的速度很大，希望它对光速能有较大的影响。但是，这个实验和其他实验表明，不论光源和观察者做怎样的相对运动，光速都是相同的。这些否定的结果使当时的物理学家感到震惊，因为它和传统的观念，例如速度合成的法则，是矛盾的。在这样的背景下爱因斯坦建立了狭义相对论的两个基本假设。类型一惯性参考系和非惯性参考系【例1】如图所示，在列车车厢里的光滑水平面上有一个质量为m=5kg的小球，正随车一起以20m/s的速度匀速前进，现给小球一个水平向前的F=5N的拉力作用，求经历10s时，车厢里的观察者和地面上的观察者看到的小球的速度分别是多少？解析：对车上的观察者：小球的初速度为0，加速度为a＝＝m/s2＝1m/s2经历10s的时间，速度为v＝at＝1×10m/s＝10m/s地面上的观察者：小球的初速度v0＝20m/s，加速度为1a＝＝m/s2＝1m/s2经历10s的时间，速度为v＝v0＋at＝(20＋10)m/s＝30m/s答案：10m/s30m/s题后反思：地面上的观察者看到的速度也可以用速度的合成求解：v＝v0＋v1＝30m/s。两个观察者的结果虽然不同，但都使用了牛顿定律，因此都是惯性参考系。观察的结果不同，是因为选择了不同的参考系。类型二光速不变原理【例2】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，而根据狭义相对论理论，光速是不变的，都应是c。答案：三种情况都是c题后反思：迈克耳孙—莫雷实验证明了光速在任何惯性参考系中的速度是不变的，对于高速物体，伽利略速度合成法则不再适用。2