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(shuō)明同時(shí)的相對(duì)性。 解析：假設(shè)一列很長(zhǎng)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(lái)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(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)度”的相對(duì)性 (1)經(jīng)典的時(shí)空觀 一條桿的長(zhǎng)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(zhǎng)度”也具有相對(duì)性，一條沿自身長(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng)的桿，其長(zhǎng)度總比靜止時(shí)的長(zhǎng)度小。設(shè)相對(duì)于桿靜止的觀察者認(rèn)為桿的長(zhǎng)度為l0，與桿有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的人認(rèn)為桿的長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度為l，靜止的太空船長(zhǎng)度為l0， 依據(jù)狹義相對(duì)論的長(zhǎng)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(wèn)甲回來(lái)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(guò)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(shuō)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(shuō)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(zhǎng)度總不會(huì)改變 B．在地面上看來(lái)，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(lái)，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(lái)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(zhǎng)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(zhǎng)度的相對(duì)性 桿的長(zhǎng)度為l0 若參考系沿桿的方向運(yùn)動(dòng)，觀察到的桿的長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度方向在其上空高速飛過(guò)，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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度沿飛行方向長(zhǎng)度減小，而且速度越大，長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)變短，垂直運(yùn)動(dòng)方向的邊的邊長(zhǎng)不變，C圖象正確。 答案：C