2018-2019學(xué)年高中物理 第6章 相對論與天體物理 第1講 牛頓眼中的世界 愛因斯坦眼中的世界學(xué)案 魯科版選修3-4.docx
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第1講牛頓眼中的世界愛因斯坦眼中的世界目標定位1.知道經(jīng)典力學(xué)的相對性原理,知道狹義相對論的實驗基礎(chǔ)和它的兩個基本假設(shè).2.知道狹義相對論的幾個主要結(jié)論.3.了解絕對時空觀與相對論時空觀的主要區(qū)別,體會相對論的建立對人類認識世界的影響.4.知道相對論速度變換公式一、牛頓眼中的世界1經(jīng)典力學(xué)的相對性原理(1)經(jīng)典力學(xué)的相對性原理:力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的(2)慣性系:處于靜止或勻速直線運動狀態(tài)的物體2絕對時空觀(1)絕對時空觀:時間和空間是絕對的(2)絕對時間:“同時”是絕對的,時間也是絕對的,時間永遠均勻地流逝著,與物質(zhì)無關(guān),與運動無關(guān)(3)絕對空間:宇宙中存在一個絕對靜止的慣性參考系,力學(xué)規(guī)律首先應(yīng)當(dāng)能在這個參考系中準確地陳述,這個絕對靜止的慣性系與時間無關(guān),永恒不變,它可以脫離物質(zhì)獨立存在二、愛因斯坦眼中的世界1狹義相對論的兩條基本原理(1)狹義相對性原理:物理規(guī)律(力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)等)對于所有慣性系都具有相同的形式(2)光速不變原理:在任何慣性系中,光在真空中的速度恒為c,與光源的運動和觀測者的運動無關(guān)2狹義相對論中的時間與空間(1)同時是相對的狹義相對論中的“同時”不再具有絕對的意義,不同慣性參考系的觀察者對兩個事件是否“同時”發(fā)生的回答可能是不同的,這與觀察者所在參考系的運動有關(guān),即“同時”是相對的時間延緩效應(yīng)同一個物理過程,乘客測得時間為t,站臺上的觀察者測得的時間為t,則t與t的關(guān)系為:t(2)長度是相對的在狹義相對論時空觀中,長度也與觀察者的運動狀態(tài)有關(guān)長度縮短效應(yīng)地面觀察者測得的長度為l,相對觀察者靜止時測得的長度為l0,則ll03相對論的速度疊加狹義相對論的速度疊加公式為uu是物體相對靜止參考系的速度,v是運動參考系相對靜止參考系的速度,u是物體相對運動參考系的速度一、對狹義相對論的理解1各物理量有可能因為所選擇參考系的不同而不同,但是它們遵從的物理規(guī)律是相同的2光速不變原理強調(diào)真空中的光速不變,與光源、觀察者間的相對運動沒有關(guān)系3狹義相對論中的“同時”相對性、運動的時鐘變慢、長度的收縮等效應(yīng)只有在高速運動的情況下才會有明顯的觀測結(jié)果,在低速世界(vc)中這些效應(yīng)可以忽略例1如圖1所示,考慮幾個問題:圖1(1)如圖所示,參考系O相對于參考系O靜止時,人看到的光速應(yīng)是多少?(2)參考系O相對于參考系O以速度v向右運動,人看到的光速應(yīng)是多少?(3)參考系O相對于參考系O以速度v向左運動,人看到的光速又是多少?解析根據(jù)狹義相對論理論,光速是不變的,都應(yīng)是c.答案(1)c(2)c(3)c二、時間和空間的相對性相對事件發(fā)生地或物體靜止的參考系中觀察相對事件發(fā)生地或物體運動的參考系中觀察同時的相對性事件同時但不同地點發(fā)生事件不同時發(fā)生時間間隔的相對性兩個事件發(fā)生的時間間隔為t兩事件發(fā)生的時間間隔變長t長度的相對性桿的長度為l0若參考系沿桿的方向運動,觀察到的桿的長度減小為ll0例2如圖2所示,沿平直鐵路線有間距相等的三座鐵塔A、B和C.假想有一列車沿AC方向以接近光速行駛,當(dāng)鐵塔B發(fā)出一個閃光,列車上的觀測者測得A、C兩鐵塔被照亮的順序是()圖2A同時被照亮BA先被照亮CC先被照亮D無法判斷解析因列車沿AC方向接近光速行駛,根據(jù)“同時”的相對性,即前邊的事件先發(fā)生,后邊的事件后發(fā)生可知C先被照亮答案C例3在一飛船上測得飛船的長度為100m,高度為10m當(dāng)飛船以0.6c的速度從你身邊經(jīng)過時,按你的測量,飛船有多高、多長?解析因為長度收縮只發(fā)生在運動的方向上,與運動垂直的方向上沒有這種效應(yīng),故測得的飛船的高度仍為原高度10m設(shè)飛船原長為l0,觀測到飛船的長度為l,則根據(jù)尺縮效應(yīng)有l(wèi)l0100m80m.所以測量的飛船的高度和長度分別為10m、80m.答案測量的飛船的高度和長度分別為10m、80m.三、對相對論速度變換公式的理解設(shè)參考系相對地面的運動速度為v,參考系中的物體以速度u沿參考系運動的方向相對參考系運動,那么物體相對地面的速度u.1當(dāng)物體運動方向與參考系相對地面的運動方向相反時,公式中的u取負值2若物體運動方向與參考系運動方向不共線,此式不可用3由公式可知:u一定比uv小,但當(dāng)u和v都比c小得多時,可認為uuv,這就是低速下的近似,即經(jīng)典力學(xué)中的速度疊加4當(dāng)uvc時,uc,證明了光速是速度的極限,也反證了光速不變原理例4一粒子以0.05c的速率相對實驗室參考系運動此粒子衰變時發(fā)射一個電子,電子相對于粒子的速度為0.8c,電子的衰變方向與粒子運動方向相同求電子相對于實驗室參考系的速度解析已知v0.05c,u0.8c.由相對論速度疊加公式得u,u0.817c.答案0.817c對狹義相對論的理解1關(guān)于狹義相對論,下列說法不正確的是()A狹義相對論認為在不同的慣性參考系中,一切物理規(guī)律都是相同的B狹義相對論認為在一切慣性系中,光在真空中的速度都等于c,與光源的運動無關(guān)C狹義相對論只涉及無加速度運動的慣性系D狹義相對論任何情況下都適用解析根據(jù)狹義相對論的基本假設(shè)可知,選項A、B正確;狹義相對論只涉及慣性參考系,不涉及非慣性參考系,選項D錯誤,選項C正確答案D時間和空間的相對性2如圖3所示,A、B、C是三個完全相同的時鐘,A放在地面上,B、C分別放在以速度vB和vC朝同一方向飛行的兩枚火箭上,且vBvC.地面上的觀察者認為哪個時鐘走得最慢?哪個時鐘走得最快?圖3解析地面上的觀察者認為C鐘走得最慢,因為它相對于觀察者的速度最大根據(jù)公式t可知,相對于觀察者的速度v越大,其上的時間進程越慢;由t知tt,故地面上的鐘走得最快答案火箭C上的時鐘走得最慢,地面上的鐘走得最快3長度測量與被測物體相對于觀察者的運動有關(guān),物體在運動方向長度縮短了一艘宇宙飛船的船身長度為L090m,相對地面以u0.8c的速度在一觀測站的上空飛過(1)觀測站測得飛船的船身通過觀測站的時間間隔是多少?(2)宇航員測得船身通過觀測站的時間間隔是多少?解析(1)觀測站測得船身的長度為LL090m54m,通過觀測站的時間間隔為t2.25107s.(2)宇航員測得飛船船身通過觀測站的時間間隔為t3.75107s.答案(1)2.25107s(2)3.75107s4一高能加速器沿相反方向射出兩個質(zhì)點,速度均為0.6c,則它們的相對速度是多少?解析以其中任意一個質(zhì)點為運動參考系,要求的就是另一個質(zhì)點在該運動參考系下的運動速度u.由題意知,運動參考系相對靜止參考系的速度v0.6c,質(zhì)點相對于靜止參考系的速度u0.6c.根據(jù)相對論的速度疊加公式u,可知0.6c.可解得u0.88c,即該質(zhì)點相對于運動參考系(另一質(zhì)點)的速度大小為0.88c.答案0.88c(時間:60分鐘)題組一經(jīng)典的相對性原理1通常我們把地球和相對地面靜止或勻速運動的參考系看成慣性系,若以下列系統(tǒng)為參考系,則其中屬于非慣性系的有()A停在地面上的汽車B繞地球做勻速圓周運動的飛船C在大海上勻速直線航行的輪船D以較大速度勻速運動的磁懸浮列車答案B2根據(jù)伽利略相對性原理,可以得到下列結(jié)論()A力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的B同一力學(xué)規(guī)律在不同的慣性系中可能不同C在一個慣性參照系里不能用力學(xué)實驗判斷該參照系是否在勻速運動D在一個慣性參照系里可以用力學(xué)實驗判斷該參照系是否在勻速運動答案AC題組二狹義相對論3關(guān)于狹義相對論的兩個假設(shè),正確的是()A在不同的慣性參考系中,一切物理規(guī)律都是相同的B在不同的慣性參考系中,力學(xué)規(guī)律都一樣,電磁規(guī)律不一樣C真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的D真空中的光速在不同的慣性參考系中是有差別的解析根據(jù)狹義相對論的兩個基本假設(shè),A、C正確答案AC4設(shè)某人在速度為0.5c飛行的飛船上,打開一個光源,則下列說法正確的是()A飛船正前方地面上的觀察者看到這一光速為1.5cB飛船正后方地面上的觀察者看到這一光速為0.5cC在垂直飛船前進方向地面上的觀察者看到這一光速是cD在地面上任何地方的觀察者看到的光速都是c解析由愛因斯坦的狹義相對論可得,真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的答案CD5下列幾種說法:(1)所有慣性系統(tǒng)對物理基本規(guī)律都是等價的(2)在真空中,光的速度與光的頻率、光源的運動狀態(tài)無關(guān)(3)在任何慣性系中,光在真空中沿任何方向的傳播速度都相同關(guān)于上述說法()A只有(1)(2)是正確的B只有(1)(3)是正確的C只有(2)(3)是正確的D三種說法都是正確的解析狹義相對論認為:物體所具有的一些物理量可以因所選參考系的不同而不同,但它們在不同的參考系中所遵從的物理規(guī)律卻是相同的,即(1)(2)都是正確的光速不變原理認為:光在真空中沿任何方向的傳播速度都是相同的,(3)正確,故選D.答案D題組三時間和空間的相對性6有兩輛較長的火車A和B,火車A靜止不動,中央有一個光源,在某時刻發(fā)出一個閃光火車B以一較大的速度在平行于火車A的軌道上勻速運動,如圖1所示關(guān)于火車A和火車B上的觀察者觀察到的現(xiàn)象,下列說法正確的是()圖1A火車A上的觀察者看到閃光先到達火車A的前壁B火車A上的觀察者看到閃光同時到達火車A的前、后壁C火車B上的觀察者看到閃光不同時到達火車A的前、后壁D火車B上的觀察者看到閃光同時到達火車A的前、后壁解析由于火車A靜止,光源發(fā)出的光傳播到前、后壁的距離相同,所以火車A上的觀察者看到閃光同時到達火車A的前、后壁,選項A錯誤,選項B正確;火車B上的觀察者感到火車A的前、后壁到光源的距離不同,而光速不變,所以火車B上的觀察者看到閃光不同時到達火車A的前、后壁,選項D錯誤,選項C正確答案BC7下列說法中不正確的是()A一條桿的長度不會因為觀察者是否與桿做相對運動而不同,這是經(jīng)典物理學(xué)家的觀點B一條沿自身長度方向運動的桿,其長度總比桿靜止時的長度小C一條桿的長度靜止時為l0,不管桿如何運動,桿的長度均小于l0D如果兩根平行的桿在沿自己的長度方向上做相對運動,與它們一起運動的兩位觀察者都會認為對方的桿縮短了解析若桿沿垂直于自身長度的方向運動,它的長度將不變,選項C不正確答案C8假設(shè)地面上有一火車以接近光速的速度運行,其內(nèi)站立著一個中等身材的人,站在路旁的人觀察車里的人,觀察的結(jié)果是()A這個人是一個矮胖子B這個人是一個瘦高個子C這個人矮但不胖D這個人瘦但不高解析取路旁的人為慣性系,車上的人相對于路旁的人高速運動,根據(jù)尺縮效應(yīng),人在運動方向上將變窄,但在垂直于運動方向上沒有發(fā)生變化,故選D.答案D9用相對論的觀點判斷下列說法,其中正確的是()A時間和空間都是絕對的,在任何參考系中一個事件發(fā)生的時間和一個物體的長度總不會改變B在地面上看,以10km/s的速度運動的飛船中的時鐘會變快,但是飛船中的宇航員卻看到時鐘是準確的C在地面上的人看來,以10km/s的速度運動的飛船在運動方向上會變短,而飛船中的宇航員卻感覺到地面上的人看起來比飛船中的人扁一些D當(dāng)物體運動的速度v遠小于c時,“長度收縮”和“時間膨脹”效果可忽略不計解析時間和空間都是相對的,沒有絕對準確的時間和空間,所以A,B錯誤;由ll0可知兩處的人都感覺ll0,所以C正確;由尺縮效應(yīng)和鐘慢效應(yīng)公式可知,當(dāng)v遠小于c時,尺縮效應(yīng)和鐘慢效應(yīng)都可以忽略不計,所以D正確答案CD10話說有雙胞胎兄弟兩個,哥哥乘坐宇宙飛船以接近光的速度離開地球去遨游太空,經(jīng)過一段時間返回地球,哥哥驚奇地發(fā)現(xiàn)弟弟比自己要蒼老許多,則該現(xiàn)象的科學(xué)解釋是()A哥哥在太空中發(fā)生了基因突變,停止生長了B弟弟思念哥哥而加速生長了C由相對論可知,物體速度越大,在其上時間進程就越慢,生理過程也越慢D這是神話,科學(xué)無法解釋解析根據(jù)相對論的時間延緩效應(yīng),當(dāng)飛船速度接近光速時,時間會變慢,時間延緩效應(yīng)對生命過程、化學(xué)反應(yīng)等也是成立的飛船運行的速度越大,時間延緩效應(yīng)越明顯,人體新陳代謝越緩慢答案C11甲、乙圖2兩人站在地面上時身高都是L0,甲、乙分別乘坐速度為0.6c和0.8c(c為光速)的飛船同向運動,如圖2所示此時乙觀察到甲的身高L_L0;若甲向乙揮手,動作時間為t0,乙觀察到甲動作時間為t1,則t1_t0(均選填“”、“”或“”)解析在垂直于運動方向上長度不變,則有LL0;根據(jù)狹義相對論的時間延緩效應(yīng)可知,乙觀察到甲的動作時間變長,即t1t0.答案12如圖3所示,兩艘飛船A、B沿同一直線同向飛行,相對地面的速度均為v(v接近光速c)地面上測得它們相距為L,則A測得兩飛船間的距離_(選填“大于”、“等于”或“小于”)L.當(dāng)B向A發(fā)出一光信號,A測得該信號的速度為_圖3答案大于c(或光速)13相對論認為時間和空間與物質(zhì)的速度有關(guān);在高速前進中的列車的中點處,某乘客突然按下手電筒,使其發(fā)出一道閃光,該乘客認為閃光向前、向后傳播的速度相等,都為c,站在鐵軌旁邊地面上的觀察者認為閃光向前、向后傳播的速度_(填“相等”、“不等”)并且,車上的乘客認為,電筒的閃光同時到達列車的前、后壁,地面上的觀察者認為電筒的閃光先到達列車的_(填“前”、“后”)壁解析車廂中的人認為車廂是個慣性系,光向前、向后傳播的速度相等,光源在車廂中央,閃光同時到達前、后兩壁,地面上人認為地面是一個慣性系,光向前、向后傳播的速度相等,向前傳播的路程長些,到達前壁的時刻晚些答案相等后題組四相對論速度變換公式14在高速運動的火車上,設(shè)車對地面的速度為v,車上的人以速度u沿著火車前進的方向相對火車運動,那么他相對地面的速度u與uv的關(guān)系是()AuuvBuuvD以上均不正確解析由相對論速度變換公式可知B正確答案B15火箭以c的速度飛離地球,在火箭上向地球發(fā)射一束高能粒子,粒子相對地球的速度為c,其運動方向與火箭的運動方向相反則粒子相對火箭的速度大小為()A.cB.C.cD.解析由u,可得c解得uc,負號說明與v方向相反答案C- 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