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高中物理 第六章 經(jīng)典力學(xué)與現(xiàn)代物理 6.2 狹義相對(duì)論的基本原理 6.3 愛(ài)因斯坦心目中的宇宙素材2 滬科版必修2(通用)

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1、6.2 狹義相對(duì)論的基本原理 6.3 愛(ài)因斯坦心目中的宇宙課堂互動(dòng) 三點(diǎn)剖析 一、狹義相對(duì)論的兩條基本公設(shè) (1)相對(duì)性原理:物理規(guī)律在一切慣性參考系中都具有相同的形式.在某個(gè)慣性系中,描述某個(gè)物理系統(tǒng)的某個(gè)物理過(guò)程的物理定律,在其他一切慣性系中對(duì)該系統(tǒng)該過(guò)程作出描述的物理定律皆保持不變.(2)光速不變?cè)恚涸谝磺袘T性參考系中,測(cè)量到的真空的光速c都一樣.在一切慣性系中觀測(cè)的真空中傳播的同一束光,不論沿任何方向,其速度大小都為c,與光源或觀察者的運(yùn)動(dòng)無(wú)S. 【例1】 一列很長(zhǎng)的火車在沿平直車道飛快地勻速行駛,車廂中央有一個(gè)光源發(fā)出了一個(gè)閃光,閃光照到車廂的前壁和后壁.對(duì)這兩個(gè)事件說(shuō)法

2、正確的是( ) A.車上的觀察者認(rèn)為兩個(gè)事件是同時(shí)的 B.車上的觀察者認(rèn)為光先到達(dá)后壁 C.地面上的觀察者認(rèn)為兩個(gè)事件是同時(shí)的 D.地面上的觀察者認(rèn)為光到達(dá)前壁的時(shí)刻晚些 解析:因?yàn)檐噹莻€(gè)慣性系,光向前、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,A對(duì).地面上的觀察者認(rèn)為地面是一個(gè)慣性系,閃光向前、后傳播的速度對(duì)地面也是相同的,但閃光飛向兩壁的過(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)間也就晚些,故D也對(duì). 答案:AD 溫馨提示 時(shí)間間隔的相對(duì)性.時(shí)鐘相對(duì)于觀察者靜止時(shí),走得快,即時(shí)間間隔變短;相對(duì)于觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)觀察者

3、會(huì)看到它變慢,即時(shí)間間隔變長(zhǎng),也可說(shuō)成運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘變慢.生活中的速度都太小,同時(shí)的相對(duì)性覺(jué)察不到,體現(xiàn)了經(jīng)典力學(xué)的特點(diǎn),錯(cuò)選C. 二、相對(duì)論時(shí)空觀的理解 1.時(shí)間延緩效應(yīng) 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)出了一個(gè)閃光,閃光照到了車廂的前壁和后壁.車上的觀察者認(rèn)為兩個(gè)事件是同時(shí)的,在他看來(lái)這很好解釋,因?yàn)檐噹菓T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

4、向前行駛了一段距離,所以向前的光傳播的路程長(zhǎng)些,到達(dá)車廂前壁的時(shí)刻也就晚些,這兩個(gè)事件不同時(shí). 2.運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘變慢 假設(shè)車廂地板上有一個(gè)光源,發(fā)出一個(gè)閃光.對(duì)于車上的觀察者來(lái)說(shuō),閃光到達(dá)光源正上方h高處的小鏡后被反射,回到光源位置,往返所用的時(shí)間為Δt′;對(duì)于地面上的觀察者來(lái)說(shuō),情況有所不同.從地面上看,在光的傳播過(guò)程中,火車向前運(yùn)動(dòng)了一段距離,因此被小鏡反射后又被光源接收的閃光路徑是沿折線的,所用時(shí)間為Δt,則有Δt=,因?yàn)榉帜钢?-()2<1,所以總有Δt>Δt′. 3.運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度縮短 一個(gè)物體相對(duì)于觀察者靜止時(shí),它的長(zhǎng)度測(cè)量值最大;相對(duì)于觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí),觀察者在運(yùn)動(dòng)方向上觀測(cè),

5、它的長(zhǎng)度要縮短,速度越快,縮得越短,即l=l0,因?yàn)?-()2<1,所以有l(wèi)<l0. 4.物體質(zhì)量隨速度的增加而增大:當(dāng)速度接近光速時(shí),質(zhì)量趨于無(wú)窮大.如果物體的運(yùn)動(dòng)速度比光速小很多,物體運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量和物體靜止時(shí)的質(zhì)量相等.關(guān)系式:m=. 5.質(zhì)能關(guān)系 愛(ài)因斯坦著名的質(zhì)能關(guān)系式是:E=mc2,當(dāng)物質(zhì)的質(zhì)量減少或增加時(shí),必然伴隨著能量的增加或減少.如果用Δm表示物體質(zhì)量的變化,ΔE表示能量的變化量,那么它們的關(guān)系可以表示為ΔE=Δmc2. 【例2】 一列火車以速度v相對(duì)地面運(yùn)動(dòng),如果地面上的人測(cè)得某光源發(fā)出的閃光同時(shí)到達(dá)車廂的前壁和后壁,那么按照火車上人的測(cè)量,閃光先到達(dá)前壁還是先到達(dá)后

6、壁?火車上的人怎樣解釋自己的測(cè)量結(jié)果? 答案:火車上的人測(cè)得,閃光先到達(dá)前壁.由于地面上的人測(cè)得閃光同時(shí)到達(dá)前后壁,而在光向前后兩壁傳播的過(guò)程中,火車要相對(duì)于地面向前運(yùn)動(dòng)一段距離,所以光源發(fā)光的位置一定離前壁較近,這個(gè)事實(shí)對(duì)于車上、車下的人都是一樣的.在車上的人看來(lái),既然發(fā)光點(diǎn)離前壁較近,各個(gè)方向的光速又是一樣的,當(dāng)然閃光先到達(dá)前壁. 各個(gè)擊破 類題演練 1 如圖6-3-1所示,地面上A、B兩個(gè)事件同時(shí)發(fā)生,對(duì)于坐在火箭中沿兩個(gè)事件發(fā)生地點(diǎn)連線飛行的人來(lái)說(shuō),哪個(gè)事件先發(fā)生? 圖6-3-1 解析:可以設(shè)想在事件A、B發(fā)生時(shí),A、B處各發(fā)出一個(gè)閃光.然后將“兩閃光相遇”作為一個(gè)事件

7、,發(fā)生在線段AB的中點(diǎn),這在不同參考系中看都是一樣的.“相遇在中點(diǎn)”這個(gè)現(xiàn)象在地面參考系中很容易解釋:兩個(gè)閃光同時(shí)發(fā)出,兩個(gè)閃光傳播的速度一樣,當(dāng)然在線段的中點(diǎn)相遇.火箭上的人則有如下的推理:地面在向火箭方向運(yùn)動(dòng),從閃光發(fā)出到兩閃光相撞,線段中點(diǎn)向火箭的方向運(yùn)動(dòng)了一段距離.因此閃光B傳播的距離比閃光A長(zhǎng)些,既然兩個(gè)閃光的光速相同,一定是閃光B發(fā)出的早些. 答案:B事件先發(fā)生 變式提升 1 在沿直線勻速高速行駛汽車的地板上,有一個(gè)光源,發(fā)出了一個(gè)閃光,閃光到達(dá)光源正上方h高處的小鏡后被反射回到光源位置,往返所用的時(shí)間為Δt.則下列說(shuō)法正確的是( ) A.車上的人認(rèn)為時(shí)間為Δt=2h

8、/c B.車上的人認(rèn)為時(shí)間為Δt>2h/c C.地上的人認(rèn)為時(shí)間為Δt>2h/c D.地上的人認(rèn)為時(shí)間為Δt=2h/c 解析:車上的人認(rèn)為閃光沿豎直方向到達(dá)小鏡又沿豎直方向被反射,所以A對(duì).車下的人認(rèn)為被接收的反射光是沿斜線傳播的,故路程較遠(yuǎn),而光速又不變,時(shí)間較長(zhǎng),C對(duì). 答案:AC 類題演練 2 一個(gè)桿沿著車廂運(yùn)動(dòng)的方向固定在火車上,和車一起運(yùn)動(dòng).在火車上的人看來(lái),桿是靜止的,測(cè)得桿長(zhǎng)為L(zhǎng),地面上的人認(rèn)為車是運(yùn)動(dòng)的,測(cè)得桿長(zhǎng)為L(zhǎng)′.則下列說(shuō)法中正確的是……( ) A.地面上的人與車上的人測(cè)得桿長(zhǎng)相等,即L=L′ B.地面上的人與車上的人測(cè)得桿長(zhǎng)不相等,即L>L′

9、C.地面上的人與車上的人測(cè)得桿長(zhǎng)不相等,即L<L′ D.測(cè)得的長(zhǎng)度無(wú)法比較 解析:在火車上的人看來(lái),桿是靜止的,地面上的人看到桿在運(yùn)動(dòng),因動(dòng)桿變短,故地面上的人測(cè)得的長(zhǎng)度較?。? 答案:B 變式提升 2 如圖6-3-2所示,A、B、C是三個(gè)完全相同的時(shí)鐘,A放在地面上,B、C分別放在兩個(gè)火箭上,以速度vB、vC朝同一方向飛行,且vB<vC.地面上的觀察者認(rèn)為哪個(gè)時(shí)鐘走得最慢?哪個(gè)走得最快? 圖6-3-2 解析:地面上的觀察者認(rèn)為C鐘走得最慢,因?yàn)樗鄬?duì)于觀察者的速度最大.根據(jù)公式Δt=可知,相對(duì)于觀察者的速度v越大,其上的時(shí)間進(jìn)程越慢.地面時(shí)鐘v=0,它所記錄的兩事件的時(shí)間間隔最大,即地面時(shí)鐘走得最快. 答案:C鐘走得最慢;A鐘走得最快.

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