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高中物理 第六章 經典力學與現代物理 6.2 狹義相對論的基本原理 6.3 愛因斯坦心目中的宇宙素材2 滬科版必修2

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1、 6.2 狹義相對論的基本原理 6.3 愛因斯坦心目中的宇宙課堂互動 三點剖析 一、狹義相對論的兩條基本公設 (1)相對性原理:物理規(guī)律在一切慣性參考系中都具有相同的形式.在某個慣性系中,描述某個物理系統(tǒng)的某個物理過程的物理定律,在其他一切慣性系中對該系統(tǒng)該過程作出描述的物理定律皆保持不變.(2)光速不變原理:在一切慣性參考系中,測量到的真空的光速c都一樣.在一切慣性系中觀測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動無S. 【例1】 一列很長的火車在沿平直車道飛快地勻速行駛,車廂中央有一個光源發(fā)出了一個閃光,閃光照到車廂的前壁和后壁.對這兩個事件說

2、法正確的是( ) A.車上的觀察者認為兩個事件是同時的 B.車上的觀察者認為光先到達后壁 C.地面上的觀察者認為兩個事件是同時的 D.地面上的觀察者認為光到達前壁的時刻晚些 解析:因為車廂是個慣性系,光向前、后傳播的速度相同,光源又在車廂的中央,閃光當然會同時到達前后兩壁,A對.地面上的觀察者認為地面是一個慣性系,閃光向前、后傳播的速度對地面也是相同的,但閃光飛向兩壁的過程中,車廂向前行進了一段距離,所以向前的光傳播的路程長些,到達前壁的時間也就晚些,故D也對. 答案:AD 溫馨提示 時間間隔的相對性.時鐘相對于觀察者靜止時,走得快,即時間間隔變短;相對于觀察者運

3、動時觀察者會看到它變慢,即時間間隔變長,也可說成運動的時鐘變慢.生活中的速度都太小,同時的相對性覺察不到,體現了經典力學的特點,錯選C. 二、相對論時空觀的理解 1.時間延緩效應 假設一列很長的火車在沿平直軌道飛快地勻速行駛,車廂中央有一個光源發(fā)出了一個閃光,閃光照到了車廂的前壁和后壁.車上的觀察者認為兩個事件是同時的,在他看來這很好解釋,因為車廂是慣性系,光向前、向后傳播的速度相同,光源又在車廂的中央,閃光當然會同時到達前后兩壁.車下的觀察者則不以為然,他觀測到,閃光先到達后壁,后到達前壁.他的解釋是:地面也是一個慣性系,閃光向前、向后傳播的速度對地面也是相同的,但是在閃光飛向

4、兩壁的過程中,車廂向前行駛了一段距離,所以向前的光傳播的路程長些,到達車廂前壁的時刻也就晚些,這兩個事件不同時. 2.運動的時鐘變慢 假設車廂地板上有一個光源,發(fā)出一個閃光.對于車上的觀察者來說,閃光到達光源正上方h高處的小鏡后被反射,回到光源位置,往返所用的時間為Δt′;對于地面上的觀察者來說,情況有所不同.從地面上看,在光的傳播過程中,火車向前運動了一段距離,因此被小鏡反射后又被光源接收的閃光路徑是沿折線的,所用時間為Δt,則有Δt=,因為分母中1-()2<1,所以總有Δt>Δt′. 3.運動物體的長度縮短 一個物體相對于觀察者靜止時,它的長度測量值最大;相對于觀察者運動時

5、,觀察者在運動方向上觀測,它的長度要縮短,速度越快,縮得越短,即l=l0,因為1-()2<1,所以有l(wèi)<l0. 4.物體質量隨速度的增加而增大:當速度接近光速時,質量趨于無窮大.如果物體的運動速度比光速小很多,物體運動的質量和物體靜止時的質量相等.關系式:m=. 5.質能關系 愛因斯坦著名的質能關系式是:E=mc2,當物質的質量減少或增加時,必然伴隨著能量的增加或減少.如果用Δm表示物體質量的變化,ΔE表示能量的變化量,那么它們的關系可以表示為ΔE=Δmc2. 【例2】 一列火車以速度v相對地面運動,如果地面上的人測得某光源發(fā)出的閃光同時到達車廂的前壁和后壁,那么按照火車上人

6、的測量,閃光先到達前壁還是先到達后壁?火車上的人怎樣解釋自己的測量結果? 答案:火車上的人測得,閃光先到達前壁.由于地面上的人測得閃光同時到達前后壁,而在光向前后兩壁傳播的過程中,火車要相對于地面向前運動一段距離,所以光源發(fā)光的位置一定離前壁較近,這個事實對于車上、車下的人都是一樣的.在車上的人看來,既然發(fā)光點離前壁較近,各個方向的光速又是一樣的,當然閃光先到達前壁. 各個擊破 類題演練 1 如圖6-3-1所示,地面上A、B兩個事件同時發(fā)生,對于坐在火箭中沿兩個事件發(fā)生地點連線飛行的人來說,哪個事件先發(fā)生? 圖6-3-1 解析:可以設想在事件A、B發(fā)生時,A、B處各發(fā)出

7、一個閃光.然后將“兩閃光相遇”作為一個事件,發(fā)生在線段AB的中點,這在不同參考系中看都是一樣的.“相遇在中點”這個現象在地面參考系中很容易解釋:兩個閃光同時發(fā)出,兩個閃光傳播的速度一樣,當然在線段的中點相遇.火箭上的人則有如下的推理:地面在向火箭方向運動,從閃光發(fā)出到兩閃光相撞,線段中點向火箭的方向運動了一段距離.因此閃光B傳播的距離比閃光A長些,既然兩個閃光的光速相同,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,有一個光源,發(fā)出了一個閃光,閃光到達光源正上方h高處的小鏡后被反射回到光源位置,往返所用的時間為Δt.則下列說法正確的

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

9、 B.地面上的人與車上的人測得桿長不相等,即L>L′ C.地面上的人與車上的人測得桿長不相等,即L<L′ D.測得的長度無法比較 解析:在火車上的人看來,桿是靜止的,地面上的人看到桿在運動,因動桿變短,故地面上的人測得的長度較?。? 答案:B 變式提升 2 如圖6-3-2所示,A、B、C是三個完全相同的時鐘,A放在地面上,B、C分別放在兩個火箭上,以速度vB、vC朝同一方向飛行,且vB<vC.地面上的觀察者認為哪個時鐘走得最慢?哪個走得最快? 圖6-3-2 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.根據公式Δt=可知,相對于觀察者的速度v越大,其上的時間進程越慢.地面時鐘v=0,它所記錄的兩事件的時間間隔最大,即地面時鐘走得最快. 答案:C鐘走得最慢;A鐘走得最快. 6EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F375

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