1、1 相对论的诞生相对论的诞生 2 时间和空间的相对性时间和空间的相对性 学科素养与目标要求 科学观念：1.知道经典的相对性原理，知道狭义相对论的实验基础和它的两个基本假设.2.知 道狭义相对论的几个主要结论.3.了解经典时空观与相对论时空观的主要区别 科学思维：会应用相对论的几个主要结论进行简单的计算 科学态度与责任：体会相对论的建立对人类认识世界的影响 一、相对论的诞生 1经典的相对性原理 (1)惯性系：牛顿运动定律能够成立的参考系相对一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考 系也是惯性系 (2)伽利略相对性原理：力学规律在任何惯性系中都是相同的 2相对性原理与电磁规律 迈克耳孙莫雷实验证明了光
2、速是不变的，这与传统的速度合成法则是矛盾的 3狭义相对论的两个基本假设 (1)狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的 (2)光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的 二、时间和空间的相对性 1“同时”的相对性 (1)经典的时空观：在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察 也是同时的 (2)相对论的时空观：“同时”具有相对性，即在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事 件，在另一个惯性系中观察不一定是同时的 2长度的相对性 (1)经典的时空观：一条杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同 (2)狭义相对论认为“动尺变短”：狭义相
3、对论中的长度公式为 ll01v c 2，但垂直于杆 的运动方向上，杆的长度不变 3时间间隔的相对性 (1)经典的时空观：某两个事件，在不同的惯性系中观察，它们的时间间隔总是相同的 (2)狭义相对论认为“动钟变慢”：时间间隔的相对性公式为 t 1v c 2. 4经典时空观和狭义相对论时空观 (1)经典时空观：空间和时间脱离物质而存在，是绝对的，空间和时间没有联系，即与物质的 运动状态无关 (2)狭义相对论时空观：有物质才有时间和空间，空间和时间与物质运动状态有关 判断下列说法的正误 (1)一根杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同，这是经典物理学的观 点( ) (2)一根杆的长度静止时为
4、 l0，不管杆如何运动，杆的长度均小于 l0.( ) (3)“动钟变慢”是时钟的精度因运动而发生了变化( ) (4)高速运动的飞船中的宇航员发现地面的时钟变慢了( ) 一、经典的相对性原理与狭义相对论 1如图所示，小球相对于参考系 O 以速度 v0向右抛出，人相对于参考系 O静止，当参考 系 O相对于参考系 O 静止、以速度 v 向右运动和以速度 v 向左运动时，人观察到小球的速 度分别为多大？ 答案 分别为 v0、v0v、v0v 2如图所示，光源相对于参考系 O 静止，人相对于参考系 O静止，当参考系 O相对于 参考系 O 静止、以速度 v 向右运动和以速度 v 向左运动时，人观察到的光源发
5、出光的传播速 度分别为多大？ 答案 人观察到的光速都是 c 1惯性系与非惯性系的确定：我们通常选取大地为惯性系，相对于地面静止或做匀速运动的 物体都是惯性系，相对于地面做变速运动的物体都是非惯性系 2光的传播速度与惯性系的选取无关在任何情况下，真空中的光速都是 c. 例 1 关于狭义相对论，下列说法不正确的是( ) A狭义相对论认为在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的 B狭义相对论认为在一切惯性系中，光在真空中的速度都等于 c，与光源的运动无关 C狭义相对论只涉及无加速运动的惯性系 D狭义相对论任何情况下都适用 答案 D 解析 根据狭义相对论的基本假设可知，选项 A、B 正确；狭义相对
6、论只涉及惯性参考系， 不涉及非惯性参考系，选项 D 错误，C 正确 针对训练 (2017 攀枝花高二检测)关于爱因斯坦认为的空间和时间关系，下列说法中正确的 是( ) A时间和空间是分离的，即绝对时间和绝对空间 B时间和空间与物体的运动无关 C时间和空间在本质上是统一的 D时间是相对的，空间是绝对的 答案 C 解析 爱因斯坦认为时间和空间在本质上是统一的，时间和空间不是分离的，它们都是相对 的，故 C 项正确 二、时间和空间的相对性 如图所示，一列车以速度 v 经过站台，站台中部的观察者 C 看到列车车头正好到达站台最右 端的 A 人时，车尾正好到达站台最左端的 B 人 (1)若此时站台上的观
7、察者 C 看到 A、B 两人同时面向列车举起手中的小红旗，那么站在列车 中点的观察者 C看到 A、B 两人是同时举旗的吗？如果不是同时举旗，他会看到哪个人先 举旗？ (2)站台上的观察者 C 看到列车长度刚好和站台长度相同， 列车上的观察者 C认为列车长度 和站台长度相同吗？如果不相同，他认为列车长还是站台长？ (3)假定列车上的观察者 C举起小红旗向站台上的 A、B 两人挥动致意，他认为自己从举起 小红旗到放下小红旗的时间为 t， 站台上的观察者 C 观察到他举旗的时间也为 t 吗？如果不是 t，他认为这个时间比 t 长还是短？ 答案 (1)不是同时举旗， 他看到 A 人先举旗 (2)列车长
8、度和站台长度不相同， 他认为列车长 (3)不是 t，他认为这个时间比 t 长 1“动尺变短”：狭义相对论中的长度公式 ll01v c 2中，l 0是相对于杆静止的观察者 测出的杆的长度，而 l 可以认为是杆沿自己的长度方向以速度 v 高速运动时，静止的观察者 测量的长度 2“动钟变慢”：时间间隔的相对性公式 t 1v c 2中， 是相对事件发生地静止的观 察者测量同一地点的两个事件发生的时间间隔， 而 t 是相对于事件发生地以速度 v 高速运动 的观察者测量同一地点的同样两个事件发生的时间间隔 3分析时间间隔和长度变化时应注意的问题： (1)时间间隔、长度的变化，都是由于物质的相对运动引起的一
9、种观测效应，它与所选取的参 考系有关，物质本身的结构并没有变化 (2)两个事件的时间间隔和物体的长度，必须与所选取的参考系相联系，在没有选取参考系的 情况下讨论时间的长短及空间的尺寸，是没有任何意义的 例 2 (多选)(2017 江苏卷)接近光速飞行的飞船和地球上各有一只相同的铯原子钟，飞船和 地球上的人观测这两只钟的快慢，下列说法正确的有( ) A飞船上的人观测到飞船上的钟较快 B飞船上的人观测到飞船上的钟较慢 C地球上的人观测到地球上的钟较快 D地球上的人观测到地球上的钟较慢 答案 AC 解析 由狭义相对论“动钟变慢”原理可知，飞船上的人认为地球上的钟是运动的，而飞船 上的钟是静止的，所以
10、飞船上的人观测到飞船上的钟较快，地球上的钟较慢，A 正确，B 错 误；地球上的人认为地球上的钟是静止的，而飞船上的钟是运动的，所以地球上的人认为飞 船上的钟较慢，地球上的钟较快，C 正确，D 错误 例 3 地面上长 100 km 的铁路上空有一火箭沿铁路方向以 30 km/s 的速度掠过， 则火箭上的 人看到铁路的长度应该为多少？如果火箭的速度达到 0.6c，则火箭上的人看到的铁路的长度 又是多少？ 答案 100 km 80 km 解析 当火箭速度较低时，长度基本不变，还是 100 km.当火箭的速度达到 0.6c 时，由相对 论长度公式 ll01v c 2，代入相应的数据解得 l100 10
11、.62 km80 km. 学科素养 例 2、例 3 考查了学生对时间和空间的相对性的了解程度，体现了“物理观念” 的学科素养又通过题目中的相对论效应，让学生体会到相对论的建立对人类认识世界的影 响，体现了“科学态度与责任”的学科素养. 1(经典相对性原理)以下说法中正确的是( ) A经典物理中的速度合成公式在任何情况下都是适用的 B经典物理规律也适用于高速运动的物体 C力学规律在一个静止的参考系和一个匀速运动的参考系中是不等价的 D力学规律在任何惯性系里都是等价的 答案 D 解析 在所有惯性系中，一切力学规律都是等价的，故 D 正确，C 错误；经典物理规律是狭 义相对论在低速状态下的一个近似，
12、所以经典物理规律只适用于低速运动的物体，而经典物 理中的速度合成公式也只适用于低速情况，故 A、B 均错误 2(狭义相对论)(多选)下面说法正确的是( ) A在以 1 1 000c 竖直方向升空的火箭上向前发出的光，对地速度一定比 c 大 B在以 1 1 000c 竖直方向升空的火箭上向后发出的光，对地速度一定比 c 小 C在以 1 1 000c 竖直方向升空的火箭上沿水平方向发出的光对地速度为 c D在以 1 1 000c 竖直方向升空的火箭上向任一方向发出的光对地速度都为 c 答案 CD 解析 根据狭义相对论的基本假设光速不变原理可知：真空中的光速相对于火箭的速度 为 c，相对于地面的速度
13、也为 c，即对不同的惯性参考系光速是相同的， 因此 C、 D 正确， A、 B 错误 3(空间的相对性)惯性系 S 中有一边长为 l 的正方形(如图 1 所示)从相对 S 系沿 x 轴方向 以接近光速匀速飞行的飞行器上测得此正方形的图形是( ) 图 1 答案 C 解析 从相对 S 系沿 x 轴方向以接近光速匀速飞行的飞行器上观察 S 系中的正方形，根据相 对论效应可知，沿 x 轴方向正方形的边长缩短，而沿 y 轴方向正方形边长没有改变，则其形 状变成长方形，故 C 正确，A、B、D 错误 4(时间的相对性)如图 2 所示，A、B、C 是三个完全相同的时钟，A 放在地面上，B、C 分 别放在以速度 vB和 vC朝同一方向飞行的两枚火箭上，且 vBvC.地面上的观察者认为哪个时 钟走得最慢？哪个时钟走得最快？ 图 2 答案 C 时钟走得最慢 地面上的时钟走得最快 解析 根据公式 t 1 v c 2 可知，相对于观察者的速度 v 越大，其上的时间进程越慢， 地面上的观察者认为 C 钟走得最慢，因为它相对于观察者的速度最大；由 t 1v c 2知 t，故地面上的时钟走得最快.
