5.1 初识相对论 教案

第5章第1节 初识相对论
一、牛顿、爱因斯坦不同的时空观
1、绝对（经典）的时空观（牛顿力学时空观）
（1）牛顿认为：绝对的时间自身在流逝着，因其本性而在均匀地、与任何外界无关地流逝着；绝对的空间就其本性而言，与外界任何事物无关，永远是相同的和不动的；时间和空间与物质及其运动无关，并且时间和空间是完全独立的。
（2）经典时空观结论
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、相对的时空观
（1）爱因斯坦认为：绝对的时间和空间是不存在的，时间、空间与物质及其运动都有着密切的联系。
（2）相对论的时空观结论
“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。
二、经典力学的成就、局限性以及适用范围
1、经典力学的成就
（1）牛顿运动三定律和万有引力定律把天体的运动与地上物体的运动统一起来，是人类对自然界认识的第一次大综合，是人类认识史上的一次重大飞跃．
（2）经典力学和以经典力学为基础发展起来的天体力学、材料力学和结构力学等得到了广泛的应用，并取得了巨大的成就．
（3）18世纪60年代，力学和热力学的发展及其与生产的结合，使机器和蒸汽机得到改进和推广，引发了第一次工业革命．
（4）由牛顿力学定律导出的动量守恒定律、机械能守恒定律等，是航空航天技术的理论基础．火箭、人造地球卫星、航天飞机、宇宙飞船、行星探测器等航天器的发射，都是牛顿力学规律的应用范例．
2、经典力学的局限性
（1）经典力学的绝对时空观，割裂了时间、空间、物质及其运动之间的联系，不能解释高速运动领域的许多客观现象．
（2）经典力学的运动观，从自然观角度来说，给出的是一幅机械运动的图景，不能解释微观世界丰富多彩的现象．
3、经典力学的适用范围
相对论和量子力学的出现，使人们认识到经典力学的适用范围：只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界；只适用于弱引力环境，不适用于强引力环境。
4、惯性系和非惯性系
（1）参考系不同
惯性系可以简单说成是相对地面静止的或者做匀速直线运动的参考系，而非惯性系则是相对地面做加速或者减速运动的参考系。
（2）定律成立不同
惯性系中牛顿第一、第二定律成立，而非惯性系中牛顿第一、第二定律不成立。
惯性参照系牛顿运动定律在其中有效的参考系，又称惯性坐标系，简称惯性系。
非惯性参考系是相对某惯性参考系作非匀速直线运动的参考系，又称非惯性坐标系，简称非惯性系。
三、相对论的发展背景
1、伽利略和牛顿等人创立经典力学体系，到19世纪末已发展成为一个包括力、电、光、热等分支的完整经典物理学体系。
2、1900年英国物理学家开尔文宣告：物理科学大厦已经建成，在晴朗的天空远处有两朵“乌云”。第一朵“乌云”引发了爱因斯坦相对论的产生，第二朵“乌云”引发了量子论的产生。
3、“以太”说
（1）人们认为光在太空中传播（即在真空条件下）是通过一种介质，这种介质就被命名为“以太”。
（2）1887年的迈克耳孙—莫雷实验等表明：在不同的参考系中，光的传播速度都一样。否定了争论很久的“以太”说，为物理学冲破传统经典物理学的束缚创造了极为重要的条件。
四、相对论的出现
1、经典的相对性原理
在以速度v1水平行驶的汽车上，有人相对于汽车以速度v2将一物体水平抛出。在静止在路边的观察者看来，若物体抛出后与汽车同向，则物体速度为v1+v2；若反向则物体的速度为v1-v2。
2、爱因斯坦提出（狭义）相对论
（1）实验基础：不论光源与观测者做怎样的相对运动，光速都是一样的。
（2）两个基本假设
①相对性原理：所有物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式。
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，光速与光源、观察者间的相对运动没有关系，测量到的真空中的光速c都一样（c=3×108 m/s）。
【课后练习】
1、经典力学不能适用于下列哪些运动（ ）
A．火箭的发射
B．宇宙飞船绕地球的运动
C．“勇气号”宇宙探测器在火星着陆
D．微观粒子的波动性
【答案】D。
2、经典力学只适用于“宏观世界”，这里的“宏观世界”是指（ ）
A．行星、恒星、星系等巨大的物质领域
B．地球表面上的物质世界
C．人眼能看到的物质世界
D．不涉及分子、原子、电子等微观粒子的物质世界
【答案】D。
3、（多选）20世纪以来，人们发现了一些新的事实，而经典力学却无法解释．经典力学只适用于解决物体的低速运动问题，不能用来处理高速运动问题；只适用于宏观物体，一般不适用于微观粒子．这说明（ ）
A．随着认识的发展，经典力学已成了过时的理论
B．人们对客观事物的具体认识，在广度上是有局限性的
C．不同领域的事物各有其本质与规律
D．人们应当不断地扩展认识，在更广阔的领域内掌握不同事物的本质与规律
【答案】BCD。
4、经典力学有一定的局限性。当物体以下列速度运动时，经典力学不再适用的是（ ）
A、2.5×10 1m/s
B、2.5×102m/s
C、2.5×105m/s
D、2.5×108m/s
【答案】D。
5、（多选）物理学的发展丰富了人类对物质世界的认识，推动了科学技术的创新和革命，促进了物质生产的繁荣与人类文明的进步．下列表述正确的是（ ）
A．牛顿发现了万有引力定律
B．牛顿通过实验证实了万有引力定律
C．相对论的创立表明经典力学已不再适用
D．爱因斯坦建立了狭义相对论，把物理学推广到高速领域
【答案】AD。
6、关于经典力学和相对论，下列说法正确的是（ ）
A．经典力学和相对论是各自独立的学说，互不相容
B．相对论是在否定了经典力学的基础上建立起来的
C．相对论和经典力学是两种不同的学说，二者没有联系
D．经典力学包含于相对论之中，经典力学是相对论的特例
【答案】D。
7、下列说法正确的是（ ）
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。
8、关于经典力学和狭义相对论，下面说法中正确的是（ ）
A、经典力学适用于宏观、高速运动的物体
B、光速不变原理是狭义相对论基本假设之一
C、狭义相对论和经典力学是相互对立，互不相容的两种理论
D、狭义相对论认为不同的惯性参考系中，一切物理规律形式不同
【答案】B。
9、（多选）一列很长的火车在沿平直车道飞快地匀速行驶，车厢中央有一个光源发出了一个闪光，闪光照到车厢的前壁和后壁。对这两个事件说法正确的是（ ）
A、车上的观察者认为两个事件是同时的
B、车上的观察者认为光先到达后壁
C、地面上的观察者认为两个事件是同时的
D、地面上的观察者认为光到达前壁的时刻晚些
【答案】AD。
10、经典力学有其局限性，相对论已经成为现代科学技术的重要理论基础之一。下列关于经典力学的说法中，正确的是（ ）
A、经典力学只适用于宏观、低速、弱引力场
B、经典力学适用于范围在10-10 m以内的微观粒子运动
C、经典力学认为时间、空间与物质及其运动之间是相互联系的
D、按照经典力学，只要知道初始条件，就可以准确确定体系以往和未来的运动状态
【答案】AD。
11、如图所示，华华乘坐速度为0.7c（c为光速）的宇宙飞船追赶正前方的龙龙，龙龙的飞行速度为0.3c。华华向龙龙发出一束光进行联络，则龙龙观测到该光束的传播速度为（ ）
A、0.7c B、0.4c C、0.3c D、1.0c
【答案】D。
12、在一节火车车厢内有一张水平的桌面，桌上有个小球，当火车停在轨道上，小球能静止在桌面上；当火车突然向前开动时，小球由静止开始运动，若不考虑桌面的摩擦和空气阻力，以下分析错误的是（ ）
A、火车加速时，小球在桌面上受到的平衡力
B、火车静止时，以火车为参考系，牛顿运动定律是成立的
C、火车加速运动时，以火车为参考系，牛顿运动定律是不成立的
D、无论火车静止还是加速，以火车为参考系，牛顿运动定律都是成立的
【答案】D。
13、牛顿运动定律适用范围是 ，爱因斯坦的相对论适用范围是 。
【答案】宏观低速；微观高速。
14、下列说法中正确的是_______。
（1）静止或匀速直线运动的参考系是惯性系。
（2）由于在任何惯性系中力学规律都是相同的，因此研究力学问题时可以选择任何惯性系。
（3）在不同的惯性系中，光速是不相同的。
（4）在一个惯性系内进行任何力学实验都不能判断它是否在相对另一个惯性系做匀速直线运动。
（5）在狭义相对论时空观中空间和时间与物质的运动状态无关。
【答案】（1）（2）（4）；