学案2 狭义相对论的基本原理(选学)
[学习目标定位] 1.认识经典力学的适用范围和局限性．知道经典力学的时空观与相对论时空观之间的关系.2.初步了解相对论时空观中的基本观点，了解狭义相对论．知道相对论对人类认识高速世界的影响．
一、经典力学的时空观
经典力学的时空观又叫绝对时空观，它的特点是：时间和空间是分离的，时间尺度和空间尺度与物质运动无关，都是绝对的．
二、狭义相对论的两条基本公设
(1)在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的．这个公设通常叫做爱因斯坦相对性原理．
(2)在一切惯性系中，光在真空中传播的速度都等于c，跟光源的运动无关.
一、经典力学的时空观
1．绝对时空观：经典力学的时空观．
观点：“绝对的空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关而永远相同和不动的”，“绝对的真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性而均匀地与任何其他外界事物无关地流逝着．”
2．正确理解绝对时空观
(1)时间和空间是分离的，时间尺度和空间尺度与物质运动无关，都是绝对的．
(2)经典力学的时空观认为，时间就其本质而言是永远均匀地流逝，与任何其他外界事物无关．空间就其本质而言是与外界任何事物无关，它从不运动，并且永远不变．
3．由绝对时空观得到的结论
(1)同时的绝对性
在一个惯性系中的观察者在某一时刻观测到两个事件，对另一个做匀速直线运动的惯性系中的观察者来说是同时发生的，即同时性与观察者的运动状态无关．
(2)时间间隔的绝对性
任何事件(或物体的运动)所经历的时间，在不同的参考系中测量都是相同的，而与参考系(或观察者)的运动无关．
(3)空间距离的绝对性
如果各个惯性系中用来测量长度的标准相同，那么空间两点的距离也就有绝对不变的量值，而与惯性系的选择(或观察者的运动状态)无关．
二、狭义相对论的基本公设
1．追光问题的思考
(1)经典力学时空观中的速度叠加原理：
例如，设河流中的水相对于河岸的速度为v水岸，船相对于水的速度为v船水，则在经典力学中，船相对于岸的速度为v船岸＝v船水＋v水岸(矢量和)．
(2)爱因斯坦的困惑：如果我以光速追光波，将会看到什么？
产生困惑的原因：如果认为观察者看到的是一个静止不前的电磁振荡，与直觉经验不符；而如果认为看到的是一个以一定速度行进的光，则违反了速度合成法则．
2．伽利略相对性原理
(1)惯性系
在经典力学中，牛顿运动定律是力学规律的基础，如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系就叫做惯性系．相对于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
内容：力学规律在任何惯性系中都是相同的，也就是说，各个惯性系都是等价的．这个观点叫做伽利略相对性原理．
3．狭义相对论的两条基本公设
(1)两条基本公设的内容
①在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的．这个公设通常叫做爱因斯坦相对性原理．
②在一切惯性系中，光在真空中传播的速度都等于c，跟光源的运动无关．
(2)对两条基本公设的理解
①物体的位移、速度以及电场强度、磁感应强度等物理量有可能因为所选惯性参考系的不同而不同，但是它们所遵从的物理规律却是相同的．也就是说，在一切惯性参考系中物理规律的数学形式完全相同．
②此公设与绝对时空观是矛盾的．
爱因斯坦由此提出了新的时空观，即时间不能绝对定义，时间与速度有关．
爱因斯坦的两条基本公设只涉及无加速运动的惯性系，由此建立的相对论通常叫做狭义相对论．
一、经典力学的时空观的理解
例1 如图1所示，在列车车厢的光滑水平面上有一个质量为m＝5 kg的小球，正随车厢一起以20 m/s的速度匀速前进．现给小球施加一个与车厢运动方向相同的F＝5 N的拉力，求经过10 s时，车厢里的观察者和地面上的观察者看到小球的速度分别是多少？
图1
解析 匀速运动的车厢和地面都是惯性系．
对车厢里的观察者：
小球的初速度：v0＝0，加速度a＝＝1 m/s2，
10 s时速度：v1＝at＝10 m/s.
对地面上的观察者：
解法一 小球初速度v0′＝20 m/s，
加速度相同：a＝＝1 m/s2，
10 s时速度：v2＝v0′＋at＝30 m/s.
解法二 根据速度合成法则，v2＝v1＋v0′＝(10＋20) m/s＝30 m/s.
答案 10 m/s 30 m/s
二、伽利略相对性原理
例2 下面关于伽利略相对性原理的说法中，正确的是( )
A．力学规律在任何参考系中都是相同的
B．惯性系就是静止不动的参考系
C．如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系叫做惯性系，相对一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也叫惯性系
D．力学规律在任何惯性系中都是相同的
解析 伽利略相对性原理指力学规律在所有惯性系中都是成立的，这里参考系是有条件的，即必须是惯性系，非惯性系是不适合的，因此选项A错误，选项D正确．惯性
系并不仅指静止的参考系，相对于一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系，因此选项B错误，选项C正确．
答案 CD
三、光速不变原理
例3 考虑以下四个问题：(1)如图2所示，参考系O′相对于参考系O静止时，人看到的光速是多少？
(2)参考系O′相对于参考系O以速度v向右运动时，人看到的光速是多少？
(3)参考系O′相对于参考系O以速度v向左运动时，人看到的光速是多少？
(4)根据狭义相对论理论，在上述三种情况下光速应该是多少？
图2
解析 根据速度合成法则，第一种情况人看到的光速应是c，第二种情况应是c＋v，第三种情况应是c－v，而根据狭义相对论理论，光速是不变的，三种情况光速都应是c.
答案 (1)c (2)c＋v (3)c－v (4)都是c
1．(狭义相对论的两条基本公设)爱因斯坦把人们看来相互矛盾的________和________作为他的狭义相对论的两条基本公设．
答案 相对性原理 光速不变原理
2．(光速不变原量)设某人在以速度为0.5c的飞船上，打开一个光源，则下列说法正确的是( )
A．飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为1.5c
B．飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为0.5c
C．在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是2c
D．在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c
答案 D
解析 根据光速不变原理可知选项D正确．
