6.1、6.2 牛顿眼中的世界 爱因斯坦眼中的世界 课件 (2)

课件46张PPT。第6章　相对论与天体物理
第1节　牛顿眼中的世界
第2节　爱因斯坦眼中的世界1.在描述物体的运动时，选来作为参考的另外物体称为
_______。
2.参考系的选取是任意的，一般以_____为参考系。
3.某同学在汽车上以速度v1向前行走，汽车同时以速度v2向前
行驶，则该同学对地的速度为_____。 参考系地面v1+v24.在地面上和匀速运动的火车上，时钟走得_______。
5.在匀速运动的火车中，一根木棒的长度是_______。一样快不变的一、牛顿眼中的世界
1.经典力学的相对性原理：通过任何力学实验，都不可能发现
惯性系是处于_________状态还是在做_____________。也就是
说，不可能通过力学实验测得惯性系的_________。这种现象
表明，力学规律在任何惯性系中都是_______。这个结论称为
经典力学的相对性原理。绝对静止匀速直线运动绝对速度相同的2.绝对时空观：
(1)绝对时空观：在牛顿眼中的世界里，力学规律之所以在
___________中表达形式都相同，其根本原因是时间与空间不
会随参考系不同而变化，也就是说___________是绝对的。
(2)经典物理学两大支柱：_________和_________是经典物理
学的支柱。
(3)经典力学的速度叠加原理：在经典力学中如果某一惯性系
相对另一惯性系的速度为v，在此惯性系中有一物体速度为
u′，那么，此物体相对另一惯性系的速度是________。任何惯性系时间和空间绝对时间绝对空间u=u′+v3.寻找“以太”——迈克尔孙实验：
(1)19世纪的科学家认为，波是振动在_____中的传播，光速c
是“以太”介质振动的传播速度。“以太”是_________的，
可看成绝对静止的参考系，光在_________中朝各个方向的传
播速度皆为c。
(2)物理学家们设计了各种检验“以太”存在的实验，其中最
著名的是______________实验。介质绝对静止“以太”迈克尔孙-莫雷二、爱因斯坦眼中的世界
1.狭义相对论的两条基本原理：
(1)狭义相对性原理：物理规律(力学、电磁学、光学等)对于
所有惯性系都具有___________。
(2)光速不变原理：在任何惯性系中，光在真空中的速度
______，与光源的运动和观测者的运动无关。相同的形式恒为c2.狭义相对论中的时间和空间：
(1)根据狭义相对论，“同时”不再具有绝对的意义，“同时”
是_______。运动的时钟会变慢，这就是_________效应。
(2)根据狭义相对论，长度与观察者的_________有关，运动的
物体在运动方向上发生了_____，这就是_________效应。相对的时间延缓运动状态收缩长度缩短3.相对论的速度叠加：
(1)狭义相对论的速度叠加公式为 由该公式可推
知，光速在静止参考系和运动参考系中具有相同的数值是__。
(2)在低速世界，物体的运动可以用_________来描述，而在高
速世界，物体的运动必须用_______来描述。c经典力学相对论【思考辨析】
1.判断正误：
(1)牛顿定律在任何参考系中都成立。　(　　)
(2)经典物理学认为，时间和空间可以脱离物质而存在。
(　　)
(3)迈克尔孙-莫雷实验是没有其他目的的干涉实验。　(　　)
(4)狭义相对论认为，物理规律对于所有惯性系都具有相同的形式。　(　　)
(5)按照速度叠加，物体的速度可以超过光的速度。(　　) 提示：(1)×。牛顿定律应是在惯性系中都成立。
(2)√。经典物理理论认为时间和空间是绝对的，可以脱离物质而存在。
(3)×。迈克尔孙-莫雷实验的目的是利用干涉原理来检验绝对静止的参考系是否存在。
(4)√。狭义相对论认为，物理规律对于所有惯性系都具有相同的形式。
(5)×。在高速世界，物体的运动必须用相对论来描述，相对论中光速是最大速度。 2.问题思考：
(1)爱因斯坦的相对论推翻了牛顿的经典物理理论，这种说法正确吗?
提示：这种说法是错误的。经典理论适用于低速、宏观状态，而相对论不仅在低速、宏观状态，而且在高速、微观世界同样是适用的，应该说爱因斯坦的相对论更加完善了牛顿的经典物理理论。
(2)为什么“超光速”不存在?
提示：按照相对论的速度叠加公式，光速为最大速度，不可能存在超光速。一、经典的相对性原理
1.惯性系和非惯性系：
(1)牛顿运动定律能够成立的参考系称为惯性系，相对于这个惯性系做匀速运动的另一个参考系也是惯性系。
(2)牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系。 2.绝对时空观：
在经典力学里，时间与空间不会随参考系不同而变化，也就是说时间和空间是绝对的。
(1)绝对时间：两个同时发生的事件，不论是静止参考系中的观测者还是匀速直线运动参考系中的观测者，他们测得这两个事件发生的时刻都是相同的。某事件经历的时间不会因参考系不同而不同。可见，“同时”是绝对的，时间也是绝对的，时间永远均匀地流逝着，与物质无关，与运动无关。(2)绝对空间：宇宙中存在一个绝对静止的惯性参考系，力学规律首先应当能在这个参考系中准确地陈述，这个绝对静止的惯性系与时间无关，永恒不变，它可以脱离物质独立存在。这就是绝对空间概念。3.迈克尔孙-莫雷实验：
(1)实验背景
根据麦克斯韦的电磁场理论可以直接得到真空中电磁波的速度，并不需要初始条件，也就是说，“电磁波的速度是c”，这本身就是电磁规律的一部分，而不是电磁规律应用于某个具体事物的结论。于是，问题出现了：麦克斯韦的电磁场理论相对于哪个参考系成立?如果它相对参考系S是正确的，另外还有一个参考系S′，S′相对于S以速度v运动，那么光相对于S′的速度应该是(c-v)而不是c，好像电磁规律不是对任何惯性系都一样。(2)实验结论
“以太”是不存在的。 【学而后思】
(1)在经典力学中，为什么力学规律在任何惯性系中的表达形式都相同?
提示：在经典力学中，时间与空间不随参考系的不同而改变，也就是说时间和空间是绝对的。
(2)迈克尔孙-莫雷实验说明了什么?
提示：不论光源与观察者做怎样的相对运动，光速都是一样的。 【典例1】如图所示，在列车车厢的光滑水平面上有一质量为m=5kg的小球，正随车厢一起以20m/s的速度匀速前进。现在给小球一个水平向前的F=5N的拉力作用，求经10s时间，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?【解题探究】(1)选择不同的参考系，对观察结果有什么影响?
提示：选择不同的参考系，其观察结果可能不一样。
(2)如何求解地面上观察者看到小球的速度是多少?
提示：根据速度的叠加原理和牛顿第二定律可以解决地面上观察者看到小球的速度是多少。【标准解答】对车上的观察者：
小球的初速度为0，加速度 10 s末小球的速度
v1=at=10 m/s。
对地上的观察者：
方法一：小球的初速度v0=20 m/s，
加速度仍为
10 s末小球的速度v2=v0+at=30 m/s。
方法二：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【总结提升】经典力学的应用技巧
(1)时间与空间是绝对的，不随参考系的变化而变化，并且时间与空间相互独立互不影响。
(2)当速度出现叠加时，满足速度叠加原理。【变式训练】下列关于经典力学的时空观，正确的是　(　　)
A.经典力学的时空观中，“同时”是绝对的，即在一个参考系中的观察者在某一时刻观察到的两个事件，对另一参考系中的观察者来说也是同时发生的
B.在经典力学的时空观中，时间间隔是绝对的，即任何事件(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，而与参考系的选取无关
C.在经典力学的时空观中，空间距离是绝对的，即如果各个参考系中用来测量长度的标准相同，那么空间两点距离是绝对不变的量值，而与参考系的选取无关
D.经典力学的时空观就是一个绝对的时空观，时间和空间与物体的运动无关【解析】选A、B、C、D。经典的时空观认为，时间、空间均是绝对的，与物体的运动状态无关。“同时”也是绝对的，即在一个参考系中同时发生的两个事件，在不同参考系中观察也是同时发生的，故A、B、C、D均正确。【变式备选】下列说法中正确的是　(　　)
A.对同一物体的运动，选择的参考系不同，观察的结果可能不同
B.应用牛顿运动定律时，参考系的选取可以是任意的
C.相对地面静止或匀速直线运动的参考系是惯性系
D.牛顿运动定律是普遍适用的
【解析】选A、C。对同一物体的运动，参考系的选择不同，观察的结果可能不同，故A正确；牛顿运动定律是有适用范围的，只适用于惯性参考系，故B、D错；相对于惯性系做匀速直线运动的参考系都是惯性系，故C对。 二、爱因斯坦眼中的世界
1.狭义相对论：
(1)经典的相对性原理不能解释光速问题，从迈克尔孙-莫雷实验的“零结果”出发，爱因斯坦提出了狭义相对性原理和光速不变原理，建立了狭义相对论。
(2)“同时”的相对性、运动的时钟变慢、长度的收缩等，是狭义相对论关于时空理论的重要结论。这些效应只有在高速运动的情况下才会有明显的观察结果，在低速世界(v?c)中这些效应可以忽略。
(3)根据相对论的时空观可知，时间和空间不是脱离物质而存在的，时间和空间随物体运动速度的变化而变化，具有相对性。2.“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就不一定是同时发生的。3.时间间隔的相对性：
时间间隔的相对性公式 中，Δt′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Δt是相对于事件发生地以速度v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。也就是说：在相对运动
的参考系中观测，事件变化过程的时间间隔变大了，这叫做狭
义相对论中的时间膨胀。4.长度的相对性：
狭义相对论中的长度公式 中，l0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运动时，静止的观察者测量的长度。还可以认为
杆不动，而观察者沿杆的长度方向以速度v运动时测出的杆的
长度。 5.相对论速度叠加原理：
在狭义相对论中，速度并不是由经典力学的速度叠加公式计
算的。在一维的情况下，狭义相对论的速度叠加公式为
式中u是物体相对静止参考系的速度，v是运动
参考系相对静止参考系的速度，u′是物体相对运动参考系的
速度。当v?c时， 相对论的速度叠加公式简化为
经典力学的速度叠加公式。【学而后思】
(1)如何理解“同时”是相对的?
提示：两个事件是否“同时”，与观察者所在的参考系有关，所以“同时”是相对的。
(2)我们平常根本观察不到狭义相对论的结论，是不是狭义相对论的结论都是主观臆造的?
提示：狭义相对论结论的正确性已被实验所证实，狭义相对论的结论都是高速世界中必然发生的现象，之所以我们平时观察不到这些现象，是因为我们生活在低速运动的世界里。 【典例2】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？
【解题探究】(1)当物体低速运动时，长度是否不变？
提示：当物体低速运动时，长度缩短效应不明显，物体的长度
缩短效应可以忽略不计。
(2)当物体高速运动时，如何计算物体的长度？
提示：利用相对论长度缩短效应公式 计算。 【标准解答】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l=
并代入相应的数据，解得：
答案：100 km 80 km【总结提升】应用相对论公式解题时应注意的问题
(1)Δt′是原时间，是参考系自身的钟，相对参考系本身静止，如火箭上的激光钟就是火箭的固有钟，坐在钟边上的人测量的时间是Δt′；Δt是相对时间，是相对参考系运动的时钟时间，如相对地面参考系运动的火箭上的激光钟。所以，在陆地上的人测量的激光钟的时间是Δt。(2)长度的收缩也一样，l0是原长，是相对参考系静止的测量长度，比如相对地面静止的物体在地面参考系中的长度就是原长；而在与地面存在相对运动的火车上测量的地面静止物体的长度就是相对长度l。
(3)速度变换关键是分清公式右边的坐标系相对公式左边的参考系的运动方向，沿坐标轴正向，则公式用加号，即+u；而沿负向，则用减号，即-u。【变式训练】π+介子是一种不稳定粒子，平均寿命是2.6×10-8s(在自己的参考系中测得)
(1)如果此粒子相对于实验室以0.8c的速度运动，那么在实验室坐标系中测量的π+介子寿命多长?
(2)π+介子在衰变前运动了多长距离?【解析】(1)π+介子在实验室中的寿命为
(2)该粒子在衰变前运动的距离为
s=vΔt=0.8×3×108×4.3×10-8 m=10.32 m。
答案：(1)4.3×10-8 s (2)10.32 m【典例】一粒子以0.05c的速度相对实验室参考系运动，此粒子衰变时发射一个电子，电子相对于粒子的速度为0.8c，电子的衰变方向与粒子运动方向相同。求电子相对于实验室参考系的速度。【标准解答】已知v=0.05c，u′=0.8c，由相对论速度叠加公
式得：
答案：0.817c关于狭义相对论中的时间与空间认识的四个误区
误区1：误认为“同时”是绝对的
产生误区的原因是对于经典的时间观念根深蒂固，根据狭义相对论，不同惯性参考系的观察者对两个事件是否“同时”发生的回答可能是不同的，这与观察者所在的参考系的运动有关，即“同时”是相对的。误区2：误认为物体的长度是固定不变的
产生误区的原因是对于经典的长度观念根深蒂固，在狭义相对运动时空观中，长度也与观察者的运动状态有关。
误区3：误认为物体的长度缩短时各个方向都缩短
产生误区的原因是没有理解好长度缩短效应的本质，狭义相对论中的长度缩短只发生在运动方向上，在与运动垂直的方向上没有长度缩短效应，在与运动垂直的方向上保持物体的固有长度。误区4：误认为长度收缩与物体的内部结构有关
产生误区的原因是没有理解好长度收缩的原因，空间两点间的距离与观测者的运动状态有关，不同的观测者将会看到空间两点间的距离是不同的，与物体的内部结构毫无关系。【典例】假设有一列很长的火车沿平直轨道飞快匀速前进，车厢中央有一个光源发出了一个闪光，闪光照到了车厢的前后壁，根据狭义相对论原理，下列说法中正确的是　(　　)
A.地面上的人认为闪光是同时到达两壁的
B.车厢里的人认为闪光是同时到达两壁的
C.地面上的人认为闪光先到达后壁
D.车厢里的人认为闪光先到达后壁【解析】通过以下表格进行逐项分析：