第1节 牛顿眼中的世界
第2节 爱因斯坦眼中的世界
牛 顿 眼 中 的 世 界
[先填空]
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绝对静止状态，还是做匀速直线运动．也就是说，不可能通过力学实验测得惯性系的绝对速度．这表明，力学规律在任何惯性系中都是相同的．这个结论称为经典力学的相对性原理．
2．绝对时空观
(1)在牛顿的世界里，力学规律之所以在任何惯性系中表达形式都相同，其根本原因是时间与空间不会随参考系不同而变化，也就是说时间和空间是绝对的，这就是绝对时空观．
(2)绝对时间和绝对空间是经典物理学的支柱．
3．寻找“以太”——迈克尔孙实验
(1)19世纪的科学家认为，波是振动在介质中的传播，光速c是以太介质振动的传播速度．“以太”是绝对静止的，可看成是绝对静止的参考系，光在“以太”中朝各个方向的传播速度皆为c.
(2)物理学家们设计了多种检验“以太”存在的实验，其中最著名的是迈克尔孙—莫雷实验．
[再判断]
1．牛顿定律在惯性系中都成立．(√)
2．经典物理学认为，时间和空间是不能脱离物质而存在的．(×)
3．迈克尔孙——莫雷实验寻找“以太”取得了成功．(×)
[后思考]
牛顿定律在任何参考系中都成立吗？
【提示】 不一定．在惯性系中都成立，在非惯性系中牛顿运动定律不成立．
[核心点击]
1．惯性系和非惯性系：牛顿运动定律能够成立的参考系为惯性系，相对于这个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系．牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系．
2．经典力学相对性原理：力学规律在任何惯性系中都是相同的．
3．相对性原理与电磁规律：根据麦克斯韦的电磁理论，真空中的光速在任何惯性系中都是一个常量，但是按照伽利略的相对性原理，在不同惯性系中的光速应是各不相同的．迈克尔孙——莫雷实验证明：不论光源与观察者做怎样的相对运动，光速都是相同的．
1．下列说法正确的是( )
A．物理基本规律在所有惯性系中都是等价的
B．在真空中，光的速度与光源的运动状态无关
C．在不同的惯性系中，在不同方向上光速大小不同
D．在所有惯性系中，光在真空中沿任何方向传播的速度都相同
E．经典力学规律适用于高速运动的物体
【解析】 根据相对性原理知，物理规律在所有惯性系中都是等价的，A正确；根据光速不变原理知，B、D正确；根据迈克尔孙——莫雷实验结果，C错误；经典力学只适用于低速和宏观物体，E错误．
【答案】 ABD
2.如图6-1-1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，现在给小球一个水平向前的F＝5 N的拉力作用，求经10 s时，车厢里的观察者和地面的观察者看到小球的速度分别是多少？
图6-1-1
【解析】 对于车上的观察者：
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.
对于地上的观察者：
方法一：小球初速度v0＝20 m/s 加速度a＝＝1 m/s2.
10 s末速度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
惯性系与非惯性系的区分
1．牛顿运动定律能够成立的参考系叫惯性系．以匀速直线运动的汽车、轮船等作为参考系就是惯性系．
2．牛顿运动定律不能成立的参考系称为非惯性系．例如，我们坐在加速的车厢里时，以车厢为参考系观察路边的树木、房屋，它们向后方加速运动，根据牛顿运动定律，房屋树木应该受到不为零的合外力作用，但事实上却没有，也就是说牛顿运动定律不成立．这里加速的车厢就是非惯性系．
爱 因 斯 坦 眼 中 的 世 界
[先填空]
1．狭义相对论的两条基本原理
(1)狭义相对性原理：物理规律对于所有惯性系都具有相同的形式．
(2)光速不变原理：在任何惯性系中，光在真空中的速度恒为c，与光源的运动和观测者的运动无关．
2．狭义相对论中的时间与空间
(1)根据狭义相对论，“同时”不再具有绝对的意义，“同时”是相对的．运动的时钟会变慢，这就是时间延缓效应．
(2)根据狭义相对论，长度与观察者的运动状态有关，运动的物体在运动方向上发生了收缩，这就是长度缩短效应．
3．相对论的速度叠加
(1)狭义相对论的速度叠加公式为u＝，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．
(2)在低速世界中，物体的运动可以用经典力学来描述，而在高速世界中，物体的运动必须用相对论来描述．
[再判断]
1．一切客观真实的物理规律在任何惯性系中的表述形式应该完全相同．(√)
2．在不同的惯性系中，在不同的方向上，光的传播速度大小是不同的．(×)
3．在高速世界中，运动的时钟会变慢，而在低速世界中这种效应可以忽略．(√)
[后思考]
为什么在日常生活中我们觉察不到参考系中同时的相对性呢？在什么情况下，相对论效应比较明显？
【提示】 在平时生活中，物体运动的速度都非常小，与光速c相比均可忽略，因此我们觉察不到同时的相对性，相对论的所有效应都不明显，但在参考系速度接近光速(一般都需0.9c以上)时，相对论效应就明显表现出来了．
[核心点击]
几个主要结论
相对事件发生地(或物体)静止的参考系中观察
相对事件发生地(或物体)运动的参考系中观察
“同时”的相对性
事件同时但不同地点发生
事件不同时发生
时间间隔的相对性
两个事件发生的时间间隔为Δt′
两事件发生的时间间隔变大Δt＝
长度的相对性
杆的长度为l0
若参考系沿杆的方向运动，观察到的杆的长度减小l＝l0
3．关于狭义相对论的两个假设，下列说法正确的是( )
A．在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的
B．在不同的惯性参考系中，力学规律都一样，电磁规律不一样
C．真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的
D．真空中的光速在不同的惯性参考系中是有差别的
E．光速的大小与光源的运动和观察者的运动无关
【解析】 狭义相对论的基本假设有两个，分别是爱因斯坦相对性原理和光速不变原理．选项A、C正确．根据光速不变原理，E正确．
【答案】 ACE
4．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l＝l0代入相应的数据解得：l＝100× km＝80 km.
【答案】 100 km 80 km
应用相对论“效应”解题的一般步骤
1．应该通过审题确定研究对象及研究对象的运动速度．
2．明确求解的问题，即明确求解静止参考系中的观察结果，还是运动参考系中的观察结果．
3．应用“尺缩效应公式”或“时间延缓效应公式”进行计算．
第1节 牛顿眼中的世界
第2节 爱因斯坦眼中的世界
牛 顿 眼 中 的 世 界
[先填空]
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绝对静止状态，还是做匀速直线运动．也就是说，不可能通过力学实验测得惯性系的绝对速度．这表明，力学规律在任何惯性系中都是相同的．这个结论称为经典力学的相对性原理．
2．绝对时空观
(1)在牛顿的世界里，力学规律之所以在任何惯性系中表达形式都相同，其根本原因是时间与空间不会随参考系不同而变化，也就是说时间和空间是绝对的，这就是绝对时空观．
(2)绝对时间和绝对空间是经典物理学的支柱．
3．寻找“以太”——迈克尔孙实验
(1)19世纪的科学家认为，波是振动在介质中的传播，光速c是以太介质振动的传播速度．“以太”是绝对静止的，可看成是绝对静止的参考系，光在“以太”中朝各个方向的传播速度皆为c.
(2)物理学家们设计了多种检验“以太”存在的实验，其中最著名的是迈克尔孙—莫雷实验．
[再判断]
1．牛顿定律在惯性系中都成立．(√)
2．经典物理学认为，时间和空间是不能脱离物质而存在的．(×)
3．迈克尔孙——莫雷实验寻找“以太”取得了成功．(×)
[后思考]
牛顿定律在任何参考系中都成立吗？
【提示】 不一定．在惯性系中都成立，在非惯性系中牛顿运动定律不成立．
[核心点击]
1．惯性系和非惯性系：牛顿运动定律能够成立的参考系为惯性系，相对于这个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系．牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系．
2．经典力学相对性原理：力学规律在任何惯性系中都是相同的．
3．相对性原理与电磁规律：根据麦克斯韦的电磁理论，真空中的光速在任何惯性系中都是一个常量，但是按照伽利略的相对性原理，在不同惯性系中的光速应是各不相同的．迈克尔孙——莫雷实验证明：不论光源与观察者做怎样的相对运动，光速都是相同的．
1．下列说法正确的是( )
A．物理基本规律在所有惯性系中都是等价的
B．在真空中，光的速度与光源的运动状态无关
C．在不同的惯性系中，在不同方向上光速大小不同
D．在所有惯性系中，光在真空中沿任何方向传播的速度都相同
E．经典力学规律适用于高速运动的物体
【解析】 根据相对性原理知，物理规律在所有惯性系中都是等价的，A正确；根据光速不变原理知，B、D正确；根据迈克尔孙——莫雷实验结果，C错误；经典力学只适用于低速和宏观物体，E错误．
【答案】 ABD
2.如图6-1-1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，现在给小球一个水平向前的F＝5 N的拉力作用，求经10 s时，车厢里的观察者和地面的观察者看到小球的速度分别是多少？
图6-1-1
【解析】 对于车上的观察者：
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.
对于地上的观察者：
方法一：小球初速度v0＝20 m/s 加速度a＝＝1 m/s2.
10 s末速度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
惯性系与非惯性系的区分
1．牛顿运动定律能够成立的参考系叫惯性系．以匀速直线运动的汽车、轮船等作为参考系就是惯性系．
2．牛顿运动定律不能成立的参考系称为非惯性系．例如，我们坐在加速的车厢里时，以车厢为参考系观察路边的树木、房屋，它们向后方加速运动，根据牛顿运动定律，房屋树木应该受到不为零的合外力作用，但事实上却没有，也就是说牛顿运动定律不成立．这里加速的车厢就是非惯性系．
爱 因 斯 坦 眼 中 的 世 界
[先填空]
1．狭义相对论的两条基本原理
(1)狭义相对性原理：物理规律对于所有惯性系都具有相同的形式．
(2)光速不变原理：在任何惯性系中，光在真空中的速度恒为c，与光源的运动和观测者的运动无关．
2．狭义相对论中的时间与空间
(1)根据狭义相对论，“同时”不再具有绝对的意义，“同时”是相对的．运动的时钟会变慢，这就是时间延缓效应．
(2)根据狭义相对论，长度与观察者的运动状态有关，运动的物体在运动方向上发生了收缩，这就是长度缩短效应．
3．相对论的速度叠加
(1)狭义相对论的速度叠加公式为u＝，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．
(2)在低速世界中，物体的运动可以用经典力学来描述，而在高速世界中，物体的运动必须用相对论来描述．
[再判断]
1．一切客观真实的物理规律在任何惯性系中的表述形式应该完全相同．(√)
2．在不同的惯性系中，在不同的方向上，光的传播速度大小是不同的．(×)
3．在高速世界中，运动的时钟会变慢，而在低速世界中这种效应可以忽略．(√)
[后思考]
为什么在日常生活中我们觉察不到参考系中同时的相对性呢？在什么情况下，相对论效应比较明显？
【提示】 在平时生活中，物体运动的速度都非常小，与光速c相比均可忽略，因此我们觉察不到同时的相对性，相对论的所有效应都不明显，但在参考系速度接近光速(一般都需0.9c以上)时，相对论效应就明显表现出来了．
[核心点击]
几个主要结论
相对事件发生地(或物体)静止的参考系中观察
相对事件发生地(或物体)运动的参考系中观察
“同时”的相对性
事件同时但不同地点发生
事件不同时发生
时间间隔的相对性
两个事件发生的时间间隔为Δt′
两事件发生的时间间隔变大Δt＝
长度的相对性
杆的长度为l0
若参考系沿杆的方向运动，观察到的杆的长度减小l＝l0
3．关于狭义相对论的两个假设，下列说法正确的是( )
A．在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的
B．在不同的惯性参考系中，力学规律都一样，电磁规律不一样
C．真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的
D．真空中的光速在不同的惯性参考系中是有差别的
E．光速的大小与光源的运动和观察者的运动无关
【解析】 狭义相对论的基本假设有两个，分别是爱因斯坦相对性原理和光速不变原理．选项A、C正确．根据光速不变原理，E正确．
【答案】 ACE
4．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l＝l0代入相应的数据解得：l＝100× km＝80 km.
【答案】 100 km 80 km
应用相对论“效应”解题的一般步骤
1．应该通过审题确定研究对象及研究对象的运动速度．
2．明确求解的问题，即明确求解静止参考系中的观察结果，还是运动参考系中的观察结果．
3．应用“尺缩效应公式”或“时间延缓效应公式”进行计算．
学业分层测评(十五)
(建议用时：45分钟)
[学业达标]
1．下列说法中正确的是( )
A．研究铅球的运动，可以用牛顿定律和运动学公式
B．研究电子的运动可用牛顿定律和运动学公式
C．研究电子运动要用狭义相对性原理，研究铅球运动可用牛顿运动定律
D．研究铅球和电子的运动都要用牛顿运动定律
E．牛顿定律只能用来处理低速、宏观物体的运动
【解析】 以牛顿运动定律为基础的经典物理学处理低速、宏观物体的运动是相当完美的，但对于高速、微观的运动就无能为力了．显然，铅球的运动可以用牛顿定律来解决；电子的运动则不能用牛顿定律来解决，而要用狭义相对论原理来解决．故A、C正确，B、D错误．牛顿定律只适用于低速宏观物理的运动，E正确．
【答案】 ACE
2．如果牛顿运动定律在参考系A中成立，而参考系B相对于A做匀速直线运动，则在参考系B中( )
A．牛顿运动定律也同样成立
B．牛顿运动定律不能成立
C．A和B两个参考系中，一切物理定律都是相同的
D．参考系B也是惯性参考系
E．力学规律在不同的惯性系中是不同的
【解析】 参考系A是惯性参考系，而参考系B相对于A做匀速直线运动，因而参考系B也是惯性参考系，D正确；根据狭义相对论原理知，在不同的惯性参考系中一切物理定律都是相同的，A、C正确，B、E错误．
【答案】 ACD
3．在狭义相对论中，下列说法正确的是( )
A．所有惯性系中基本规律都是等价的
B．在真空中，光的速度与光的频率、光源的运动状态无关
C．在不同惯性系中，光在真空中沿不同方向传播速度不相同
D．质量、长度、时间的测量结果不随物体与观察者的相对状态的改变而改变
E．时间与物体的运动状态有关
【解析】 根据相对论的观点：在不同的惯性系中，一切物理规律都是相同的；且在一切惯性系中，光在真空中的传播速度都相等；质量、长度、时间的测量结果会随物体与观察者的相对状态的改变而改变．故正确选项为A、B.在狭义相对论中，时间与物体的运动状态有关，E正确．
【答案】 ABE
4．判断下面说法中正确的是( )
A．“嫦娥三号”飞向月球的过程中从卫星上向前发出的光，对地速度一定比c大
B．“嫦娥三号”飞向月球的过程中从卫星上向后发出的光，对地速度一定比c小
C．“嫦娥三号”飞向月球的过程中从卫星上沿垂直于速度方向发出的光对地速度为c
D．“嫦娥三号”飞向月球的过程中从卫星上向任一方向发出的光对地速度都为c
E．“嫦娥三号”发出光的速度与其运动状态无关
【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卫星的速度为c，相对于地面的速度也为c，对不同的惯性系是相同的，因此C、D、E正确，A、B错误．
【答案】 CDE
5．在地面附近有一高速飞过的火箭，关于地面上的人和火箭中的人观察到的现象中正确的是( )
A．地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变快了
B．地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变慢了
C．火箭上的人观察到火箭的长度和时间进程均无变化
D．火箭上的人观察到地面物体长度变小，时间进程变慢了
E．火箭上的人观察到地面物体长度变大，时间进程变慢了
【解析】 由表达式Δt＝，可知Δt＞Δt′，一个相对我们做高速运动的惯性系中发生的物理过程，在我们看来，它所经历的时间比在这个惯性系中直接观察到的时间长，惯性系速度越大，我们观察到的物理过程所经历的时间越长．
【答案】 BCD
6．宇宙飞船相对于地面以速度v做匀速直线飞行，某一时刻飞船头部的宇航员向飞船尾部发出一个光信号，经过Δt(飞船上的钟)时间后，被尾部的接收器收到，则由此可知飞船的固有长度为________．
【解析】 根据光速不变原理及运动学公式，飞船的长度为速度与时间之积．
【答案】 c·Δt
7．如图6-1-2所示，a、b、c为三个完全相同的时钟，a放在水平地面上，b、c分别放在以速度vb、vc向同一方向飞行的两火箭上，且vb＜vc，则地面上的观察者认为走得最慢的钟为________．
图6-1-2
【解析】 根据公式Δt＝可知，相对于观察者的速度v越大，其上的时间进程越慢，由vc＞vb＞va＝0知c钟走得最慢．
【答案】 c
[能力提升]
8．一张正方形的宣传画，正贴在铁路旁的墙上，一高速列车驶过时，在车上的司机看来这张宣传画变成了什么样子？
【解析】 取列车为惯性系，宣传画相对于列车高速运动，根据尺缩效应，宣传画在运动方向上将变窄，但在垂直于运动方向上没有发生变化．
【答案】 宣传画变成了长方形，此画的高度不变，宽度变窄了
10．如图6-1-3所示，两艘飞船A、B沿同一直线同向飞行，相对地面的速度均为v(v接近光速c)．地面上测得它们相距为L，则A测得两飞船间的距离________(选填“大于”“等于”或“小于”)L.当B向A发出一光信号，A测得该信号的速度为________．
图6-1-3
【解析】 根据相对论原理，当物体运动速度接近光速时，空间距离会变短，A与B是相对静止的，但相对于地球却以接近光速的速度在飞行，故在地面上测得的距离会比较短，而在飞船上测得的距离会比较长．根据相对论的光速不变原理，A测得信号的速度为光速．
【答案】 大于 光速
11．有一太空船以0.8c的速度飞越“月球太空站”．一科学家在月球上量得运动中的太空船长度为200 m，此太空船最后在月球上登陆，此科学家再度测量静止的太空船的长度，他测量的结果如何？
【解析】 在月球上测得运动的飞船的长度为l，静止飞船的长度为l0，依据狭义相对论的长度收缩效应关系式，
有l＝l0
所以l0＝＝m≈333 m.
【答案】 333 m
12．一艘宇宙飞船的船身长度为L0＝90 m，相对地面以u＝0.8c的速度在一观测站的上空飞过．
(1)观测站测得飞船的船身通过观测站的时间间隔是多少？
(2)航天员测得船自身通过观测站的时间间隔是多少？
【解析】 (1)观测站测得船身的长度为L＝L0＝90 m＝54 m，通过观测站的时间间隔为Δt＝＝＝2.25×10－7 s.
(2)航天员测得飞船船身通过观测站的时间间隔为Δt′＝＝＝3.75×10－7 s.
【答案】 (1)2.25×10－7 s (2)3.75×10－7 s
课件24张PPT。知识点一
知识点二学业分层测评牛 顿 眼 中 的 世 界绝对静止状态 匀速 直线运动 绝对速度 相同的 任何惯性 时间 空间 时间和空间 绝对时间 绝对空间 介质 以太 绝对静止 以太 c 以太 √ × × 爱 因 斯 坦 眼 中 的 世 界相同的形式 恒为c 相对的 慢 运动状态 收缩 相同 经典力学 相对论 √ × √
