1 相对论的诞生
2 时间和空间的相对性
[学习目标] 1.知道经典的相对性原理，能说出狭义相对论的实验基础和它的两个基本假设.2.能说出狭义相对论的几个主要结论．(重点)3.了解经典时空观与相对论时空观的主要区别，体会相对论的建立对人类认识世界的影响．(难点)
一、相对论的诞生
1．经典的相对性原理
(1)表述一：力学规律在任何惯性系中都是相同的．
(2)表述二：在一个惯性参考系内进行的任何力学实验都不能判断这个惯性参考系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动．
(3)表述三：任何惯性参考系都是平权的．
2．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可能不是同时的．
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)相对论的时空观：“长度”也具有相对性，一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比静止长度小，但在垂直于杆的运动方向上，杆的长度没有变化．
(3)相对长度公式：设相对于杆静止的观察者认为杆的长度为l0，与杆有相对运动的人认为杆的长度为l，杆相对于观察者的速度为v，则l、l0、v的关系是：l＝l0.
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)相对论的时空观：某两个事件，在不同的惯性参考系中观察，它们的时间间隔是不同的，惯性系速度越大，惯性系中的时间进程进行得越慢．非但如此，惯性系中的一切物理、化学过程和生命过程都变慢了．
(3)相对时间间隔公式：设Δτ表示静止的惯性系中观测的时间间隔，Δt表示以v高速运动的参考系中观察同样两事件的时间间隔，则它们的关系是：Δt＝.
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(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)根据相对论的时空观，“同时”具有相对性． (√)
(4)相对论时空观认为，运动的杆比静止的杆长度变大． (×)
(5)高速飞行的火箭中的时钟要变慢． (√)
2．下列关于狭义相对性原理的说法中不正确的是( )
A．狭义相对性原理是指力学规律在一切参考系中都成立
B．狭义相对性原理是指一切物理规律在一切参考系中都成立
C．狭义相对性原理是指一切物理规律在所有惯性系中都成立
D．狭义相对性原理与伽利略相对性原理没有区别
E．相对性原理对一切自然规律都适用
ABD [根据狭义相对性原理的内容，在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的．一定要注意它和伽利略相对性原理的区别，即狭义相对性原理中的“规律”是一切物理规律，而经典相对性原理中的“规律”只是指经典物理学的规律，范围要小许多．]
3.假设甲在接近光速的火车上看地面上乙手中沿火车前进方向放置的直尺，同时地面上的乙看甲手中沿火车前进方向放置的直尺，则下列说法中正确的是( )
A．甲看到乙手中的直尺长度比乙看到自己手中的直尺长度大
B．甲看到乙手中的直尺长度比乙看到自己手中的直尺长度小
C．乙看到甲手中的直尺长度比甲看到自己手中的直尺长度大
D．乙看到甲手中的直尺长度比甲看到自己手中的直尺长度小
BD [由l＝l0可知，运动的观察者观察静止的尺子和静止的观察者观察运动的尺子时，都出现尺缩效应，即都发现对方手中的尺子比自己手中的短，故B、D正确．]
相对论的诞生
1．惯性系和非惯性系
牛顿运动定律能够成立的参考系，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．伽利略相对性原理
力学规律在任何惯性系中都是相同的，即任何惯性参考系都是平权的．
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．迈克耳孙—莫雷实验证明：不论光源和观察者做怎样的相对运动，光速都是相同的．
4．迈克耳孙—莫雷实验
(1)实验背景：根据麦克斯韦的电磁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：麦克斯韦的电磁理论相对哪个参考系成立？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：不论光源与观察者做怎样的相对运动，光速都是一样的．
【例1】 如图所示，思考以下几个问题：(光速用c表示)
(1)若参考系O′相对于参考系O静止，人看到的光速应是多少？
(2)若参考系O′相对于参考系O以速度v向右运动，人看到的光速应是多少？
(3)若参考系O相对于参考系O′以速度v向左运动，人看到的光速又是多少？
[解析] 根据狭义相对论的光速不变原理：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．因此三种情况下，人观察到的光速都是c.
[答案] (1)c (2)c (3)c
(1)爱因斯坦提出的两条基本假设是相对论的基础，对同时的相对性等经典力学所无法解决的问题，应紧紧抓住两条基本假设这一关键点来解决．
(2)真空中对不同的惯性参考系来说，光速都是相同的．
(3)经典力学的结论是有一定局限性的，一般只适用于宏观物体的低速运动．
1．假设有一天某人坐在“神舟”号飞船上，以0.5c的速度遨游太空，当他打开一个光源时飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为________，飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为________，在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是________．
[解析] 根据狭义相对论的假设，真空中的光速相对于不同的惯性参考系是相同的，即在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c.
[答案] c c c
时间和空间的相对性
1.“动尺缩短”
狭义相对论中的长度公式l＝l0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．
2．“动钟变慢”
时间间隔的相对性公式
Δ t＝中，Δτ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，如果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．
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，即与物质的运动无关．
(2)狭义相对论时空观：空间和时间与物质运动状态有关．
【例2】 用相对论的观点判断，下列说法正确的是( )
A．时间是绝对的，空间是相对的
B．时间和空间都是绝对的，在任何参考系中一个事件发生的时间和一个物体的长度总不会改变
C．在地面上的人看来，高速运动的飞船中的时钟会变慢，但是飞船中的宇航员却看到时钟是准确的
D．在地面上的人看来，高速运动的飞船在运动方向上会变窄，而飞船中的宇航员却感觉到地面上的人看起来比飞船中的人扁一些
E．当物体运动的速度v?c时，“时间膨胀”和“长度收缩”效应可忽略不计
CDE [时间和空间都是相对的，故选项A、B的说法错误；根据“时间膨胀”和“长度收缩”效应，选项C、D的说法正确；当速度v?c时，1－≈1，所以“时间膨胀”和“长度收缩”效应可忽略不计，故选项E说法正确．]
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．
2．某宇航员要到离地球5光年的星球上去旅行，如果希望把这路程缩短为3光年，则他所乘飞船相对地球的速度为________．
[解析] 由l＝l0得，3＝5，解得v＝0.8c.
[答案] 0.8c
课 堂 小 结
知 识 脉 络
1.经典的相对性原理.
2.狭义相对论的两个基本假设.
3.狭义相对论关于时空相对性的主要结论.
4.经典时空观与相对论时空观的主要区别.
课件38张PPT。第十五章 相对论简介1 相对论的诞生
2 时间和空间的相对性相同的 惯性参考系 惯性参考系 平权 物理规律 真空中 不同的惯性参考系 同时 相对 可能不是同时 相对运动 相对性 小 没有变化 相同 不同 速度 时间进程 物理、化学过程和生命过程 √
√
√
×
√相对论的诞生时间和空间的相对性 点击右图进入…Thank you for watching !课时分层作业(二十)
(限时40分钟)
[基础达标练]
1．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．物体的位移、速度以及电场强度等物理量可能因所选择的参考系的不同而不同，但是它们所遵从的物理规律却是同样的
ACE [狭义相对论的两个假设分别是狭义相对性原理和光速不变原理，选项A、C、E正确．]
2．根据经典力学的相对性原理，下列结论正确的是( )
A．任何力学规律在惯性系中都是相同的
B．同一力学规律在不同的惯性系中可能不同
C．在一个惯性参考系里不能用力学实验判断该参考系是否在匀速运动
D．在一个惯性参考系里可以用力学实验判断该参考系是否在匀速运动
E．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
ACE [经典力学的相对性原理是力学规律在任何惯性系中都是相同的，故A、C、E正确，B、D错误．]
3．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，以下说法正确的是( )
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．火箭上的人看到地面上的物体长度变小，时间进程变慢了
E．火箭上的人观察到火箭的长度和时间进程均有变化
BCD [根据“尺缩效应”“动钟变慢”原理，地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变慢了，A错误，B正确；根据相对性，火箭上的人看到地面上的物体长度变小，时间进程变慢了，D正确；火箭上的人与火箭之间无相对运动，故火箭上的人观察到火箭的长度和时间进程均无变化，C正确，E错误．]
4．A、B两架飞机沿地面上一足球场的长轴方向在其上空高速飞过，且vA＞vB，对于在飞机上的人观察结果，下列说法正确的是( )
A．A飞机上的人观察到足球场的长度比B飞机上的人观察到的大
B．A飞机上的人观察到足球场的长度比B飞机上的人观察到的小
C．两飞机上的人观察到足球场的长度相同
D．两飞机上的人观察到足球场的宽度相同
E．A飞机上的人观察B飞机的长度和时间进程均有微小变化
BDE [由l＝l0(其中l0是相对足球场静止时的长度)，可以看出，速度越大，“动尺变短”的效应越明显，选项B正确；但是足球场的短轴与飞机速度方向垂直，所以两飞机上的人观察到足球场的宽度相同．因A、B两飞机有相对运动，所以D、E正确．]
5．如图所示，强强乘坐速度为0.9c(c为光速)的宇宙飞船追赶正前方的壮壮，壮壮的飞行速度为0.5c，强强向壮壮发出一束光进行联络，则壮壮观测到该光束的传播速度为________．
[解析] 由狭义相对论的基本假设：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．
[答案] c
6．人马星座α星是离太阳系最近的恒星，它距地球4.3×1016m.设有一宇宙飞船往返于地球和人马星座α星之间．若宇宙飞船的速度为0.999c，按地球上的时钟计算，飞船往返一次需多少时间？如以飞船上的时钟计算，往返一次的时间又为多少？
[解析] 以地球上的时钟计算Δt＝＝s≈2.87×108 s≈9年；若以飞船上的时钟计算：因为Δt＝，所以得Δt′＝Δt＝2.87×108×s≈1.28×107s≈0.4年．
[答案] 9年 0.4 年．
7．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
8．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
[能力提升练]
9．在某地发生两件事，静止位于该地的甲测得时间间隔为4 s，若相对甲做匀速直线运动的乙测得时间间隔为5 s，则乙相对于甲的运动速度是多少？
[解析] 由题意可知，Δt′＝4 s，Δt＝5 s，
由公式Δt＝得v＝c＝c.
[答案] c
10．如图所示，你站在水平木杆AB的中央附近，并且看到木杆落在地面上时是两端同时着地的，所以，你认为这木杆是平着落到了地面上；若此时飞飞小姐正以接近光速的速度从你前面掠过，她看到B端比A端先落地，因而她认为木杆是向右倾斜着落地的．她的看法是________的．(填“正确”或“错误”)．
[解析] 当飞飞小姐掠过木杆时，在她看来，木杆不仅在下落，而且还在朝她运动，正好像星体朝你的飞船运动一样．因此，在你看来同时发生的两个事件，在飞飞小姐看来首先在B端发生．到底在A和B处的两个事件是同时发生，还是在B处先发生？这一问题是没有意义的．因为运动是相对的，对运动的描述取决于选择的参考系．对于你来说木杆是平着下落的，对飞飞小姐来说木杆是向右斜着下落的，虽然难以置信，但你和她都是正确的．
[答案] 正确
11．带正电的π介子是一种不稳定的粒子，当它静止时，平均寿命为2.5×10－8s，然后就衰变为一个μ子和一个中微子．今有一束π介子，在实验室中测得它的速率为u＝0.99c，并测出它从产生到衰变通过的平均距离为52 m.
(1)问这些测量结果是否一致？
(2)计算相对于π介子静止的参考系中π介子的平均寿命是多少？
[解析] (1)根据时间间隔的相对性，当π介子以u＝0.99c的速率相对实验室运动时，在实验室中测得的平均寿命应为Δt＝＝ s≈1.8×10－7s.在实验室中测得π介子通过的平均距离约为d＝uΔt＝0.99×3.0×108×1.8×10－7 m≈53 m，考虑到实验误差，这一计算结果与测量结果一致．
(2)在相对π介子静止的参考系中观察，实验室的运动速率为u＝0.99c，而在实验室中测得π介子通过的距离为l0＝52 m，则在相对π介子静止的参考系中测得实验室通过的距离为l＝l0＝52× m＝7.3 m．实验室通过l所用的时间就是π介子从产生到衰变的时间，即π介子的平均寿命为Δt＝＝ s＝2.5×10－8 s.
[答案] (1)一致 (2)2.5×10－8 s
12．宇宙射线中有一种叫做μ子的粒子，在与μ子相对静止的惯性参考系中观测到，它平均经过2×10－6s(其固有寿命)就衰变为电子和中微子．但是，这种μ子在大气中运动的速度非常大，可以达到v＝2.994×108 m/s＝0.998c.请分析，μ子在大气中可以运动多远的距离？
[解析] 已知Δt′＝2×10－6s，v＝2.994×108 m/s.如果按照经典物理来看，μ子从产生到衰变的这段时间里平均走过的距离仅为l′＝2.994×108×2×10－6m≈600 m．根据狭义相对论，在地面的实验室中观测μ子的“运动寿命”为Δt＝＝ s≈3.16×10－5 s．因而μ子在大气中运动的距离应为l＝2.994×108×3.16×10－5m≈9 500 m.
[答案] 9 500 m
