5.1電磁場(chǎng)理論引發(fā)的怪異問(wèn)題5.2狹義相對(duì)論的基本原理學(xué)習(xí)目標(biāo) 1.理解伽利略相對(duì)性原理.2.了解狹義相對(duì)論的兩條基本公設(shè).3.由伽利略變換和洛倫茲變換體會(huì)經(jīng)典物理學(xué)的時(shí)空觀和狹義相對(duì)論的時(shí)空觀的不同.4.了解同時(shí)的相對(duì)性和相對(duì)論速度變換公式1邁克耳孫莫雷實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，光在任何方向上傳播時(shí)，相對(duì)于地球的速度都是相同的即光速c是不變的2伽利略相對(duì)性原理：對(duì)于力學(xué)規(guī)律來(lái)說(shuō)，一切慣性系都是等價(jià)的3狹義相對(duì)論的兩條公設(shè)為：愛(ài)因斯坦相對(duì)性原理和光速不變?cè)?同時(shí)的相對(duì)性經(jīng)典物理學(xué)家認(rèn)為同時(shí)是絕對(duì)的，與參考系無(wú)關(guān)，狹義相對(duì)論的時(shí)空觀認(rèn)為同時(shí)是相對(duì)的，即在一個(gè)慣性系中不同地點(diǎn)同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，在另一個(gè)慣性系中不一定是同時(shí)的5相對(duì)論速度變換公式若高速運(yùn)動(dòng)的飛船相對(duì)于地球的速度為v，飛船上的某物體以速度u沿著飛船前進(jìn)的方向相對(duì)飛船運(yùn)動(dòng)，那么物體相對(duì)于地球的速度u.一、電磁場(chǎng)理論引發(fā)的怪異問(wèn)題導(dǎo)學(xué)探究1舉例說(shuō)明電磁場(chǎng)理論與經(jīng)典物理學(xué)存在著尖銳的矛盾答案一輛車對(duì)地做勻速直線運(yùn)動(dòng)速度為v，若自車廂后壁發(fā)出一個(gè)閃光，按照經(jīng)典物理速度合成公式，這個(gè)閃光對(duì)地的速度為Vcv.但電磁場(chǎng)理論中光在真空中的傳播速度為c，并不涉及參考系問(wèn)題2邁克耳孫莫雷實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了什么？答案說(shuō)明光速c是不變的知識(shí)深化1按經(jīng)典物理速度合成公式，一個(gè)人在相對(duì)地面以速度v運(yùn)動(dòng)的車或船上，向前進(jìn)方向擲出一個(gè)相對(duì)于自己以速度u運(yùn)動(dòng)的球，則球相對(duì)地面的速度應(yīng)為Vuv.2對(duì)光的傳播應(yīng)用了經(jīng)典的物理速度合成公式后，得出的結(jié)果與電磁場(chǎng)理論中“光在真空中的傳播速度為c”產(chǎn)生了矛盾即經(jīng)典的速度合成公式對(duì)電磁學(xué)不適用3邁克耳孫莫雷實(shí)驗(yàn)說(shuō)明：光在任何方向上傳播時(shí)，相對(duì)地球的速度都是相同的也就是說(shuō)，地球相對(duì)于“以太”的速度v實(shí)際上為零，或者說(shuō)“以太”根本不存在光速c是不變的4伽利略相對(duì)性原理：對(duì)于力學(xué)規(guī)律來(lái)說(shuō)，一切慣性系都是等價(jià)的例1如圖1所示，在列車車廂的光滑水平底面上有一個(gè)質(zhì)量為m5 kg的小球，正隨車廂一起以20 m/s的速度勻速前進(jìn)現(xiàn)在給小球一個(gè)水平向前的F5 N的拉力作用，求經(jīng)10 s時(shí)，車廂里的觀察者和地面上的觀察者看到小球的速度分別是多少？圖1答案10 m/s30 m/s解析對(duì)車廂里的觀察者物體的初速度為0，加速度a1 m/s2經(jīng)10 s時(shí)，速度v1at10 m/s.對(duì)地面上的觀察者解法一物體初速度v020 m/s加速度相同a1 m/s2經(jīng)10 s時(shí)，速度v2v0at30 m/s.解法二根據(jù)速度合成法則v2v1v0(1020) m/s30 m/s.二、狹義相對(duì)論的兩條公設(shè)導(dǎo)學(xué)探究1在伽利略變換中，時(shí)間和空間是否有關(guān)系，它們與物體的運(yùn)動(dòng)有無(wú)關(guān)系？答案時(shí)間和空間是分離的時(shí)間尺度和空間尺度跟物體運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)，都是絕對(duì)的2面對(duì)電磁場(chǎng)理論與經(jīng)典物理學(xué)之間出現(xiàn)的矛盾，愛(ài)因斯坦對(duì)時(shí)間和空間又是怎樣理解的？答案愛(ài)因斯坦認(rèn)為，空間和時(shí)間在本質(zhì)上是統(tǒng)一的，空間和時(shí)間不是分離的知識(shí)深化狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本公設(shè)1愛(ài)因斯坦相對(duì)性原理：在所有相互做勻速直線運(yùn)動(dòng)的慣性參考系中，物理規(guī)律都是相同的2光速不變?cè)恚涸谒邢嗷プ鰟蛩僦本€運(yùn)動(dòng)的慣性參考系中，光在真空中的速度都是相等的例2考慮以下幾個(gè)問(wèn)題：(1)如圖2所示，參考系O相對(duì)于參考系O靜止時(shí)，人看到的光速應(yīng)是多少？圖2(2)參考系O相對(duì)于參考系O以速度v向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，人看到的光速應(yīng)是多少？(3)參考系O相對(duì)于參考系O以速度v向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，人看到的光速又是多少？答案(1)c(2)c(3)c解析光速不變?cè)碇傅氖钦婵罩械墓馑僭诓煌膽T性參考系中都是相同的故三種情況下人看到的光速都是c.三、洛倫茲變換、同時(shí)的相對(duì)性導(dǎo)學(xué)探究如圖3所示，一列火車沿平直軌道飛快地勻速行駛，車廂中央的光源發(fā)出了一個(gè)閃光，閃光照亮了車廂的前壁和后壁車上的人觀察到閃光同時(shí)照亮了前后壁嗎？地上的人怎么認(rèn)為？圖3答案車上的人認(rèn)為閃光同時(shí)照亮了前后壁，地上的人認(rèn)為先照亮后壁知識(shí)深化1洛倫茲變換2同時(shí)的相對(duì)性(1)經(jīng)典物理學(xué)家認(rèn)為：如果兩個(gè)事件在一個(gè)參考系中是同時(shí)發(fā)生的，那么在另一個(gè)參考系中觀察也一定是同時(shí)發(fā)生的即同時(shí)是絕對(duì)的，與所在的慣性參考系無(wú)關(guān)(2)狹義相對(duì)論的時(shí)空觀認(rèn)為：同時(shí)是相對(duì)的，即在一個(gè)慣性系中不同地點(diǎn)同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，在另一個(gè)慣性系中不一定是同時(shí)的，跟觀察者所選取的參考系有關(guān)延伸思考你能夠在vc時(shí)，由洛倫茲變換得到伽利略變換嗎？答案當(dāng)vc時(shí)，公式x中的很小近似為零，故xxvt；公式t中也近似為零，則tt.例3如圖4所示，沿平直鐵路線有間距相等的三座鐵塔A、B和C.假想有一列車沿AC方向以接近光速行駛，當(dāng)鐵塔B發(fā)出一個(gè)閃光，列車上的觀測(cè)者測(cè)得A、C兩鐵塔被照亮的順序是()圖4A同時(shí)被照亮BA先被照亮CC先被照亮 D無(wú)法判斷答案C解析列車上的觀察者看到的是由B發(fā)出后經(jīng)過(guò)A和C反射的光，由于列車在這段時(shí)間內(nèi)向C運(yùn)動(dòng)，靠近C而遠(yuǎn)離A，所以列車上的觀察者看到C先被照亮，故只有C正確四、相對(duì)論速度變換公式導(dǎo)學(xué)探究一列火車正以v50 m/s的速度高速行駛，列車內(nèi)一乘客以相對(duì)列車u5 m/s的速度向前跑，站臺(tái)上的觀察者測(cè)得該乘客的速度是uvu55 m/s.若列車的速度是0.9c，乘客的速度是0.5c，那么站臺(tái)上的觀察者測(cè)得該乘客的速度為0.9c0.5c1.4c嗎？答案不是知識(shí)深化相對(duì)論速度變換公式1公式：設(shè)高速行駛的火車的速度為v，車上的人相對(duì)火車以速度u運(yùn)動(dòng)，人相對(duì)地面的速度為u，則2結(jié)論：光速c是物體運(yùn)動(dòng)速度的極限，且相對(duì)任何參考系，光速都是不變的3理解：若vc，uc時(shí)，可忽略不計(jì)，即1±1，相對(duì)論速度合成公式可近似變?yōu)閡v±u.例4地球上一觀察者，看見(jiàn)一飛船A以速度2.5×108 m/s從他身邊飛過(guò)，另一飛船B以速度2.0×108 m/s跟隨A飛行求：(1)A上的乘客看到B的相對(duì)速度；(2)B上的乘客看到A的相對(duì)速度答案(1)1.125×108 m/s(2)1.125×108 m/s解析(1)A上的乘客看地面上的人以2.5×108 m/s向后運(yùn)動(dòng)地面上的人看B以2.0×108 m/s向前運(yùn)動(dòng)，則A上的乘客看到B的相對(duì)速度為u×108 m/s1.125×108 m/s.(2)B上的乘客看到A的相對(duì)速度為1.125×108 m/s.2狹義相對(duì)論的基本原理1通常我們把地球和相對(duì)于地面靜止或勻速運(yùn)動(dòng)的參考系看成慣性系，若以下列系統(tǒng)為參考系，則其中屬于非慣性系的有()A停在地面上的汽車B繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的飛船C在大海上勻速直線航行的輪船D以較大速度勻速運(yùn)動(dòng)的磁懸浮列車答案B解析由慣性系和非慣性系的概念可知選B.2關(guān)于狹義相對(duì)論，下列說(shuō)法不正確的是()A狹義相對(duì)論認(rèn)為在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的B狹義相對(duì)論認(rèn)為在一切慣性系中，光在真空中的速度都等于c，與光源的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)C狹義相對(duì)論只涉及無(wú)加速度運(yùn)動(dòng)的慣性系D狹義相對(duì)論任何情況下都適用答案D解析由狹義相對(duì)論原理可知D錯(cuò)誤3(多選)下列關(guān)于經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀，正確的是()A經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀中，同時(shí)是絕對(duì)的，即在一個(gè)參考系中的觀察者在某一時(shí)刻觀察到的兩個(gè)事件，對(duì)另一參考系中的觀察者來(lái)說(shuō)也是同時(shí)發(fā)生的B在經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀中，時(shí)間間隔是絕對(duì)的，即任何事件(或物體的運(yùn)動(dòng))所經(jīng)歷的時(shí)間，在不同的參考系中測(cè)量都是相同的，而與參考系的選取無(wú)關(guān)C在經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀中，空間距離是絕對(duì)的，即如果各個(gè)參考系中用來(lái)測(cè)量長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)相同，那么空間兩點(diǎn)距離是絕對(duì)不變的量值，而與參考系的選取無(wú)關(guān)D經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀就是一個(gè)絕對(duì)的時(shí)空觀，時(shí)間、空間與物體的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)答案ABCD解析由經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀內(nèi)容可知A、B、C、D正確4設(shè)想有一艘飛船以v0.8c的速度在地球上空飛行，如果這時(shí)從飛船上沿其運(yùn)動(dòng)方向拋出一物體，該物體相對(duì)于飛船的速度為0.9c，從地面上的人看來(lái)，物體的速度為()A1.7c B0.1c C0.99c D無(wú)法確定答案C解析根據(jù)相對(duì)論速度變換公式：u，得u0.99c，故選項(xiàng)C正確課時(shí)作業(yè)一、選擇題1(多選)某地發(fā)生洪澇災(zāi)害，災(zāi)情緊急，特派一飛機(jī)前往，飛機(jī)在某高度做勻速直線運(yùn)動(dòng)，投放一包救急品，災(zāi)民看到物品做曲線運(yùn)動(dòng)，飛行員看到物品做自由落體運(yùn)動(dòng)，物品剛好落到災(zāi)民救濟(jì)處，根據(jù)經(jīng)典時(shí)空觀，則下列說(shuō)法正確的是()A飛機(jī)為非慣性參考系B飛機(jī)為慣性參考系C災(zāi)民為非慣性參考系D災(zāi)民為慣性參考系答案BD解析物品投放后，僅受重力作用，飛行員看到物品是做初速度為零的自由落體運(yùn)動(dòng)，符合牛頓運(yùn)動(dòng)定律，故飛機(jī)為慣性參考系，B對(duì)；而地面上的人員看到物品做初速度不為零的拋體運(yùn)動(dòng)，也符合牛頓運(yùn)動(dòng)定律，D也對(duì)2(多選)關(guān)于牛頓力學(xué)的適用范圍，下列說(shuō)法正確的是()A適用于宏觀物體B適用于微觀物體C適用于高速運(yùn)動(dòng)的物體D適用于低速運(yùn)動(dòng)的物體答案AD解析由經(jīng)典力學(xué)的局限性可知A、D正確3(多選)根據(jù)伽利略相對(duì)性原理，可以得到下列結(jié)論()A力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的B同一力學(xué)規(guī)律在不同的慣性系中可能不同C在一個(gè)慣性參照系里不能用力學(xué)實(shí)驗(yàn)判斷該參照系是否做勻速直線運(yùn)動(dòng)D在一個(gè)慣性參照系里可以用力學(xué)實(shí)驗(yàn)判斷該參照系是否做勻速直線運(yùn)動(dòng)答案AC解析由伽利略相對(duì)性原理可知A、C正確4如圖1所示，強(qiáng)強(qiáng)乘坐速度為0.9c(c為光速)的宇宙飛船追趕正前方的壯壯，壯壯的飛行速度為0.5c，強(qiáng)強(qiáng)向壯壯發(fā)出一束光進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，則壯壯觀測(cè)到該光束的傳播速度為()圖1A0.4cB0.5cC0.9cDc答案D5在高速運(yùn)動(dòng)的火車上，設(shè)車對(duì)地面的速度為v，車上的人以速度u沿著火車前進(jìn)的方向相對(duì)火車運(yùn)動(dòng)，那么他相對(duì)地面的速度u與uv的關(guān)系是()Auuv Bu<uvCu>uv D以上均不正確答案B解析由相對(duì)論速度變換公式可知B正確6(多選)判斷下面說(shuō)法中正確的是()A在以c沿豎直方向升空的火箭上向前發(fā)出的光，對(duì)地速度一定比c大B在以c沿豎直方向升空的火箭上向后發(fā)出的光，對(duì)地速度一定比c小C在以c沿豎直方向升空的火箭上沿水平方向發(fā)出的光，對(duì)地速度為cD在以c沿豎直方向升空的火箭上向任一方向發(fā)出的光，對(duì)地速度都為c答案CD解析根據(jù)狹義相對(duì)論的基本公設(shè)光速不變?cè)砜芍赫婵罩械墓馑傧鄬?duì)于火箭的速度為c，相對(duì)于地面的速度也為c，對(duì)不同的慣性系是相同的，因此C、D正確，A、B錯(cuò)誤二、非選擇題7若一宇宙飛船對(duì)地以速度v運(yùn)動(dòng)，宇航員在飛船內(nèi)沿同方向測(cè)得光速為c，問(wèn)在地面上的觀察者看來(lái)，光速應(yīng)為vc嗎？答案在地面上的觀察者看來(lái)，光速是c，而不是vc.解析由相對(duì)論速度變換公式u，式中u、v分別為v和c，代入公式求得光對(duì)地速度uc.8如圖2所示，沿鐵道排列的兩電線桿正中央安裝一閃光裝置，光信號(hào)到達(dá)一電線桿稱為事件1，到達(dá)另一電線桿稱為事件2.從地面上的觀察者和運(yùn)動(dòng)車廂中的觀察者看來(lái)，兩事件是否是同時(shí)事件？圖2答案在地面上的觀察者看來(lái)，事件1、2同時(shí)發(fā)生；在運(yùn)動(dòng)車廂中的觀察者看來(lái)，事件2比事件1先發(fā)生解析從地面上的觀察者看來(lái)，光源在兩根電線桿的正中央，光信號(hào)向兩電線桿傳播的速度相同，因此，光信號(hào)同時(shí)到達(dá)兩電線桿從運(yùn)動(dòng)車廂中的觀察者看來(lái)，運(yùn)動(dòng)車廂是個(gè)慣性系，地面和電線桿都在向左運(yùn)動(dòng)(如題圖)，光信號(hào)向左右兩側(cè)傳播速度相同(光速不變?cè)?在光信號(hào)向兩側(cè)傳播的過(guò)程中，地面及兩個(gè)電線桿都向左運(yùn)動(dòng)了一段距離，所以光信號(hào)先到達(dá)電線桿2，后到達(dá)電線桿1.8