高中物理人教版 (2019)必修 第二册5 相对论时空观与牛顿力学的局限性教学演示课件ppt

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一、时间、长度的相对性1.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_____的.(2)相对论的时空观:“同时”具有_____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_____________而是一先一后发生的.
2.时间的相对性:(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_____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_____的.设τ0表示相对事件发生地静止的惯性系中观测的时间间隔,τ表示相对事件发生地以u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τ= .
3.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_________而不同.
(2)相对论的时空观:“长度”也具有_____性,一条沿自身长度方向运动的杆,其长度总比_____时的长度小.设相对于杆静止的观察者认为杆的长度为l0,与杆有相对运动的观察者认为杆的长度为l,杆相对于观察者的速度为u,则l、l0、u的关系是:l= .
【想一想】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慢,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.
二、相对论的速度变换、相对论质量和能量1.相对论速度变换定律:设车对地的速度为u,人对车的速度为v′,车上人相对于地面的速度为v.相对论的速度变换公式为v= .
如果车上人运动方向与车运动方向相同,v′取___值,如果车上人运动方向与车运动方向相反,v′取___值.
2.相对论质量:(1)经典力学:_____和能量是分别独立量度的.有两个独立的_____定律.(2)相对论情况下:物体以速度v运动时的质量m与静止时的质量m0的关系式为: .
3.质能方程:_____.质能方程表达了物体的质量m和它所具有的能量E之间的关系.
【判一判】(1)物体的质量发生变化时,能量一定发生变化.　 (　　)(2)质量是物体的固有属性,因此在任何情况下都不会发生改变.　(　　)(3)只有运动物体才具有能量,静止物体没有能量.　 (　　)
提示:(1)√.由质能方程ΔE=Δmc2可知,质量变化时,一定对应着能量的变化.(2)×.由狭义相对论可知,物体的质量随速度的增加而增加.(3)×.由爱因斯坦质能方程E=mc2可知,不管物体运动还是静止都具有能量.
知识点一　动尺变短与动钟变慢思考探究:如图所示,一立方体相对于地面以近光速向右运动,则站在地面上的人观察到的立方体的形状如何?
提示:在沿运动方向上长度变短,而其他两个方向上长度不变,形状如图所示.
【归纳总结】1.“动尺变短”:狭义相对论中的长度公式:l= 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u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:τ= 中,τ0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τ是相对于事件发生地以速度u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.
【典例示范】如图,假设一根10m长的梭镖以光速穿过一根10m长的管子,它们的长度都是在静止状态下测量的.以下叙述中最好地描述了梭镖穿过管子的情况的是　(　　)
A.梭镖收缩变短,因此在某些位置上,管子能完全遮住它B.管子收缩变短,因此在某些位置上,梭镖从管子的两端伸出来C.两者都收缩,且收缩量相等,因此在某个位置,管子恰好遮住梭镖D.所有这些都与观察者的运动情况有关
【解题探究】(1)研究物体运动状态时,如果选择的参考系不同,物体的运动状态相同吗?提示:不同,因为物体的运动具有相对性,都是相对于所选择的参考系来说的.
(2)狭义相对论中的长度变化公式是什么?提示:l=
【正确解答】选D.如果你是在相对于管子静止的参考系中观察运动着的梭镖,那么梭镖看起来就比管子短,在某些位置梭镖会完全处在管子内部.然而当你和梭镖一起运动时,你看到的管子就缩短了,所以在某些位置,你可以看到梭镖两端都伸出管子.又如你在梭镖和管子之间运动,运动的速度是在梭镖运动的方向上,而大小是其一半,那么梭镖和管子都相对于你运动,且速
度的大小一样,你看到这两样东西都缩短了,且缩短的量相同.所以你看到的一切都是相对的——依赖于你的参考系.
【过关训练】1.如图所示,竖直墙上挂着一面时钟,地面上的静止的观察者A观察到钟的面积为S,另一观察者B以0.8c平行于y轴正方向运动,观察到钟的面积为S′.则S和S′的大小关系是　(　　)A.S>S′　　　B.S=S′C.S