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人教版 (新课标)选修31 相对论的诞生学案设计
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这是一份人教版 (新课标)选修31 相对论的诞生学案设计，共3页。
1．经典的相对性原理
(1)惯性系和非惯性系
牛顿运动定律能够成立的参考系叫惯性系，匀速运动的汽车、轮船等作为参考系就是惯性系。牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系，例如我们坐在加速的车厢里，以车厢为参考系观察路边的树木、房屋向后方加速运动，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，但事实上没有，也就是牛顿运动定律不成立，这里加速的车厢就是非惯性系。
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。
(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。
【例1】如图所示，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上的观察者看到小球的速度分别是多少？
解析：对车上的观察者：物体的初速v0＝0，加速度a＝eq \f(F,m)＝1 m/s2 10 s时速度v1＝at＝10 m/s
对地上的观察者：物体初速度v0＝20 m/s
加速度相同a＝eq \f(F,m)＝1 m/s2
10 s末速度v0＝v0＋at＝30 m/s。
答案：10 m/s 30 m/s
2．迈克耳孙—莫雷实验
(1)实验装置：
(2)实验内容：转动干涉仪，在水平面内不同方向进行光的干涉实验，干涉条纹并没有预期移动。
(3)实验结论：光沿任何方向传播时，相对于地球的速度是相同的，光速的不变性证明了当时很多人认为的以太参考系是不存在的。
【例2】迈克耳孙—莫雷实验说明了以下哪些结论( )
A．以太不存在
B．光速的合成满足经典力学法则
C．光速不变
D．光速是相对的，与参考系的选取有关
解析：迈克耳孙—莫雷实验证明了光速不变的原理，同时也说明以太作为光速的参考系是不存在的。
答案：AC
3．狭义相对论的两个基本假设
第一个假设：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的，即自然界不存在特殊的惯性参考系，对于一切物理现象的描述来说，所有惯性系都是等效的。
第二个假设：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，与光源的运动和观察者的运动无关。
释疑点：光速不变原理
光速不变原理与迈克耳孙—莫雷实验的结论相同，但迈克耳孙—莫雷实验结论是在有限的几次实验中得到的，不能称其为理论，只能通过假设然后再应用到实践中进行检验。
【例3】(江苏高考)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________。(填写选项前的字母)
A．0.4c B．0.5c
C．0.9c D．1.0c
解析：由光速不变原理知光速与参考系的选取无关，D项正确。
答案：D
4．狭义相对论的理解
(1)实验基础
不论光源与观测者做怎样的相对运动，光速都是一样的。
(2)两个基本假设
【例4】考虑几个问题：
(1)如图所示，参考系O′相对于参考系O静止时，人看到的光速应是多少？
(2)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)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：根据速度合成法则，第一种情况人看到的光速应是c，第二种情况应是c＋v，第三种情况应是c－v，此种解法是不对的，而根据狭义相对论理论知，光速是不变的，都应是c。
答案：三种情况都是c。
5．经典理论与相对论的比较
力学的相对性原理指的是力学现象对一切惯性系来说，都遵从同样的规律；或者说，在研究力学规律时，一切惯性系都是等价的、平权的。因此无法借助力学实验的手段确定惯性系自身的运动状态。
狭义相对论指的是物理定律在所有惯性系中都是相同的，因此各个惯性系都是等价的，不存在特殊的绝对的惯性系。因此狭义相对论原理所指的范围更大，内容更丰富。
【例5】飞船在高空以eq \f(1,10)c的速度向目标飞行，从飞船上向目标方向发射一个光信号，则在地面的观察者看来光信号的速度是1.1c吗？
解析：由经典力学的相对性原理可知，光信号相对地面的速度v＝c＋eq \f(c,10)＝1.1c，但这一结论是错误的。
根据狭义相对论的假设，真空中的光速相对于飞船为c，相对于地面也为c，对不同惯性参考系是相同的，这一判断已被迈克耳孙—莫雷实验所证实。
答案：在地面的观察者看来光信号的速度为c，不是1.1c。
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
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
1．经典的相对性原理
(1)惯性系和非惯性系
牛顿运动定律能够成立的参考系叫惯性系，匀速运动的汽车、轮船等作为参考系就是惯性系。牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系，例如我们坐在加速的车厢里，以车厢为参考系观察路边的树木、房屋向后方加速运动，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，但事实上没有，也就是牛顿运动定律不成立，这里加速的车厢就是非惯性系。
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。
(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。
【例1】如图所示，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上的观察者看到小球的速度分别是多少？
解析：对车上的观察者：物体的初速v0＝0，加速度a＝eq \f(F,m)＝1 m/s2 10 s时速度v1＝at＝10 m/s
对地上的观察者：物体初速度v0＝20 m/s
加速度相同a＝eq \f(F,m)＝1 m/s2
10 s末速度v0＝v0＋at＝30 m/s。
答案：10 m/s 30 m/s
2．迈克耳孙—莫雷实验
(1)实验装置：
(2)实验内容：转动干涉仪，在水平面内不同方向进行光的干涉实验，干涉条纹并没有预期移动。
(3)实验结论：光沿任何方向传播时，相对于地球的速度是相同的，光速的不变性证明了当时很多人认为的以太参考系是不存在的。
【例2】迈克耳孙—莫雷实验说明了以下哪些结论( )
A．以太不存在
B．光速的合成满足经典力学法则
C．光速不变
D．光速是相对的，与参考系的选取有关
解析：迈克耳孙—莫雷实验证明了光速不变的原理，同时也说明以太作为光速的参考系是不存在的。
答案：AC
3．狭义相对论的两个基本假设
第一个假设：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的，即自然界不存在特殊的惯性参考系，对于一切物理现象的描述来说，所有惯性系都是等效的。
第二个假设：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，与光源的运动和观察者的运动无关。
释疑点：光速不变原理
光速不变原理与迈克耳孙—莫雷实验的结论相同，但迈克耳孙—莫雷实验结论是在有限的几次实验中得到的，不能称其为理论，只能通过假设然后再应用到实践中进行检验。
【例3】(江苏高考)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________。(填写选项前的字母)
A．0.4c B．0.5c
C．0.9c D．1.0c
解析：由光速不变原理知光速与参考系的选取无关，D项正确。
答案：D
4．狭义相对论的理解
(1)实验基础
不论光源与观测者做怎样的相对运动，光速都是一样的。
(2)两个基本假设
【例4】考虑几个问题：
(1)如图所示，参考系O′相对于参考系O静止时，人看到的光速应是多少？
(2)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)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：根据速度合成法则，第一种情况人看到的光速应是c，第二种情况应是c＋v，第三种情况应是c－v，此种解法是不对的，而根据狭义相对论理论知，光速是不变的，都应是c。
答案：三种情况都是c。
5．经典理论与相对论的比较
力学的相对性原理指的是力学现象对一切惯性系来说，都遵从同样的规律；或者说，在研究力学规律时，一切惯性系都是等价的、平权的。因此无法借助力学实验的手段确定惯性系自身的运动状态。
狭义相对论指的是物理定律在所有惯性系中都是相同的，因此各个惯性系都是等价的，不存在特殊的绝对的惯性系。因此狭义相对论原理所指的范围更大，内容更丰富。
【例5】飞船在高空以eq \f(1,10)c的速度向目标飞行，从飞船上向目标方向发射一个光信号，则在地面的观察者看来光信号的速度是1.1c吗？
解析：由经典力学的相对性原理可知，光信号相对地面的速度v＝c＋eq \f(c,10)＝1.1c，但这一结论是错误的。
根据狭义相对论的假设，真空中的光速相对于飞船为c，相对于地面也为c，对不同惯性参考系是相同的，这一判断已被迈克耳孙—莫雷实验所证实。
答案：在地面的观察者看来光信号的速度为c，不是1.1c。
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
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
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