物理选修31 相对论的诞生学案设计

这是一份物理选修31 相对论的诞生学案设计，共3页。学案主要包含了对惯性系和非惯性系的认识等内容，欢迎下载使用。




1．了解经典相对性原理：力学规律在任何惯性系中都是相同的。


2．知道经典相对性原理与电磁规律的矛盾。


3．知道狭义相对论的两个基本假设。





爱因斯坦的狭义相对论中的两个基本假设，一是狭义相对性原理，二是光速不变原理。第一个假设说的是在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的，这一条可以认为是假设；但第二条光速不变，已经被大量实验所证实，为什么还是叫假设呢？








提示：虽然实验表明了假设所说的内容是正确的，但这终归是有限的几次实验。只有再从这两个假设出发，经过逻辑推理(包括数学推导)所得出的大量结论都与事实相符时，它们才能成为真正意义上的原理。





1．经典相对性原理


表述一：力学规律在任何惯性系中都是______的。这个论述叫做伽利略相对性原理。


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系是否相对于另一个惯性系做__________运动。


表述三：任何惯性参考系都是______的。


2．相对性原理与电磁规律


伽利略的速度合成原理与电磁波的速度产生了矛盾。


3．狭义相对论的两个基本假设


(1)狭义相对论原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是______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______的。





答案：1．相同 匀速直线 平权


3．(1)相同 (2)相同





一、对惯性系和非惯性系的认识


1．惯性系：牛顿运动定律能够成立的参考系称为惯性参考系。牛顿定律成立的这个参考系是惯性参考系，相对于这个参考系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性参考系。


2．非惯性系：牛顿定律不能成立的参考系称为非惯性参考系。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，根据牛顿第二定律，房屋和树木应该受到不为零的合力作用，但事实上没有，也就是牛顿定律不成立，这里的加速车厢就是非惯性参考系。





如何判断一个参考系是惯性参考系还是非惯性参考系？我们通常选大地是惯性参考系，相对于地面静止或做匀速运动的物体都是惯性参考系；相对于地面做变速运动的物体都是非惯性参考系。


二、麦克斯韦电磁理论中的电磁波的光速是相对哪个参考系的呢


自从麦克斯韦预言了光的电磁本质以及电磁波的速度以后，物理学家们就在思考，这个速度是相对哪一个参考系说的？如果存在一个特殊的参考系O，光对这个参考系的速度是c，另一个参考系O′以速度v沿光传播的方向相对参考系O运动，那么在O′中观测到的光速就应该是c－v，如果参考系O′逆着光的传播方向运动，在参考系O′中观测到的光速就应该是c＋v。


由于一般物体的运动速度比光速小得多，c＋v和c－v与光速c的差别很小，在19世纪的技术条件下很难直接测量，于是物理学家们设计了许多巧妙的实验，力图测出不同参考系中光速的差别。最著名的一个实验是美籍物理学家迈克耳孙设计的。他把一束光分成互相垂直的两束，一束的传播方向和地球运动的方向一致，另一束和地球运动的方向垂直，然后使它们发生干涉，如果不同方向上的光速有微小的差别，当两束光互相置换时干涉条纹就会发生变化。由于地球在宇宙中运动的速度很大，希望它对光速能有较大的影响。但是，这个实验和其他实验表明，不论光源和观察者做怎样的相对运动，光速都是相同的。这些否定的结果使当时的物理学家感到震惊，因为它和传统的观念，例如速度合成的法则，是矛盾的。


在这样的背景下爱因斯坦建立了狭义相对论的两个基本假设。





类型一 惯性参考系和非惯性参考系


【例1】 如图所示，在列车车厢里的光滑水平面上有一个质量为m=5 kg的小球，正随车一起以20 m/s的速度匀速前进，现给小球一个水平向前的F=5 N的拉力作用，求经历10 s时，车厢里的观察者和地面上的观察者看到的小球的速度分别是多少？





解析：对车上的观察者：小球的初速度为0，加速度为


a＝eq \f(F,m)＝eq \f(5,5) m/s2＝1 m/s2


经历10 s的时间，速度为


v＝at＝1×10 m/s＝10 m/s


地面上的观察者：小球的初速度v0＝20 m/s，加速度为


a＝eq \f(F,m)＝eq \f(5,5) m/s2＝1 m/s2


经历10 s的时间，速度为


v＝v0＋at＝(20＋10) m/s＝30 m/s


答案：10 m/s 30 m/s


题后反思：地面上的观察者看到的速度也可以用速度的合成求解：v＝v0＋v1＝30 m/s。两个观察者的结果虽然不同，但都使用了牛顿定律，因此都是惯性参考系。观察的结果不同，是因为选择了不同的参考系。


类型二 光速不变原理


【例2】 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，而根据狭义相对论理论，光速是不变的，都应是c。


答案：三种情况都是c


题后反思：迈克耳孙—莫雷实验证明了光速在任何惯性参考系中的速度是不变的，对于高速物体，伽利略速度合成法则不再适用。





1通常我们把地球和相对地面静止或做匀速直线运动的参考系看成是惯性系，若以下列系统为参考系，则属于非惯性系的有( )。


A．停在地面上的汽车


B．绕地球做匀速圆周运动的飞船


C．在大海上匀速直线航行的轮船


D．以较高速度做匀速直线运动的磁悬浮列车


2关于狭义相对论的两个假设，下列说法中正确的是( )。


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


3下列关于光速的说法中，正确的是( )。


A．光速是速度的极限值


B．在不同的惯性参考系中，光速是相同的


C．在与光同向运动的惯性参考系中光速变小


D．在与光反向运动的惯性参考系中光速变大


4下列说法中正确的是( )。


A．在以竖直方向升空的火箭上向前发出的光，对地速度一定比c大


B．在以竖直方向升空的火箭上向后发出的光，对地速度一定比c小


C．在以竖直方向升空的火箭上沿水平方向发出的光对地速度为c


D．在以竖直方向升空的火箭上向任一方向发出的光对地速度都为c





答案：1．B


2．AC 根据狭义相对论的两个基本假设，选项A、C正确。


3．AB 光速极限是从相对论中得到的结论，但狭义相对论也是两个假设，还没证明，但目前很准确，所以我们认为它是对的。


4．CD 由狭义相对论原理可知，光速在不同惯性参考系中都是相同的，可得C、D选项正确。