2017-2018学年同步备课套餐之物理沪科版选修3-4讲义：第5章新时空观的确定5.1~5.2.doc

5.1 电磁场理论引发的怪异问题 5.2 狭义相对论的基本原理 [学习目标 ] 1.理解伽利略相对性原理 .2.了解狭义相对论的两条基本公设 .3.由伽利略变换和洛 伦兹变换体会经典物理学的时空观和狭义相对论的时空观的不同 .4.了解同时的相对性和相对 论速度变换公式． 1．迈克耳孙 —莫雷实验说明， 光在任何方向上传播时， 相对于地球的速度都是相同的． 即光速 c 是不变的． 2．伽利略相对性原理：对于力学规律来说，一切惯性系都是等价的． 3．狭义相对论的两条公设为：爱因斯坦相对性原理和光速不变原理． 4．同时的相对性 经典物理学家认为同时是绝对的，与参考系无关，狭义相 对论的时空观认为同时是相对的，即在一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一 个惯性系中不一定是同时的． 5．相对论速度变换公式 若高速运动的飞船相对于地球的速度为 v，飞船上的某物体以速度 u′沿着飞船前进的方向相 对飞船运动，那么物体相对于地球的速度 u＝ u′＋ v u′ v. 1＋ c2 一、电磁场理论引发的怪异问题 [导学探究 ] 1．举例说明电磁场理论与经典物理学存在着尖锐的矛盾． 答案 一辆车对地做匀速直线运动速度为 v，若自车厢后壁发出一个闪光，按照经典物理速 度合成公式，这个闪光对地的速度为 V＝c＋ v.但电磁场理论中光在真空中的传播速度为 c， 并不涉及参考系问题． 2．迈克耳孙 —莫雷实验说明了什么？ 答案 说明光速 c 是不变的． [知识深化  ] 1．按经典物理速度合成公式， 一个人在相对地面以速度 v 运动的车或船上， 向前进方向掷出 一个相对于自己以速度 u 运动的球，则球相对地面的速度应为 V＝ u＋v. 2．对光的传播应用了经典的物理速度合成公式后， 得出的结果与电磁场理论中“光在真空中的传播速度为 c”产生了矛盾．即经典的速度合成公式对电磁学不适用． 3．迈克耳孙 —莫雷实验说明： 光在任何方向上传播时，  相对地球的速度都是相同的．  也就是 说，地球相对于“以太”的速度  v 实际上为零，或者说“以太”根本不存在．光速  c 是不变 的． 4．伽利略相对性原理：对于力学规律来说，一切惯性系都是等价的． 例 1 如图 1 所示，在列车车厢的光滑水平底面上有一个质量为 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？ 图 1 答案 10 m/s 30 m/ s 解析 对车厢里的观察者 物体的初速度为 0，加速度 a＝ Fm＝ 1 m/s2 经 10 s 时，速度 v1 ＝at＝10 m/s. 对地面上的观察者 解法一 物体初速度 v0＝ 20 m/s F 2 加速度相同 a＝m＝1 m/s 经 10 s 时，速度 v2 ＝v0＋ at＝ 30 m/s. 解法二 根据速度合成法则 v2＝ v1＋ v0＝ (10＋20) m /s＝ 30 m/ s. 二、狭义相对论的两条公设 [导学探究 ] 1．在伽利略变换中，时间和空间是否有关系，它们与物体的运动有无关系？ 答案 时间和空间是分离的．时间尺度和空间尺度跟物体运动无关，都是绝对的． 2．面对电磁场理论与经典物理学之间出现的矛盾， 爱因斯坦对时间和空间又是怎样理解的？ 答案 爱因斯坦认为，空间和时间在本质上是统一的，空间和时间不是分离的． [知识深化 ] 狭义相对论的两个基本公设 1．爱因斯坦相对性原理： 在所有相互做匀速直线运动的惯性参考系中， 物理规律都是相同的． 2．光速不变原理： 在所有相互做匀速直线运动的惯性参考系中， 光在真空中的速度都是相等的． 例 2 考虑以下几个问题： (1)如图 2 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？ 图  2 (2)参考系 (3)参考系  O′相对于参考系O′相对于参考系  O 以速度 O 以速度  v 向右运动时，人看到的光速应是多少？ v 向左运动时，人看到的光速又是多少？ 答案 解析  (1) c (2) c (3)c 光速不变原理指的是真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的．故三种情况下 人看到的光速都是 c. 三、洛伦兹变换、同时的相对性 [导学探究 ] 如图 3 所示，一列火车沿平直轨道飞快地匀速行驶，车厢中央的光源发出了一 个闪光，闪光照亮了车厢的前壁和后壁．车上的人观察到闪光同时照亮了前后壁吗？地上的 人怎么认为？ 图 3 答案 车上的人认为闪光同时照亮了前后壁，地上的人认为先照亮后壁． [知识深化 ] 1． 洛伦兹变换 x′＋ vt′ x＝ 2 v 1－ 2 c y＝ y′ z＝ z′ v