1、5.1-5.2 电磁场理论引发的怪异问题 狭义相对论的基本原理 学习目标定位 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惯性系：如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系就叫惯性系，相对一个惯 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 3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 4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
2、理 5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 6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 1 u vc2 一、电磁场理论引发的怪异问题 问题设计 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 Vcv.但电磁场理论中光在真空中的传
3、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 要点提炼 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 Vuv. 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
4、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 m5 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 F5 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 解析 对车厢里的观察者 物体的初速度为 0，加速度 a 1 m/s 2 Fm 经 10 s 时，速度 v1at10 m/s. 对地面上的观察者 解法一 物体初速度 v020 m/s 加速度相同 a 1 m/s 2 Fm 经 10 s 时，速度 v2v 0at 30 m/s. 解法二 根据速度合成法
5、则 v2v 1v 0(1020) m/s30 m/s. 答案 10 m/s 30 m/s 二、狭义相对论的两条公设 问题设计 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 要点提炼 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
6、中的速度都是相 等的 例 2 考虑以下几个问题： 图 2 (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？ (2)参考系 O 相对于参考系 O 以速度 v 向右运动时，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 向左运动时，人看到的光速又是多少？ 解析 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. 答案 (1)c (2) c (3) c 三、洛伦兹变换、同时的相对性 问题设计 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
7、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 要点提炼 1洛伦兹变换 Error! 2同时的相对性 (1)经典物理学家认为：如果两个事件在一个参考系中是同时发生的，那么在另一个参考系 中观察也一定是同时发生的即同时是绝对的，与所在的惯性参考系无关 (2)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，跟观察者所选取的参考系有关 延伸思考 你能够在 vc 时，由洛伦兹变换得到伽利略变换吗？ 答案 当 vc 时，公式 x 中的 很小近似为零，故
8、xx vt ；公式 t x vt 1 v2c2 v2c2 中 也近似为零，则 tt . t vc2x 1 v2c2 vc2 例 3 如图 4 所示，沿平直铁路线有间距相等的三座铁塔 A、B 和 C.假想有一列车沿 AC 方向以接近光速行驶，当铁塔 B 发出一个闪光，列车上的观测者测得 A、C 两铁塔被照亮 的顺序是( ) 图 4 A同时被照亮 BA 先被照亮 CC 先被照亮 D无法判断 解析 列车上的观察者看到的是由 B 发出后经过 A 和 C 反射的光，由于列车在这段时间内 向 C 运动，靠近 C 而远离 A，所以列车上的观察者看到 C 先被照亮，故只有 C 正确 答案 C 四、相对论速度变
9、换公式 问题设计 一列火车正以 v50 m/s 的速度高速行驶，列车内一乘客以相对列车 u5 m/s 的速度向 前跑，站台上的观察者测得该乘客的速度是 uvu55 m/s.若列车的速度是 0.9c，乘 客的速度是 0.5c，那么站台上的观察者测得该乘客的速度为 0.9c0.5c1.4c 吗？ 答案 不是 要点提炼 相对论速度变换公式 1公式：设高速行驶的火车的速度为 v，车上的人相对火车以速度 u运动，人相对地面 的速度为 u，则 Error! 2结论：光速 c 是物体运动速度的极限，且相对任何参考系，光速都是不变的 3理解：若 vc，uc 时， 可忽略不计，即 1 1，相对论速度合成公式可
10、u vc2 u vc2 近似变为 uvu. 例 4 地球上一观察者，看见一飞船 A 以速度 2.5108 m/s 从他身边飞过，另一飞船 B 以 速度 2.0108 m/s 跟随 A 飞行求： (1)A 上的乘客看到 B 的相对速度； (2)B 上的乘客看到 A 的相对速度 解析 (1)A 上的乘客看地面上的人以2.510 8 m/s 向后运动 地面上的人看 B 以 2.0108 m/s 向前运动，则 A 上的乘客看到 B 的相对速度为 u 108 m/s1.12510 8 m/s. u v 1 u vc2 2.5 2.0 1 2.5232 (2)B 上的乘客看到 A 的相对速度为 1.125
11、108 m/s. 答案 (1)1.12510 8 m/s (2)1.125 108 m/s 2狭义相对论的基本原理Error! 1通常我们把地球和相对于地面静止或匀速运动的参考系看成惯性系，若以下列系统为参 考系，则其中属于非惯性系的有( ) 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以较大速度匀速运动的磁悬浮列车 答案 B 解析 由惯性系和非惯性系的概念可知选 B. 2关于狭义相对论，下列说法不正确的是( ) A狭义相对论认为在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的 B狭义相对论认为在一切惯性系中，光在真空中的速度都等于 c，与光源的运动无关 C狭
12、义相对论只涉及无加速度运动的惯性系 D狭义相对论任何情况下都适用 答案 D 解析 由狭义相对论原理可知 D 错误 3下列关于经典力学的时空观，正确的是( ) A经典力学的时空观中，同时是绝对的，即在一个参考系中的观察者在某一时刻观察到 的两个事件，对另一参考系中的观察者来说也是同时发生的 B在经典力学的时空观中，时间间隔是绝对的，即任何事件(或物体的运动)所经历的时间， 在不同的参考系中测量都是相同的，而与参考系的选取无关 C在经典力学的时空观中，空间距离是绝对的，即如果各个参考系中用来测量长度的标 准相同，那么空间两点距离是绝对不变的量值，而与参考系的选取无关 D经典力学的时空观就是一个绝对的时空观，时间、空间与物体的运动无关 答案 ABCD 解析 由经典力学时空观内容可知 A、B、C、D 正确 4设想有一艘飞船以 v0.8c 的速度在地球上空飞行，如果这时从飞船上沿其运动方向抛 出一物体，该物体相对于飞船的速度为 0.9c，从地面上的人看来，物体的速度为( ) A1.7c B0.1c C0.99c D无法确定 答案 C 解析 根据相对论速度变换公式： u ，得 u 0.99 c，故选项 u v 1 u vc2 0.8c 0.9c 1 0.8c0.9cc2 C 正确
