《新步步高》2015-2016学年高二物理人教版选修3-4学案：第十五章 1 相对论的诞生　时间和空间的相对性 WORD版含答案.docx

1、学案1相对论的诞生时间和空间的相对性目标定位 1.知道经典的相对性原理，知道狭义相对论的实验基础和它的两个基本假设.2.知道狭义相对论的几个主要结论.3.了解经典时空观与相对论时空观的主要区别，体会相对论的建立对人类认识世界的影响一、相对论的诞生问题设计在一艘大船密闭的船舱里，你能否通过观察自由释放的小球的运动判断大船是静止还是在匀速行驶？答案不能因为不论大船是静止还是匀速行驶，观察到小球的运动都是相同的，而且都要落在释放点的正下方要点提炼1经典的相对性原理(1)惯性系：如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系叫做惯性系，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)经典的相

2、对性原理的三种表述表述一：力学规律在任何惯性系中都是相同的表述二：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匀速直线运动表述三：任何惯性参考系都是平权的2经典相对性原理解释电磁规律的困难迈克耳孙莫雷实验证明了光速是不变的，这与传统的速度合成法则是矛盾的3狭义相对论的两个基本假设(1)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(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相同的二、时间和空间的相对性问题设计1如图1所示，假设杆MN沿着车厢的运动方向固定在火车上，且与火车一起运动，火车上的人测得杆的长度与地面上的人测得杆的长度相同吗

3、？图1答案不同2某人在这列火车上拍了两下桌子，火车上的人观测的两次拍桌子的时间间隔与地面上的人观测的时间间隔相同吗？答案不同要点提炼1“同时”的相对性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时：(1)经典的时空观认为一定(填“一定”或“不一定”)是同时发生的(2)狭义相对论的时空观认为不一定(填“一定”或“不一定”)是同时发生的2长度的相对性(尺缩效应)(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相对运动而不同(2)狭义相对论认为“动尺变短”：狭义相对论中的长度公式：ll0，但垂直于杆的运动方向上，杆的长度不变3时间间隔的相对性(1)经典的时空观：某两个事件

4、，在不同的惯性系中观察，它们的时间间隔总是相同的(2)狭义相对论认为“动钟变慢”：时间间隔的相对性公式t，也就是说，在相对运动的参考系中观测，事件变化过程的时间间隔变大了，这叫做狭义相对论中的时间膨胀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一、狭义相对论例1假设有一天某人坐在“神舟”号飞船上，以0.5c的速度遨游太空，当他打开一个光源时，下列说法正确的是()A飞船正前方的观察者看到这一光速为1.5cB飞船正后方的观察者看到这一光速为0.5cC在垂直飞船前进方向上

5、的观察者看到这一光速是cD在任何地方的观察者看到的光速都是c解析根据狭义相对论的假设(2)，真空中的光速相对于不同的惯性参考系都是相同的，即在任何地方的观察者看到的光速都是c，A、B错误，C、D正确答案CD二、时间和空间的相对性例2地面上长100 km的铁路上空有一火箭沿铁路方向以30 km/s的速度掠过，则火箭上的人看到铁路的长度应该为多少？如果火箭的速度达到0.6c，则火箭上的人看到的铁路的长度又是多少？解析当火箭速度较低时，长度基本不变，还是100 km.当火箭的速度达到0.6c时，由相对论长度公式ll0代入相应的数据解得：l100 km80 km.答案100 km80 km例3介子是一

6、种不稳定粒子，平均寿命是2.6108 s(在自己的参考系中测得)(1)如果此粒子相对于实验室以0.8c的速度运动，那么在实验室参考系中测量的介子的寿命多长？(2)介子在衰变前运动了多长距离？解析(1)介子在实验室中的寿命为t s4.3108 s.(2)该粒子在衰变前运动的距离为xvt0.831084.3108 m10.32 m.答案(1)4.3108 s(2)10.32 m1.(狭义相对论)如图2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()图2A0.4cB0.5cC0.9cDc答案

7、D解析由狭义相对论的基本假设：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，可知D正确2(狭义相对论)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解析狭义相对论是惯性参考系之间的理论，D错误3(时间和空间的相对性)假设甲在接近光速的火车上看地面上乙的手中沿火车前进方向放置的尺子，同时地面上的乙看甲的手中沿火车前进方向放置的相同的尺子，则下列说法正确的是()A甲看到乙的手中的尺子的长度比

8、乙看到自己手中的尺子的长度大B甲看到乙的手中的尺子的长度比乙看到自己手中的尺子的长度小C乙看到甲的手中的尺子的长度比甲看到自己手中的尺子的长度大D乙看到甲的手中的尺子的长度与甲看到自己手中的尺子的长度相同答案B解析由ll0可知，运动的观察者观察静止的尺子和静止的观察者观察运动的尺子时，都发现对方手中的尺子比自己手中的变短了，故B正确，A、C、D错误题组一经典的相对性原理1通常我们把地球和相对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

9、性系和非惯性系的概念可知选B.2关于牛顿力学的适用范围，下列说法正确的是()A适用于宏观物体B适用于微观物体C适用于高速运动的物体D适用于低速运动的物体答案AD解析由经典力学的局限性可知A、D正确3根据伽利略相对性原理，可以得到下列结论()A力学规律在任何惯性系中都是相同的B同一力学规律在不同的惯性系中可能不同C在一个惯性参考系里不能用力学实验判断该参考系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动D在一个惯性参考系里可以用力学实验判断该参考系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动答案AC解析由伽利略相对性原理可知A、C正确题组二狭义相对论4关于相对论的认识，下列说法正确的是()A因为时间是绝对的，所以

10、我们在不同的参考系中观察到的时间进程都是相同的B空间与时间之间是没有联系的C在一个确定的参考系中，观察运动物体的空间距离和时间进程跟物体的运动状态有关D惯性系就是静止不动的参考系E同一力学规律在不同的惯性系中可能不同答案C5有下列三种说法：所有惯性系对物理基本规律都是等价的；在真空中，光的速度与光的频率、光源的运动状态无关；在任何惯性系中，光在真空中沿任何方向的传播速度都相同关于上述说法()A只有是正确的B只有是正确的C只有是正确的D三种说法都是正确的答案D6下列说法中正确的是()A相对性原理能简单而自然地解释电磁学的问题B在真空中，若物体以速度v背离光源运动，则光相对物体的速度为cvC在真空

11、中，若光源向着观察者以速度v运动，则光相对于观察者的速度为cvD迈克耳孙莫雷实验得出的结论是：不论光源与观察者做怎样的相对运动，光速都是一样的答案D解析相对性原理简单而自然，但在电磁学的领域里，涉及相对哪个参考系才成立的问题，故选项A错误；根据狭义相对论的光速不变原理，故选项B、C错误，D正确题组三时间和空间的相对性7下列哪些是“相对论”的内容()A伽利略的相对性原理B“尺缩效应”C“时钟变慢”D质量不变是因为它是物体的固有属性，与运动状态无关答案BC解析伽利略相对性原理中的物理规律指的是力学规律，而相对论的物理规律指的是一切物理规律，A错误；据相对论推出的重要结论有“长度变小”“时间变慢”“

12、质量变大”，则B、C正确，D错误8用相对论的观点判断，下列说法正确的是()A时间和空间都是绝对的，在任何参考系中一个事件发生的时间和一个物体的长度不会改变B在地面上的人看来，以10 km/s的速度运动的飞船中的时钟会变慢，但是飞船中的宇航员却看到时钟是准确的C在地面上的人看来，以10 km/s的速度运动的飞船在运动方向上会变窄，而飞船中的宇航员却感觉到地面上的人看起来要扁一些D当物体运动的速度vc时，“时间膨胀”和“长度收缩”效果可忽略不计答案BCD解析按照相对论的观点，时间和空间都是相对的，A错误；由t可知，运动的时钟变慢了，但飞船中的时钟相对宇航员静止，时钟准确，B正确；由ll0可知，地面

13、上的人看飞船和飞船上的人看地面上的人都沿运动方向长度减小，C正确；当vc时，“时间膨胀”和“长度收缩”效果可忽略不计，故D正确9如图1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，列车上的观察者测得A、C两铁塔被照亮的顺序是()图1A同时被照亮 BA先被照亮CC先被照亮 D无法判断答案C解析以列车为参考系，塔A、B、C向左高速运动，列车中的观测者认为光从BA的距离大于光从BC的距离，由t知，光从BC用时短，C先被照亮10惯性系S中有一边长为l的正方形(如图A所示)，从相对S系沿x方向以接近光速匀速飞行的飞行器上测得该正方形的图象是

14、()答案C解析由相对论长度公式ll0得，运动方向上的边长变短，垂直运动方向的边长不变11某宇航员要到离地球5光年的星球上去旅行，如果希望把这段路程缩短为3光年，则他所乘飞船相对地球的速度为()A0.5c B0.6c C0.8c D0.9c答案C解析由ll0，且可得：vc0.8c，故C正确12甲、乙两人站在地面上时的身高都是L0，甲、乙分别乘坐速度为0.6c和0.8c(c为光速)的飞船同向运动，如图2所示此时乙观察到甲的身高L_L0；若甲向乙挥手，动作时间为t0，乙观察到甲的动作时间为t1，则t1_t0(均选填“”、“”或“”)图2答案解析因飞船速度方向与人站立方向垂直，无相对论效应，所以此时乙观察到甲的身高LL0.甲向乙挥手，是以自己为参考系，是不动的，乙看甲挥手，甲在做相对运动，所以t1大于t0.13长度的测量与被测物体相对于观察者的运动情况有关，物体在运动方向上长度会缩短一艘宇宙飞船的船身长度为L090 m，相对地面以v0.8c的速度从一观测站的上空飞过(1)观测站测得飞船的船身通过观测站的时间间隔是多少？(2)宇航员测得船身通过观测站的时间间隔是多少？答案(1)2.25107 s(2)3.75107 s解析(1)观测站测得船身的长度为LL0 90 m54 m，通过观测站的时间间隔为t2.25107 s.(2)宇航员测得飞船船身通过观测站的时间间隔为t3.75107 s.