第五章 第二节 相对论时空观-（配套word）2023-2024学年高一新教材物理必修第二册 【步步高】学习笔记（粤教版）

第二节　相对论时空观 [学习目标]　1.了解狭义相对论的基本假设、同时性的相对性、时间延缓、长度收缩。2.认识牛顿力学时空观和相对论时空观的区别。3.知道时空弯曲。4.了解科学理论的相对性，体会科学理论是不断发展和完善的。 一、狭义相对论 伟大的科学家爱因斯坦提出了认知宇宙的全新理论，他为我们展现了一个更加奇妙的宇宙，那里不仅有着多维时空，而且还拥有着虫洞和弯曲时空。你知道这是什么理论吗？ 提示　相对论 1．狭义相对论的基本假设 (1)相对性原理：在所有的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。 (2)光速不变原理：在所有的惯性参考系中，测得的真空中的光速都相同。 2．牛顿力学与狭义相对论比较 牛顿力学 狭义相对论 形成时期 物理学形成的初期阶段，理论较片面 物理学充分发展的现代，理论较完善、科学 适用范围 低速运动、宏观世界 任何惯性系中都适用 速度的合成 时间与空间互不相干，关系式 v船岸＝v船水＋v水岸成立 速度与位移、时间的测量有关，v船岸＝v船水＋v水岸不成立 例1　(多选)对狭义相对论的理解正确的是(　　) A．在不同惯性系中，基本的物理规律可能是不同的 B．在不同惯性系中，光在真空中的传播速度均相同 C．狭义相对论适合于任何惯性系，即适合于一切物体 D．狭义相对论只涉及惯性系 答案　BD 解析　根据相对论的观点，在不同的惯性系中，一切物理规律都是相同的，A错误；在一切惯性系中，光在真空中的传播速度都相等，B正确；狭义相对论适合于无加速度的惯性系，并不是适合于一切物体，C错误；狭义相对论只涉及惯性系，D正确。 例2　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，则壮壮观测到该光速的传播速度为(　　) A．0.4c B．0.5c C．0.9c D．c 答案　D 解析　根据光速不变原理，在一切惯性参考系中测量到的真空中的光速c都一样，而壮壮所处参考系即为惯性参考系，因此壮壮观察到的光速为c，选项D正确。 二、时空相对性　时空弯曲 地球绕太阳公转的速度是3×104 m/s，设在美国费米实验室的圆形粒子加速器可以把电子加速到0.999 999 999 987倍光速的速度，请思考： (1)在狭义相对论中，地球的公转速度属于低速还是高速？被加速器加速后的电子的速度属于低速还是高速？ (2)在地面上校准的两只钟，一只留在地面上，一只随宇宙飞船遨游太空，隔一段时间飞船返回地面时，两只钟显示的时间相同吗？有什么差别？ 答案　(1)地球的公转速度属于低速。被加速器加速后的电子的速度属于高速。 (2)不相同。随飞船旅行的时钟变慢。 1．时空相对性 (1)同时性的相对性：在一个惯性参考系中同时发生的两个事件，在另一个惯性参考系看来是不同时的。 (2)时间延缓：①经典的时空观：某两个事件，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为Δt′＝Δt。 (3)长度收缩：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为l′＝l，但在垂直于杆的运动方向上，杆的长度不变。 (4)牛顿力学时空观和相对论时空观的区别 牛顿力学认为时间和空间是脱离物质而存在的，时间和空间之间也是没有联系的。相对论则认为有物质才有时间和空间，时间和空间与物质的运动状态有关，因而时间与空间并不是(填“是”或“不是”)相对独立的，这在时间延缓效应和长度收缩效应中已体现出来。 2．时空弯曲 (1)根据广义相对论，物体的引力场会使光线弯曲，引力场越强，光线弯曲越厉害。 (2)引力场的存在，也会使时间发生弯曲。例如，在大质量天体的强引力场附近，时间进程会变慢。 (3)物质决定时空的弯曲，时空决定物质的运动。 3．时间延缓 时钟相对于观察者静止时，走得快；相对于观察者运动时，观察者会看到它变慢了，运动速度越快，效果越明显，即运动着的时钟要变慢。 (1)时间延缓效应的理论依据是光速不变原理。 (2)时间延缓效应是时空的一种属性，在运动参考系中的时间节奏变缓慢了。 (3)日常生活中的时间延缓效应可以忽略，但在运动速度接近光速时，其影响比较大。 4．长度收缩 一个物体相对于观察者静止时，它的长度测量值最大；相对于观察者运动时，观察者在运动方向上观测，它的长度要缩短，速度越快，缩得越短，即运动着的尺子要缩短。 (1)同一物体的长度在不同的参考系内测量，会得到不同的结果。 (2)速度v越大，长度缩短得越多。 例3　假设地面上有一火车以接近光速的速度运行，其内站立着一个中等身材的人，站在路旁的人观察车里的人，观察的结果是(　　) A．这个人是一个矮胖子 B．这个人是一个瘦高个子 C．这个人矮但不胖 D．这个人瘦但不高 答案　D 解析　取路旁的人为惯性参考系，车上的人相对于路旁的人高速运动，根据长度收缩效应，人在运动方向上将变窄，但在垂直于运动方向上没有发生变化，故选D。 例4　在静止坐标系中的正立方体棱长为l0，另一坐标系以相对速度v平行于正立方体的一条棱运动。问在后一坐标系中的观察者测得的立方体的体积是多少？ 答案　l03 解析　本题中正立方体相对于另一坐标系以速度v运动，一条棱与运动方向平行，则坐标系中观察者测得该条棱的长度为l＝l0 测得立方体的体积为V＝l02l＝l03。 例5　A、B两火箭沿同一方向高速飞过地面上的某处，vA＞vB，在地面上的人观察到的结果正确的是(　　) A．火箭A上的时钟走得最快 B．地面上的时钟走得最快 C．火箭B上的时钟走得最快 D．火箭B上的时钟走得最慢 答案　B 解析　由Δt′＝Δt知，地面上的人观察到的结果为：A、B两火箭上的时钟都变慢了。又vA＞vB，则A火箭上的时钟走得最慢，地面上的时钟走得最快，因此B正确，A、C、D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $$