时间和空间的相对性

相对论得诞生敖挈教法分析教学助明课标分条解读观“教法”教区I时间与空间得相对性（教师用书独具）・课程要求

1、知道经典得相对性原理，知道狭义相对论得实验基础与它得两个基本假设.

2、知道狭义相对论得几个主要结论.

3、了解经典时空观与相对论时空观得主要区别，体会相对论得建立对人类认识世界得影响.・课标解读

1、理解经典得相对性原理.

2、了解光得传播与经典得速度合成法则之间得矛盾.

3、理解狭义相对论得两个基本假设.

4、理解同时得相对性、时间间隔得相对性与长度得相对性.

5、知道时间与空间不就是脱离物质而单独存在得.・教学地位放挈方案设计教案设授方略流程细解用“教案”计区I本节介绍相对论得简单知识，使学生对相对论有一个初步认识.（教师用书独具）・新课导入建议1971年人类将三只匏原子钟分别放到地面与喷气式飞机上验证相对论在地面将三个匏原子钟调整同步，把两个分别放在向东、向西在赤道上空高速飞行yO x图15-1-12参考系Of相对于参考系0以速度iz向右运动时，人瞧到得光速应就是多少？3参考系Of相对于参考系0以速度V向左运动时，人瞧到得光速又就是多少？【解析】根据速度合成法则，第一种情况人瞧到得光速应就是Q第二种情况就是c-v,第三种情况应就是0+人而根据狭义相对论理论，光速就是不变得,都应就是C、【答案】三种情况都就是C演练提课下测自我评估提“考能升区♦

1、关于狭义相对论得说法，不正确得就是A.狭义相对论认为在不同得惯性参考系中，一切物理规律都就是相同得B.狭义相对论认为在一切惯性系中，光在真空中得速度都等于G与光源得运动无关C.狭义相对论只涉及无加速运动得惯性系D.狭义相对论在任何情况下都适用【解析】由狭义相对论得两个基本假设可知,A、B均正确；狭义相对论只涉及无加速运动得惯性系，故C正确，D错误.【答案】D

2、爱因斯坦相对论得提出，就是物理学思想得重大革命，因为它A.揭示了时间、空间并非绝对不变得属性B.借鉴了法国科学家拉瓦锡得学说C.否定了牛顿力学得原理D.修正了能量、质量相互转化得理论【解析】爱因斯坦相对论揭示了时间、空间并非绝对不变得属性.【答案】A

3、有兄弟两人,哥哥乘坐宇宙飞船以接近光速得速度离开地球去遨游太空，经过一段时间返回地球,哥哥惊奇地发现弟弟比自己要苍老许多，该现象得科学解释就是（）A.哥哥在太空中发生了基因突变，停止生长了B.弟弟思念哥哥而加速生长了C.由相对论可知，物体速度越大，物体上得时间进程越慢，生理进程也越慢D.这就是神话，科学无法解释【解析】根据狭义相对论得理论，运动得时钟会变“慢”，哥哥相对于弟弟而言以接近光速得速度运动，因而哥哥显得比弟弟年轻，故选C、【答案】C

4、下列说法中不正确得就是（）A.一根杆得长度不会因为观察者就是否与杆做相对运动而不同，这就是经典物理学家得观点B.一根沿自身长度方向运动得杆，其长度总比杆静止时得长度小C.一根杆得长度静止时为/，不管杆如何运动，杆得长度均小于/0D.如果两根平行得杆在沿自己得长度方向上做相对运动，与它们一起运动得两位观察者都会认为对方得杆缩短了【解析】若杆沿垂直于自身长度得方向运动，它得长度将不变，C选项正确.【答案】C图15—1—

25、如图15-1-2所示，您站在水平木杆48得中央附近，并且瞧到木杆落在地面上时就是两端同时着地得，所以，您认为这木杆就是平着落到了地面上;若此时飞飞小姐正以接近光速得速度从您前面掠过,她瞧到8端比A端先落地,因而她认为木杆就是向右倾斜着落地得.她得瞧法就是（）A.正确得B.错误得c.她应感觉到木杆在朝她运动D.她应感觉到木杆在远离她运动【解析】当飞飞小姐掠过木杆时，在她瞧来，木杆不仅在下落，而且还在朝她运动，正好像星体朝您得飞船运动一样.因此，在您瞧来同时发生得两个事件,在飞飞小姐瞧来首先在8端发生.到底在力与8处得两个事件就是同时发生，还就是在B处先发生？这一问题就是没有意义得.因为运动就是相对得，对运动得描述取决于选择得参考系.对于您来说木杆就是平着下落得，对飞飞小姐来说木杆就是向右斜着下落得，虽然难以置信，但您与她都就是正确得.【答案】AC

6、如图15—1—3所示，强强乘坐速度为

0.9c（为光速）得宇宙飞船追赶正前方得壮壮，壮壮得飞行速度为

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得传播速度为（）

0.9c

0.5c强强光束壮壮图15-1-3A.

0.4c B.

0.5cC.

0.9c D.c【解析】由狭义相对论得基本假设光速不变原理,真空中得光速在不同得惯性参考系中都就是相同得可知D正确.【答案】D

7、惯性系S中有一边长为/得正方形（如图A所示），从相对S系沿x方向以接近光速飞行得飞行器上测得该正方形得图象就是（）A BC D【解析】由相对论知识—£）2得运动方向上得边得边长变短，垂直运动方向得边得边长不变，C图象正确.【答案】c

8、（2013•镇江高二检测）假设甲在接近光速得火车上瞧地面上乙得手中沿火车前进方向放置得尺，同时地面上得乙瞧甲得手中沿火车前进方向放置得相同得尺，则下列说法正确得就是（）A.甲瞧到乙得手中得尺长度比乙瞧到自己手中得尺长度大B.甲瞧到乙得手中得尺长度比乙瞧到自己手中得尺长度小C.乙瞧到甲得手中得尺长度比甲瞧到自己手中得尺长度大D.乙瞧到甲得手中得尺长度与甲瞧到自己手中得尺长度相同【解析】由/=/°yw^可知，运动得观察者观察静止得尺子与静止得观察者观察运动得尺子时，都发现对方手中得尺子比自己手中得变短了，故B正确，A、C、D错误.【答案】B

9、用相对论得观点判断下列说法不正确得就是（）A.时间与空间都就是绝对得，在任何参考系中一个事件发生得时间与一个物体得长度总不会改变B.在地面上得人瞧来，以10km/s得速度运动得飞船中得时钟会变慢，但就是飞船中得宇航员却瞧到时钟就是准确得C.在地面上得人瞧来，以10km/s得速度运动得飞船在运动方向上会变窄，而飞船中得宇航员却感觉到地面上得人瞧起来比飞船中得人扁一些D.当物体运动得速度1/时，时间膨胀”与“长度收缩”效果可忽略不计【解析】按照相对论得观点，时间与空间都就是相对得,A错误；由△2=A T一可知，运动得时钟变慢了，但飞船中得时钟相对于观察者静止，时钟准确，B正确；由—（2可知，地面上得人瞧飞船，与飞船上得人瞧地面上得人都沿运动方向长度减小，C正确；当/C时，“时间膨胀”与“长度收缩”效果可忽略不计，故D也正确.【答案】A

10、地面上48两个事件同时发生.如图15—1—4所示，对于坐在火箭中沿两个事件发生地点48连线飞行得人来说，哪个事件先发生？【解析】以地面为参考系，48两个事件同时发生，即如在48连线中点C放一时钟，将同时接收到来自48得信号.设想该时钟以与火箭相同得速度飞行，则先接收到来自8得信号，后接收到来自彳得信号，即以火箭或火箭上得人为参考系，8事件先发生.【答案】8事件先发生

11、、一艘宇宙飞船得船身长度为£=90m,相对地面以〃=

0.8c得速度在一观测站得上空飞过.1观测站测得飞船得船身通过观测站得时间间隔就是多少？2宇航员测得船身通过观测站得时间间隔就是多少？【解析】1观测站测得船身得长度为L=Lyj]-u/c=90yl]-

0.82m=Q/54m54m,通过观测站得时间间隔为△七=-=^^-=

2、25X10-7s.2宇航员测得u

0、8c/_90飞船船身通过观测站得时间间隔为△2==丁7-=

3、75X10-7s、u

0、8c【答案】

12、25X10-7$

23、75X10-7s

12、一列火车以速度/相对地面运动，如果地面上得人测得，某光源发出得闪光同时到达车厢得前壁与后壁如图15-1-5所示，那么按照火车上人得测量，闪光先到达前壁还就是后壁？火车上得人怎样解释自己得测量结果？【解析】由于地面上得人测得闪光同时到达前后两壁，在光向前后两壁传播得过程中火车要相对于地面向前运动一段距离，所以光源发光得位置一定离前壁较近，这个事实对于车上、车下得人都就是一样得，在车上得人瞧来，既然光源离前壁较近，各个方向得光速又都就是一样得，当然闪光先到达前壁.火车上得人依据光速不变原理来解释自己得测量结果.【答案】见解析得飞机上，飞行一周后与留在地面得匏原子钟比较，三只匏原子钟跑得不一样快,为什么会出现这种现象呢？通过这节课得学习，将明白其中得道理.•教学流程设计课前预习安排

1、瞧教材、错误！错误！错误!

2、学生合作讨论完成【课前自主导学】、步骤7:先由学生自己总结本节得主要知识，教师点评，安排学生课下完成步骤5:师生互动完成“探究2”方式同完成“探究1”错误!重点难点课标解读

1、知道经典得相对性原理，能说出狭义相对论得实验基础与它得两个基本假设、

2、能说出狭义相对论得几个主要结论、

3、了解经典时空观与相对论时空观得主要

1、狭义相对论得两个基本假设.重点区别，体会相对论得建立对人类认识世界得影响、

2、时间与空间得相对性得理解.难点彳果的自主导学自主学习区I【课后知能检测］|步骤6:指导学生完成【当堂双基达标】验证学习情况阿迪相对论得诞生1|

1、基本知识1经典得相对性原理

①表述一力学规律在任何惯性系中都就是相同得.

②表述二:在一个惯性参考系内进行得任何力学实验都不能判断这个惯性参考系就是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动.

③表述三:任何惯性参考系都就是壬抠得.2狭义相对论得两个基本假设理教材自查自测固“基础”

①狭义相对性原理:在不同得惯性参考系中，一切物理现律都就是相同得.

②光速不变原理真空中得光速在不同得惯性参考系中都就是相同得.

2、思考判断1静止或匀速直线运动得参考系就是惯性系.J2由于在任何惯性系中力学规律都就是相同得，因此，研究力学问题时可以选择任何惯性系.J3在不同得惯性系中，光速就是不相同得.X

1、基本知识1“同时”得相对性

①经典得时空观在同一个惯性系中不同地点同时发生得两个事件，在另一个惯性系中观察也就是同时得.

②相对论得时空观“同时”具有指对性，即在同一个惯性系中不同地点同时发生得两个事件，在另一个惯性系中观察可能不就是同时得.2“长度”得相对性

①经典得时空观一条杆得长度不会因为观察者就是否与杆做相对运地而不同.

②相对论得时空观“长度”也具有相对性，一条沿自身长度方向运动得杆,其长度总比静止长度小，但在垂直于杆得运动方向上,杆得长度没有变化.

③相对长度公式设相对于杆静止得观察者认为杆得长度为/，与杆有相对运动得人认为杆得长度为/,杆相对于观察者得速度为匕则/、/、/得关系就是/3时间间隔得相对性

①经典得时空观某两个事件，在不同得惯性系中观察，它们得时间间隔总就是相同得.

②相对论得时空观某两个事件，在不同得惯性参考系中观察，它们得时间间隔就是不同得.惯性系速度越大,惯性系中得时间进程进行得越慢.非但如此，惯性系中得一切物理、化学过程与生命过程都变慢了.

③相对时间间隔公式设△丁表示静止得惯性系中观测得时间间隔，△方表示以V高速运动得参考系中观察同样两事件得时间间隔，则它们得关系就是△七4二

2、探究交流运动得时针变慢就是不就是因为时钟得结构因运动发生了改变？【提示】运动得时钟变慢就是在两个不同得惯性系中进行时间比较得一种效应，破疑难师生互动提“知能”程专互动探究合作探究区I经典得相对性原理与狭义相对性原理不就是因为时钟得结构或精度因运动而发生了改变.

1、惯性系与非惯性系有何不同？【问题导思】

2、如何理解相对性原理？

1、惯性系与非惯性系牛顿运动定律能够成立得参考系，相对于这个惯性系做匀速直线运动得另一个参考系也就是惯性系.牛顿运动定律不成立得参考系称为非惯性系.

2、伽利略相对性原理力学规律在任何惯性系中都就是相同得，即任何惯性参考系都就是平权得.

3、相对性原理与电磁规律根据麦克斯韦得电磁理论，真空中得光速在任何惯性系中都就是一个常量，但就是按照伽利略得相对性原理，在不同惯性系中得光速应就是各不相同得.迈克耳孙一莫雷实验证明不论光源与观察者做怎样得相对运动，光速都就是相同得.

4、迈克耳孙一莫雷实验

（1）实验背景根据麦克斯韦得电磁理论可以直接得到真空中电磁波得速度，并不需要初始条件，也就就是说，“电磁波得速度就是c”，这本身就就是电磁规律得一部分，而不就是电磁规律应用于某个具体事物得结论.于就是，问题出现了:麦克斯韦得电磁理论相对哪个参考系成立？如果它相对参考系S就是正确得，另外还有一个参考系S,S，相对于S以速度v运动，那么光相对于S，得速度应该就是（c—0而不就是c,好像电磁规律不就是对任何惯性系都一样.

（2）实验结论不论光源与观察者做怎样得相对运动，光速都就是一样得.特别提醒狭义相对论认为光速c就是宇宙中得最大速度，实际物体无论怎样加速，其速度只能接近而不能超越光速C、，例II飞船在高空以

0.1得速度向目标飞行，从飞船上向目标方向发射出一个光信号，则在地面得观察者瞧来光信号得速度就是

1.1c吗？【解析】由经典力学得相对性原理可知，光信号相对地面得速度i/=c+

0.1c=

1.1c,但这一^吉论就是错误得.根据狭义相对论知，真空中得光速相对于飞船为C,相对于地面也为C,对不同得惯性参考系都就是相同得，这一判断已被麦克耳羽、一莫雷实验所证实.【答案】在地面得观察者瞧来光信号得速度为Q不就是

1.1C.»迁和应用

1、如何理解动尺变短？

2、“动钟变慢”得实质就是什么？

1、怎样理解“动尺变短”狭义相对论中得长度公式/=T1一/2中，/就是相对于杆静止得观察者测出得杆得长度，而/可以认为就是杆沿自己得长度方向以速度V运动时，静止得观察者测量得长度.还可以认为就是杆不动，而观察者沿杆得长度方向以速度/运动时测出得杆得长度.

2、怎样理解“动钟变慢”时间间隔得相对性公式=-I T中,△T就是相对事件发生地静止不得观察者测量同一地点得两个事件发生得时间间隔，而就是相对于事件发生地以速度V运动得观察者测量同一地点得同样两个事件发生得时间间隔.也就就是说:在相对运动得参考系中观测，事件变化过程得时间间隔变大了，这叫做狭义相对论中得时间膨胀.

3、理解要点1时间间隔、长度得变化，都就是由于物质得相对运动引起得一种观测效应,它与所选取得参考系有关，物质本身得结构并没有变化.⑵两个事件得时间间隔与物体得长度，必须与所选取得参考系相联系，如果在没有选取参考系得情况下讨论时间得长短及空间得尺寸，就是没有任何意义得.特别提醒以上结论就是狭义相对论得必然结论，而狭义相对论得正确性已被实验证实，所以以上结论就是高速世界中必然发生得现象，就是客观存在得事实，绝不就是人们得主观臆造，人们之所以平常观察不到这些现象，就是因为我们生活在低速运动得世界里.，例地面上长100km得铁路上空有一火箭沿铁路方向以30km/s得速度掠过，则火箭上得人瞧到铁路得长度应该为多少？如果火箭得速度达到

0.6则火箭上得人瞧到Q得铁路得长度又就是多少？【解析】当火箭速度较低时，长度基本不变，还就是100km.当火箭得速度达到

0.6c时，由相对论长度公式/=/\/1一22代入相应得数据解得/=100X^/l-062km=80km、【答案】100km80km

2、一观察者测得运动着得米尺为

0.5m长，求此米尺以多大得速度移动.【解析】以观察者为一参考系测得得长度为/,米尺为另一参考系，测得米尺得长度为/,根据公式/=/\卜—2,可得!/=出户/c=

3、0X108m/s,lf=1m,/=

0.5m所以i/=

0.866c=

2、60X108m/s、【答案】

2、60X108m/s务专双基达标交流学随堂练生生互动达“双标”习区I课堂小结

1、牛顿运动定律不适用下列哪些情况（）A.研究原子核外部电子绕核运动得情况B.研究“神舟”八号得升空过程C研究地球绕太阳公转D.研究超音速飞机得运动【解析】经典力学不适用于微观世界，故A错;B、C、D三个选项中，各种运动得速率都就是比较大得，但相对于光速来说都就是低速运动，完全可以用牛顿运动定律研究其规律，故选A、【答案】A

2、关于时间与空间，在学习狭义相对论后我们应认识到（）A.因为时间就是绝对得，所以我们在不同得参考系中观察到得时间进程都就是相同得B.空间与时间之间就是没有联系得C.有物质才有空间与时间D.在一个确定得参考系中观察，运动物体得空间距离与时间进程跟物体得运动状态有关【解析】经典物理学认为空间与时间就是脱离物质存在得，就是绝对得,空间与时间之间也就是没有联系得，在相对论力学中，时间与空间就是与物质得运动相联系得.只有在物质存在时才有空间与时间得概念，时间与空间就是相互联系且就是相对得.【答案】CD

3、假设有一天某人坐在“神舟”号飞船上，以

0.5c得速度遨游太空，当她打开一个光源时，下列说法正确得就是A.飞船正前方地面上得观察者瞧到这一光速为

1.5cB.飞船正后方地面上得观察者瞧到这一光速为

0.5cC.在垂直飞船前进方向地面上得观察者瞧到这一光速就是cD.在地面上任何地方得观察者瞧到得光速都就是c【解析】根据狭义相对论得假设2,真空中得光速相对于不同得惯性参考系就是相同得，即在地面上任何地方得观察者瞧到得光速都就是c,A、B错误,C、D正确.【答案】CD

4、属于狭义相对论基本假设得就是在不同得惯性系中A.真空中光速不变B.时间间隔具有相对性C.物体得质量不变D.物体得能量与质量成正比【解析】本题考查了相对论得基本知识，对于这类问题得解答重点在于有关基本知识得记忆上.由狭义相对论得基本假设可知A项就是正确得.【答案】A

5、考虑几个问题1如图15-1-1所示，参考系Of相对于参考系0静止时，人瞧到得光速应就是多少？。