第十五章 1 相对论的诞生 2 时间和空间的相对性.ppt
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课件7：15.1-15.2相对论的诞生 时间和空间的相对性
寻找以太“大失败”
►1 ） 迈克耳逊他们如实地报道了他们的实验结果，但他 没有意识到他所做的实验给出的结果所具有的重大意义： 根本没有以太这种东西！ 迈克耳逊称他的实验是一次没 有给出预期结果的大失败。
►2 ） 但是正是这个实验提醒人们必须重新审查被视为 “神圣”的经典物理学的根基：光的波动说理论和麦克 斯韦电磁理论都是建立在以太基础之上的。
但同时他也承认“明朗的天空中还有两朵小 小的、令人不安的乌云”。
与黑体辐射有关 与光速问题有关
量子理论诞生 相对论诞生
正是这两朵小小的乌云，冲破了经典物理 学的束缚，打消了当时绝大多数物理学家的盲 目乐观情绪，为后来建立近代物理学的理论基 础作出了贡献。
1、惯性系：牛顿运动定律成立的参考系
相对于一个惯性系做匀速直线运动的另一个参 考系也是惯性系
但是19世纪中叶，人们在研究与物体运动有 关的电磁现象时，发现电磁现象的规律不符合相 对性原理。
其中最典型的就是光速的问题。
19世纪末电磁理论在麦克斯韦的推动下达到了 顶峰。他的成就在于将当时所有已知的电磁学的知识 归纳集中于四个方程之中：
c 1 3.0108m/s
0 0
由麦克斯韦 方程组可以直接 得出：电磁波的 速度等于光速c， 并不涉及参考系 的问题，这与经 典力学的速度合 成法则一致吗？
T 谢谢观看 HANK YOU!
1 相对论的诞生
►19世纪末物理学取得了巨大的成就： ►牛顿力学 热力学 统计物理学 电磁场理论 ►形成了完整的物理学体系，并被赞誉为： ►“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽庙堂”
在1900年英国皇家学会的新年庆祝会上， 著名的物理学家，威廉·汤姆孙，回顾了物理学 在过去几百年中的发展，充满自信地宣称：科学 的大厦已经基本完成，未来的物理学家只要做一 些修修补补的工作就可以了。
高中物理 15-1、2 相对论的诞生 时间和空间的相对性课件 新人教版选修3-4
第十五章
第1、
金版教程 · 人教版物 理 · 选修3-4
则它们的关系是：Δt＝
Δτ v2 1－ c ____________。
4．相对论时空观
绝对 的， (1)经典时空观： 空间和时间是脱离物质存在的， 是_____
没有 联系的。 空间和时间之间也是_____
运动状态 有关。 (2)相对论时空观：空间和时间与物质的__________
3．时间间隔的相对性 (1)经典的时空观：某两个事件，在不同的惯性参考系中观
相同 察，它们的时间间隔总是_________ 的。
(2)相对论的时空观：某两个事件，在不同的惯性参考系中
不同 的。 观察， 它们的时间间隔是_______ 设 Δτ 表示相对事件发生地
静止的惯性系中观测的时间间隔， Δt 表示相对事件发生地以 v 高速运动的参考系中观察同样两事件的时间间隔，
第十五章
第1、
金版教程 · 人教版物 理 · 选修3-4
①表述一：力学规律在任何惯性系中都是相同的。 ②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。 ③表述三：任何惯性参考系都是平权的。 2．相对性原理与电磁规律
第十五章
第1、
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匀速直线运动 的另一个参考系，也是惯性系。 性系做_______________ 惯性系 中都是相同 (2)伽利略相对性原理：力学规律在任何_______
的。 2．狭义相对论的两个基本假设
第十五章
第1、
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(1)狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规
相同 的。 律都是_____
相对论的诞生、时间和空间的相对性 课件
Δτ ， 1－vc2
其中Δt为地面观察者测得的时间间隔，Δτ为相对观察者静止时
测得的时间间隔。
例3 一张宣传画是边长为5 m的正方形，一高速列车以 2×108 m/s的速度接近此宣传画，在司机看来，这张宣传画是什 么样子？
解析：因为长度收缩只发生在运动方向上，与运动方向垂 直的方向上没有这种效应，故测得宣传画的高仍为5 m。设宣传 画原长l0＝5 m，观测看到沿列车运动方向长为l。由动尺缩短效 应有
相对论的诞生 时间和空间的相对性
一、相对论的诞生 1．经典相对性原理 (1)惯性系：牛__顿__运__动__定__律_____成立的参考系。相对于一个惯 性系做_匀__速__直__线__运__动____的另一个参考系，也是惯性系。 (2)伽利略相对性原理：力学规律在任何_惯__性__系__中都是相同 的。 2．狭义相对论的两个基本假设
(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：根据狭义相对论的光速不变原理：真空中的光速在 不同的惯性参考系中都是相同的，光速与光源、观察者间的相 对运动没有关系。因此三种情况下，人观察到的光速都是c。
(2)相对论的时空观：同时是相对的，即在一个惯性系中 “同时”发生的两个事件，在另一个惯性系中可能是不同时 的。
2．长度的相对性 (1)经典的时空观：一条杆的长度不会因为观察者是否相对 杆运动而不同。 (2)相对论的时空观：“长度”也具有相对性，一条沿自身 长度方向运动的杆，其长度总比静止的长度小，但在垂直于杆 的运动方向上，杆的长度没有变化。
对于狭义相对论的相对性原理来说，力学规律对惯性系来 说都是相同的，但是光速是不变的。由于光速是不变的，造成 了与经典理论一些不同的结论。这些结论在低速的世界里是不 易搞清的，但从天体的物理现象中却得到了证实。
15-1、2相对论的诞生时间和空间的相对性课件 新人教版选修3-4课件
新课标[物理 ·选修3-4]
2．思考判断
(1)静止或匀速直线运动的参考系是惯性系．(√)
(2) 由于在任何惯性系中力学规律都是相同的，因此，研 究力学问题时可以选择任何惯性系．(√) (3)在不同的惯性系中，光速是不相同的．(×)
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3．探究交流
1.基本知识 (1)“同时”的相对性 ①经典的时空观：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也是 同时 的．
②相对论的时空观：“同时”具有 相对 性，即在同一
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
可能不是同时
的．
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新课标[物理 ·选修3-4]
●课标解读
1．理解经典的相对性原理．
2 ．了解光的传播速度与经典的速度合成法则之间的矛 盾． 3．理解狭义相对论的两个基本假设． 4．理解同时的相对性、时间间隔的相对性和长度的相对
性．
5．知道时间和空间不是脱离物质而单独存在的．
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新课标[物理 ·选修3-4]
●教学地位 本节介绍相对论的简单知识，使学生对相对论有一个初 步认识．
③相对时间间隔公式：设Δ τ 表示静止的惯性系中观测的 时间间隔，Δ t 表示以 v 高速运动的参考系中观察同样两事件 的时间间隔，则它们的关系是： Δ τ v 2 1－（ ） Δ t＝___________________. c
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2．探究交流
相对论的诞生 时间和空间的相对性 课件
栏目导引
1．怎样理解“动尺变短”：狭义相对论中的长度公式： l＝l0 1－vc2中，l0 是相对于杆静止的观察者测出的杆的长 度，而 l 可以认为是杆沿自己的长度方向以速度 v 运动时， 静止的观察者测量的长度．还可以认为是杆不动，而观察者 沿杆的长度方向以速度 v 运动时测出的杆的长度．
工具
人教版物理选修3-4 第十五章 相对论简介
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(3)一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止
时的长度小．
3．时间间隔的相对性
(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)相对论的时空观：某两个事件，在不同的惯性参考 系中观察，它们的时间间隔是 不同 的．
设Δτ表示相对事件发生地静止的惯性系中观测的时间
间隔，Δt表示相对事件发生地以v高速运动的参考系中观察
同样两事件的时间间隔，则它们的关系是Δt＝
Δτ 1－vc2 .
工具
人教版物理选修3-4 第十五章 相对论简介
栏目导引
4．时空相对性的实验验证 (1)微观验证——宇宙射线中μ子的行为． (2)宏观验证——铯原子钟环球飞行的实验． 5．相对论时空观 (1)经典时空观：空间和时间是脱离物质存在的 ，是 绝对 的，空间和时间之间也是 没有 联系的． (2)相对论时空观：空间和时间与物质的 运动状态 有 关．
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(2)如果与杆相对静止的人认为杆长是L0，与杆相对运 动的人认为杆长是L，则两者之间的关系为L＝
L0
1－vc2 .
(3)一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止
时的长度小．
3．时间间隔的相对性
(1)经典的时空观：某两个事件，在不同的惯性系中观
高中物理 第15章 1 相对论的诞生 2 时间和空间的相对性课件4高二选修34物理课件
12/9/2021
第二十五页，共三十八页。
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[解析] 根据狭义相对论的假设，真空中的光速相对于不同的惯 性参考系是相同的，即在地面上任何地方的观察者看到的光速都是 c.
[答案] c c c
12/9/2021
第二十六页，共三十八页。
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时间(shíjiān)和空间的相对性
1.“动尺缩短” 狭义相对论中的长度公式 l＝l0 1－vc2中，l0 是相对于杆静止 的观察者测出的杆的长度，而 l 可以认为是杆沿自己的长度方向以速 度 v 运动时，静止的观察者测量的长度．
S′相对于 S 以速度 v 运动，那么光相对于 S′的速度应该是(c－v)
而不是 c，好像电磁规律不是对任何惯性系都一样．
12/9/2021
第十九页，共三十八页。
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(2)实验结论：不论光源与观察者做怎样的相对运动，光速都是 一样的．
12/9/2021
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【例 1】 如图所示，思考以下几个问题：(光速用 c 表示)
第十三页，共三十八页。
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3.假设甲在接近光速的火车上看地面上乙手中沿火车前进方向 放置的直尺，同时地面上的乙看甲手中沿火车前进方向放置的直尺， 则下列说法中正确的是( )
A．甲看到乙手中的直尺长度比乙看到自己手中的直尺长度大 B．甲看到乙手中的直尺长度比乙看到自己手中的直尺长度小 C．乙看到甲手中的直尺长度比甲看到自己手中的直尺长度大 D．乙看到甲手中的直尺长度比甲看到自己手中的直尺长度小
12/9/2021
第十四页，共三十八页。
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BD [由 l＝l0 l－vc22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，都出现尺缩效应，即都发现对方手 中的尺子比自己手中的短，故 B、D 正确．]
相对论的诞生、时间和空间的相对性课件
● 答案： (1)2.25×10－7 s (2)3.75×10－7 s
应用相对论“效应”解题的一般步骤
●首先，应该通过审题确定研究对象及研究对象的运动速度．其次， 明确求解的问题，即明确求解静止参考系中的观察结果，还是运 动参考系中的观察结果，最后，应用“尺缩效应公式”或“时间 延缓效应公式”进行计算．
断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运 动． ●b．任何惯性参考系都是 平权 的．
● 2．狭义相对论的两个基本假设
● (1)实验基础：不论光源与观测者做怎样的相对运动，光速都是
一样．的
● (2)两个基本假设
狭义相对性 在不同的 惯性 参考系中，一切物理
原理
规律都是 相同 的
光速不变原 真空中的光速在不同的惯性参考系
＝
1Δ－τ vc2中，Δτ 是相对事件发生地静止的观察者测量同
一地点的两个事件发生的时间间隔，而 Δt 是相对于事件发
生地以速度 v 运动的观察者测量同一地点的同样两个事件
发生的时间间隔．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．
●3．理解要点：
●(2)相对论时空观：空间和时间与物质的 运动状态 有关．
●1．惯性系和非惯性系：牛顿运动定律能够成立的参考系，相对于 这个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系．牛顿运 动定律不成立的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是相同的，即 任何惯性参考系都是平权的．
●(3)一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度 小．
●3．时间间隔的相对性
●(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
应用相对论“效应”解题的一般步骤
●首先，应该通过审题确定研究对象及研究对象的运动速度．其次， 明确求解的问题，即明确求解静止参考系中的观察结果，还是运 动参考系中的观察结果，最后，应用“尺缩效应公式”或“时间 延缓效应公式”进行计算．
断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运 动． ●b．任何惯性参考系都是 平权 的．
● 2．狭义相对论的两个基本假设
● (1)实验基础：不论光源与观测者做怎样的相对运动，光速都是
一样．的
● (2)两个基本假设
狭义相对性 在不同的 惯性 参考系中，一切物理
原理
规律都是 相同 的
光速不变原 真空中的光速在不同的惯性参考系
＝
1Δ－τ vc2中，Δτ 是相对事件发生地静止的观察者测量同
一地点的两个事件发生的时间间隔，而 Δt 是相对于事件发
生地以速度 v 运动的观察者测量同一地点的同样两个事件
发生的时间间隔．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．
●3．理解要点：
●(2)相对论时空观：空间和时间与物质的 运动状态 有关．
●1．惯性系和非惯性系：牛顿运动定律能够成立的参考系，相对于 这个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系．牛顿运 动定律不成立的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是相同的，即 任何惯性参考系都是平权的．
●(3)一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度 小．
●3．时间间隔的相对性
●(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
第十五第一相对论的诞生-精选.ppt
2 ） 但是正是这个实验提醒人们必须重新审查被视为 “神圣”的经典物理学的根基：光的波动说理论和 麦克斯韦电磁理论都是建立在以太基础之上的。
3 ） 迈克耳逊为此而获得1907年的诺贝尔物理学奖， 他也是获得此奖的第一位美国人。
对实验“零结果”的几种解释
(1) 地球相对以太静止论 地球为绝对参照系，光速在地球上恒为 C 且各向同性。这样显然光程差为零， 在地球上实验条纹不移动。但此解释必 然得出地球是宇宙中心的结论，同时太 阳光在地球周围各向同性，但太阳相对 地球运动，仍不符合经典速度合成。
(3)发射理论
静止光源光速为C，运动光源光速改变，且各向同性。 这样在地球上用静止光源做实验，条纹当然不移动。 麦氏方程在地球上精确成立，但在以太中形式不同。 仍认为以太存在，这样阳光在地球上不为C。
这一说法与双星实验相矛盾。若光速与光源运动有 关，则在1处光速相对地球为C+v，2处光速相对地球 为C－v。在同一时刻观看B星不应是一亮点。B星不 同时刻发出的光在同一时刻到达地球，拍摄照片应 是一条很短的亮线。但实验结果均为亮点，说明光 速与光源运动无关。1924年用日光做迈氏实验，仍 然无移动，证明双星实验正确。
(4)收缩假定（1892年洛仑兹—菲兹杰拉德 )
迈克耳逊-莫雷实验的零结果大大震惊了当时 的物理学家们，他们无法相信根本不存在以太 这种东西。 为了维护以太理论，一些科学家又提出了各种 不同的假设来解释迈克耳逊-莫雷实验
菲兹杰拉德
1. 1892年爱尔兰物理学家菲兹杰拉德（1851-1901） 对迈克耳逊-莫雷实验的零结果提出了一种新奇的解 释。他认为地球穿过以太运动，一切物体都要在运 动方向上产生一定比例的收缩，即 1 v 2 的比例收
迈克耳逊先单独做了一 个实验来测量地球穿过 以太的效应，1881年他 发表结果说没有发现地 球相对于以太的可以检 测的运动。
3 ） 迈克耳逊为此而获得1907年的诺贝尔物理学奖， 他也是获得此奖的第一位美国人。
对实验“零结果”的几种解释
(1) 地球相对以太静止论 地球为绝对参照系，光速在地球上恒为 C 且各向同性。这样显然光程差为零， 在地球上实验条纹不移动。但此解释必 然得出地球是宇宙中心的结论，同时太 阳光在地球周围各向同性，但太阳相对 地球运动，仍不符合经典速度合成。
(3)发射理论
静止光源光速为C，运动光源光速改变，且各向同性。 这样在地球上用静止光源做实验，条纹当然不移动。 麦氏方程在地球上精确成立，但在以太中形式不同。 仍认为以太存在，这样阳光在地球上不为C。
这一说法与双星实验相矛盾。若光速与光源运动有 关，则在1处光速相对地球为C+v，2处光速相对地球 为C－v。在同一时刻观看B星不应是一亮点。B星不 同时刻发出的光在同一时刻到达地球，拍摄照片应 是一条很短的亮线。但实验结果均为亮点，说明光 速与光源运动无关。1924年用日光做迈氏实验，仍 然无移动，证明双星实验正确。
(4)收缩假定（1892年洛仑兹—菲兹杰拉德 )
迈克耳逊-莫雷实验的零结果大大震惊了当时 的物理学家们，他们无法相信根本不存在以太 这种东西。 为了维护以太理论，一些科学家又提出了各种 不同的假设来解释迈克耳逊-莫雷实验
菲兹杰拉德
1. 1892年爱尔兰物理学家菲兹杰拉德（1851-1901） 对迈克耳逊-莫雷实验的零结果提出了一种新奇的解 释。他认为地球穿过以太运动，一切物体都要在运 动方向上产生一定比例的收缩，即 1 v 2 的比例收
迈克耳逊先单独做了一 个实验来测量地球穿过 以太的效应，1881年他 发表结果说没有发现地 球相对于以太的可以检 测的运动。