第6章经典力学与现代物理6.2狭义相对论的基本原理学案沪科版必修2

6.2 狭义相对论的基本原理

思维激活

普希金的一首关于“运动”的诗，你阅读过吗？“世界上没有运动，一个满腮胡须的哲人说.另一个哲人不开口，却在他面前来回地走.他这个反驳真是再有力不过.人们都赞美这个奥妙的答复.可是，先生们，这个有趣的事件，使我想起了另外一个例子：谁都看见太阳每天在我们头上走，然而正确的却是固执的伽利略.”从这首诗中你得到什么启示？

图6-2-1

提示人们对自然界的认识总是逐渐深入的，由感性到理性，由现象到本质，任何理念都只是人类长期对自然规律探索的一个发展阶段，然后被新的理论所替代.人类在认识自然的过程中，常常被一些看似合理的假象所蒙蔽，随着人类实践活动的不断进行，人们才能逐步地透过现象看到本质，形成更加完整的理论体系，相对论的出现正是对经典力学的修正和完善.

自主整理

一、经典力学的时空观

1.概述：绝对的空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关，而永远相同和不动的，绝对的时间自身在不停地流逝着.这就是经典力学的时空观，也称为绝对时空观.

2.绝对时空观的特点：时间和空间是分离的，时间尺度和空间尺度与物质的运动无关，都是绝对的.

二、狭义相对论的基本公设

1.惯性系与非惯性系

牛顿运动定律的参考系，称为惯性参考系，简称惯性系.如研究地面上物体的运动时，地面就是惯性参考系，相对于地面做匀速直线运动的参考系，也是惯性参考系.

2.伽利略的相对性原理

（1）概述：对于所有的惯性系，力学规律是相同的，或者说一切惯性系都是等效的. （2）两个要点：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.

（3）力学规律在任何惯性系中都是相同的，或者说，任何惯性系都是等效的.

3.两条基本公设

（1）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.

这是爱因斯坦在前人的实验基础上提出的假设，这两个假设就是狭义相对论的基础.

高手笔记

1.牛顿的绝对时空观

（1）绝对的、真正的数学时间，出于其本性而自行均匀地流逝着，与外界任何事物无关.或绝对的时间，就其本性而言与外界任何事物毫无关系，它永远保持不变或不动.

（2）绝对的运动是物体从某一绝对的处所转移到另一绝对的处所.即对于空间的运动存在一个绝对的参考系；时间存在一个绝对的计时系统.

2.马赫的时空观

凡不能由实验证明的概念及陈述，都不应该在物理学理论中占有任何的地位——否认了绝对时空观.

理由：物体的相对位置和相对移动才是可测量的.

（1）空间的位置是相对的.

（2）速度是相对的.

3.伽利略相对性原理

力学定律在一切惯性参考系中具有相同的形式，任何力学实验都不能区分静止和匀速运动的惯性参考系，这就是伽利略相对性原理.该原理最早由伽利略提出，是经典力学的基本原理.

4.狭义相对性原理

物理定律在任何惯性参考系中具有相同的形式，这就是狭义相对性原理.爱因斯坦把伽利略相对性原理从力学领域推广到包括电磁学在内的整个物理领域，指出任何力学和电磁学实验都不能区分静止和匀速运动的惯性参考系.该原理是狭义相对论的基本原理.

名师解惑

1.力学的相对性原理和狭义相对性原理有何区别？

剖析：力学的相对性原理指的是力学现象对一切惯性系来说，都遵从同样的规律；或者说，在研究力学规律时，一切惯性系都是等价的、平权的.因此无法借助力学实验的手段确定惯性系自身的运动状态.

而狭义相对论指的是物理定律在所有惯性系中都是相同的，因此各个惯性系都是等价的，不存在特殊的绝对的惯性系.因此狭义相对论原理所指范围更大，内容更丰富.

2.惯性系和非惯性系的比较

剖析：牛顿运动定律能够成立的参考系叫做惯性系，匀速运动的汽车、轮船等作为参考系就是惯性系.牛顿运动定律不成立的参考系叫做非惯性系.例如我们坐在加速的车厢里，以车厢为参考系观察路边的树木房屋向后方加速运动，根据牛顿运动定律，房屋树木应该受到不为零的合外力作用，但事实上没有，也就是牛顿运动定律不成立.这里加速的车厢就是非惯性系.

3.如何理解狭义相对论两条基本公设？

剖析：（1）爱因斯坦相对性原理：对于描述一切物理过程（包括物体位置变动、电磁以及原子过程）的规律，所有惯性系都是等价的，这里的物理过程包括光在内.爱因斯坦把伽利略的力学相对性原理推广到了电磁物理规律和一切其他规律，成为第一个公设.

（2）光速不变原理：在所有相对光源静止或做匀速直线运动的惯性系中观察，真空中的光速都相同，与光源的运动和观察者的运动没有关系.这一条公设使我们看到一幅与传统观念截然不同的物理图像.设想从一点光源发出一光脉冲，如人从光源在其中保持静止的参考系中观察，波前为以光源为中心的球面；如从相对于光源做匀速直线运动的另一参考系观察，波前将同样是以光源为中心的球面.这预示着与伽利略变换不同的时空观.