高中物理 6.4相对论的速度变换公式 质能关系课件 教科版选修3-4

【方法总结】
在两个惯性系中，虽然观察
到的结果并不相同，一个10 m/s，另一个30
m/s，但我们却应用了同样的运动定律和速
度合成法则．
第二节
狭义相对论的两个基本假设
狭义相对论提出的历史背景
19世纪后半叶，关于电磁场的研究不断深入， 人们认识到了光的电磁本质．我们已经知道，电 磁波是以巨大且有限的速度传播的，因此在电磁 场的研究中不断遇到一些矛盾，这些矛盾导致了 相对论的Βιβλιοθήκη 现．狭义相对论的两个基本假设
光速不变原理
在任何惯性系中，光在真空中的速度恒为c， 与光源的运动和观测者的运动无关
光速不变原理与伽利略速度叠加原理是针锋 相对的，具有观念上的革命性．
例.下列几种说法： ①所有惯性系统对物理基本规律都是等价的． ②在真空中，光的速度与光的频率、光源的运动状态无关．
③在任何惯性系中，光在真空中沿任何方向的传播速度都相
如果在车厢运动的速度远小于光速时， 在光到达车壁时间内，车厢运动的距 离观察不出来，所以经典时空观中的 同时的绝对性是在参考系低速运动的 情况下得出的结论。
例：如图所示，沿铁道排列的A、B两电杆正中央安装 一闪光装置C，光信号到达A电杆称为事件1，到达B电 杆称为事件2.则( D ) A．在地面观察者看来，事件1比事件2先发生；从车厢 中观察者看来，事件1、2同时发生 B．在地面观察者看来，事件1比事件2后发生；从车厢 中观察者看来，事件1、2同时发生 C．在地面观察者看来，事件1、2同时发生；从车厢中 观察者看来，事件2比事件1后发生 D．在地面观察者看来，事件1、2同时发生；从车厢中 观察者看来，事件2比事件1先发生
科学的旗手—爱因斯坦
1909—1914 进入大学工作
（苏黎世、布拉格等地）
1914—1933 柏林大学教授、 德国物理研究所所长、院士 1916 提出广义相对论
1933—1955 美国普林斯顿大学 高级研究所研究员 1955.4.18 逝世
1879-1955
相对论是关于时空和引力的基本理论， 主要由爱因斯坦创立，分为狭义相对论 (特殊相对论)和广义相对论(一般相对论)。 相对论的基本假设是光速不变原理，相 对性原理和等效原理。相对论和量子力 学是现代物理学的两大基本支柱。相对 论极大的改变了人类对宇宙和自然的 “常识性”观念，提出了“同时的相对 性”，“四维时空”“弯曲空间”等全 新的概念。
(1)同时的绝对性：在一个参考系中同时发生的事件， 在其他参考系中观察也是同时的．
(2)时间间隔的绝对性：任何事件经历的时间在不同的 参考系中测量都是相同的． (3)长度的绝对性：无论选用什么参考系，对空间两 点距离的测量结果是相同的． (4)物体的质量不随物体的运动而改变．
因此，在经典时空观下，长度、时间、质量这三个基 本物理量都与参考系的选择无关．
出的光，对地速度都为 c
第三节
时间、长度的相对性
同时的相对性
在一个参考系中观察同时发生的两件事，在 另一参考系中观察不同时发生
在车厢内观察
在站台上观察
狭义相对论简介
同时的相对性 我看到闪光到达车厢的 前壁和后壁是“同时” 的
v
光源
到底是 谁错了？
我看到闪光先到达后 壁，后到达前壁
根据光速不变假设，二人说法都是对的。因此， 对不同的观察者来说，“同时”是相对的
第一节 牛顿力学中运动的相对性
惯性系：
牛顿运动定律能够成立的参考系．
在参考系中的物体F合=0时，物体保 持静止或匀速运动，这样的参考系 就叫惯性系。 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
思考：什么是非惯性系？
伽利略相对性原理：
力学规律在任何惯性系中都是相同的。 这个论述叫做伽利略相对性原理
例：哥哥乘坐宇宙飞船以接近光的速度离开地 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．则该现象 的科学解释是( C ) 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，在其上时间 进程就越慢，生理过程也越慢 D．这是神话，科学无法解释
（又叫经典相对性原理）
伽利略相对性原理的三种表述
(1)表述一：力学规律在任何惯性系中都是相同的．
(2)表述二：通过任何力学实验，都不可能发现 惯性系是处于绝对静止状态还是在做匀速直线运动． (3)表述三：任何惯性参考系都是平权的．
经典时空观：（绝对时空观）
时间和空间彼此独立、互不关联，且不受 物质运动的影响．
同． 关于上述说法( D )
A．只有①②是正确的 B．只有①③是正确的 C．只有②③是正确的 D．三种说法都是正确的
例. 判断下列说法是否正确 ( CD ) 1 A．在以 1000c 竖直方向升空的火箭上向前发出的光， 对地速度一定比 c 大 1 B．在以 1000c 竖直方向升空的火箭上向后发出的光， 对箭速度一定比 c 大 1 C．在以 c 1000 竖直方向升空的火箭上沿水平方向发 出的光，对地速度为 c 1 D． 在以 c 竖直方向升空的火箭上向任一方向发 1000
伽利略速度变换
在绝对时空观下： 在相对地面以速率u开行的车厢内，某人相对于车厢 以速率v′向前急跑时相对地面的速率
v
v＝u＋v′
如果他向后跑时，相对于地面的速率v
v＝u－v′
例：如图所示，在列车车厢的光滑水平面上有一个 质量为m＝5 kg的小球，正随车厢一起以20 m/s的速 度匀速前进，现在给小球一个水平向前的F＝5 N的 拉力作用，求经10 s时，车厢里的观察者和地面的观 察者看到小球的速度分别是多少？
矛盾之一：光速问题
为什么 呢？？?
对惯性系S，光源发出的光速是c 若惯性系S’相对于S以速度v 运动 对惯性系S’，光源发出的光速是c-v
为什么电磁规律 对两个惯性系不 一样了呢？
狭义相对论的两个基本假设
狭义相对性原理
物理规律(力学、电磁学、光学等)对于 所有惯性系都具有相同的形式
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物理规律，成为第一 个假设．
运动时钟的变慢
u
固有时为 0
在站台上观测
时间间隔为
由狭义相对论导出时间变换公式：

注意：
0
u 1 2 c
2
0
（1）时钟延缓效应并不是钟由于相对运动而发生了物理结 构上的变化，而是由相对运动的不同观测者对时间进行量 度时引起的一种观测效应。
（2）当u远小于光速时，时间间隔相差很小，这就是人 们能够接受经典时空观的原因。