高中物理第十五章相对论简介第1节相对论的诞生第2节时间和空间的相对性课下新人教版选修3_4
高中物理(课件)第十五章 相对论简介 1 2
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2．“动钟变慢”
时间间隔的相对性公式
Δ t＝
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 u 高速运动的观察者测
量同一地点的同样两个事件发生的时间间隔．
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3．分析时间间隔和长度变化时应注意的问题 (1)时间间隔、长度的变化，都是由于物质的相对运动引起的一种观测效应， 它与所选取的参考系有关，物质本身的结构并没有变化． (2)两个事件的时间间隔和物体的长度，必须与所选取的参考系相联系，如 果在没有选取参考系的情况下讨论时间的长短及空间的尺寸，是没有任何意义 的．
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知识脉络
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相对论的诞生
[先填空] 1．经典的相对性原理 (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__参__考__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．
A．时间是绝对的，空间是相对的
B．时间和空间都是绝对的，在任何参考系中一个事件发生的时间和一个物
体的长度总不会改变
C．在地面上的人看来，高速运动的飞船中的时钟会变慢，但是飞船中的宇
航员却看到时钟是准确的
D．在地面上的人看来，高速运动的飞船在运动方向上会变窄，而飞船中的
宇航员却感觉到地面上的人看起来比飞船中的人扁一些
(3)相对长度公式：设相对于杆静止的观察者认为杆的长度为 l0，与杆有相
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第十五章
第1、
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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、
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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
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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_____
人教版高中物理选修3-4第十五章相对论简介 全单元课堂精品课件
中的光速都是一个常量，c＝3.0×108米/
秒，与传播的方向无关，与光源的速度
也无关。
12
作业 ❖P100 1 2 3
13
第二节 时间和空间的相对性
14
❖ 经典的时空概念
❖ 我们在学习力学时，总要涉及时间间隔和空间 距离的计算或测量。早在牛顿建立经典力学时，
就考虑并形成了绝对时空的概念。他认为全宇
Δt=
H v
0
=
3.84×108 0.3×3.0×108
=
4.27s
在飞船上测量，地球到月球的距离H为
H=H0 1
v2 c2
= 3.84×ห้องสมุดไป่ตู้02
1-0.32
= 3.67×108m
在飞船上测量，飞船的旅行时间为：
Δt′ =
H v
=
3.67×108 0.3×3.0×108
=
4.08s
34
结束 目录
飞船的飞行时间也可以这样求得：对于飞船 上的观察者来说，从地球出发及到达月球这两事 件都发生在飞船上，他所测得的时间为固有时间
练习2 假设宇宙飞船从地球射出，沿直线 到达月球，距离是3.84×108m，它的速率 在地球上被量得为0.30c。根据地球上的时 钟，这次旅行花多长时间？根据宇宙飞船所 做的测量，地球和月球的距离是多少？怎样 根据这个算得的距离，求出宇宙飞船上时钟 所读出的旅行时间？
33
结束 目录
解：设地球至月球的距离为H0,飞船的速度为v,地 球上的观察者测得飞船从地球到月球的时间为Δt
❖ 从麦氏方程组中解出的光在真空中的传播速度与光源的
速度无关。如果光波也和声波一样，是靠一种媒质(以
太)传播的，那么光速相对于绝对静止的以太就应该是
高中物理 第十五章 相对论简介 第一节相对论的诞生,第二节 时间和空间的相对性课件 新人教版选修34
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与
杆做相对运动而不同．
(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，其长度总比静止时的长度小．
设相对于杆静止的观察者认为杆的长度为l0，与杆有相对 运动的人认为杆的长度为l，杆相对于观察者的速度为v，则
前移动了一段距离，镜子已跟随车厢移动到C，灯也从A移动
到D.光信号再从镜子反射到灯的过程中，灯已从D移动到A′.
设火车的速度为v，小芳所测得的光信号往返时间为Δt.根据光
速不变原理，ACA′＝cΔt，应用勾股定理可得(
vΔt 2
)2＝(
cΔt 2
)2
－h2.
第三十二页，共34页。
这里用到了相对论的第二个假设，即对地面参考系来说， 光速也是c.
Δt＝
Δτ ，显然两者不相等． 1－vc2
第三十四页，共34页。
以上两式消去h可得Δt′＝Δt 1－vc2 因为 1－vc2<1，所以总有Δt>Δt′.
第三十三页，共34页。
这是一个令人吃惊的结论：光信号往返的时间，地面上的 人(小芳)和车厢里的人(小明)测量的结果不一样，地面上的人 测得的时间(Δt)要比车厢里的人测得的时间(Δt′)长些．
【答案】 小明观测的时间Δτ＝2h/c，小芳观测的时间
第三页，共34页。
教材知识梳理
感受自主学习 收获成果
第四页，共34页。
一、经典相对性原理与狭义相对论的两个基本假设 1．经典的相对性原理 (1)惯性系：牛顿运动定律能够成立的参考系．相对一个 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．
高中物理第十五章相对论简介第1节相对论的诞生第2节时间和空间的相对性随堂检测新人教选修
第1节 相对论的诞生 第2节 时间和空间的相对性1．(对应要点一)关于时间和空间，在学习狭义相对论后我们应认识到( )A ．因为时间是绝对的，所以我们在不同的参考系中观察到的时间进程都是相同的B ．空间与时间之间是没有联系的C ．有物质才有空间和时间D ．在一个确定的参考系中观察，运动物体的空间距离和时间进程跟物体的运动状态有关解析：经典物理学认为空间和时间是脱离物质存在的，是绝对的，空间与时间之间也是没有联系的，在相对论力学中，时间和空间是和物质的运动相联系的。
只有在物质存在时才有空间和时间的概念，时间和空间是相互联系且是相对的。
答案：CD2．(对应要点一)下列说法中正确的是A ．相对性原理能简单而自然地解释电磁学的问题B ．在真空中，若物体以速度v 背离光源运动，则光相对物体的速度为c －vC ．在真空中，若光源向着观察者以速度v 运动，则光相对于观察者的速度为c ＋vD ．迈克耳孙—莫雷实验得出的结论是：不论光源与观察者做怎样的相对运动，光速都是一样的解析：相对性原理简单而自然，但在电磁学的领域里，涉及到相对哪个参考系才成立的问题，故选项A 错误；根据狭义相对论的光速不变原理，故选项B 、C 错误，D 正确。
答案：D3．(对应要点二)用相对论的观点判断，下列说法不．正确的是( ) A ．时间和空间都是绝对的，在任何参考系中一个事件发生的时间和一个物体的长度总不会改变B ．在地面上的人看来，以10 km/s 的速度运动的飞船中的时钟会变慢，但是飞船中的宇航员却看到时钟是准确的C ．在地面上的人看来，以10 km/s 的速度运动的飞船在运动方向上会变窄，而飞船中的宇航员却感觉到地面上的人看起来比船中的人扁一些D ．当物体运动的速度v ≪c 时，“时间膨胀”和“长度收缩”效果可忽略不计解析：时间和空间都是相对的，故选项A 的说法错误；根据“时间膨胀”和“长度收缩”效应，选项B 、C 的说法正确；当速度v ≪c 时，1－(v c )2≈1，所以“时间膨胀”和“长度收缩”效应可忽略不计，故选项D 说法正确。
2020_2021学年高中物理第十五章相对论简介1相对论的诞生2时间和空间的相对性课件新人教版选修3_4
知识结构导图
核心素养目标 物理观念：经典相对性原理和狭义相对论的两个假设． 科学思维：经典理论与狭义相对论的区别． 科学探究：探究时间和空间的相对性． 科学态度与责任：会利用相对论时空观解释与日常生活相关的 时间和长度的相对性问题．
一、相对论的诞生 1．经典的相对性原理 (1)惯性系 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)相对性原理 ___力__学___规律在任何__惯__性____系中都是相同的．
提醒：①时间间隔、长度的变化，都是由于物质的相对运动引 起的一种观测效应，它与所选取的参考系有关，物质本身的结构并 没有变化．
②两个事件的时间间隔和物体的长度，必须与所选取的参考系 相联系，如果在没有选取参考系的情况下讨论时间的长短及空间的 尺寸，是没有任何意义的．
【例 2】 如图所示，假设一根 10 m 长的梭镖以光速穿过一根 10 m 长的管子，它们的长度都是在静止状态下测量的，下列关于梭 镖穿过管子情况的描述最恰当的是( )
A．乙观察到甲身高变高 B．甲观察到乙身高变低 C．若甲向乙挥手，则乙观察到甲动作变快 D．若甲向乙发出一束光进行联络，则乙观察到该光束的传播 速度为 c
解析：因为人是站立在飞船中的，垂直于飞船速度的方向上没 有尺缩效应，即甲、乙观察到对方的身高不变，A、B 错误；根据 相对论的钟慢效应，可以推测两人在接近光速运动时，相对地球来 说时间都变慢了，但乙比甲的速度大，因此可以推测，乙观察到甲 动作变慢了，C 错误；根据爱因斯坦光速不变原理，乙观察到该光 束的传播速度仍为 c，D 正确．
答案：BCD
高中物理选修3-4优质课件：15.1-15.2相对论的诞生 时间和空间的相对性
正确.
解析答案
例2 如图2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， 则壮壮观测到该光束的传播速度为( D )
图2
A.0.4c
B.0.5c
C.0.9c
D.c
解析 根据爱因斯坦相对论，在任何参考系中，光速不变，即光速不
解析答案
1234
2.(对狭义相对论的理解)(多选)下面说法正确的是( CD )
A.在以
1
1 000
c沿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
B.在以
1
1 000
c沿竖直方向升空的火箭上向后发出的光，对地速度一定比c小
C.在以
1
1 000
c沿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
解析 因为长度收缩只发生在运动的方向上，在垂直运动的方向上没 有这种效应，故测得的飞船的高度仍为原来高度10 m.设飞船原长为l0， 观测到飞船的长度为l， 则根据尺缩效应有 l＝l0 1－vc2＝100× 1－0.6c0c2 m＝80 m. 所以观测到飞船的高度和长度分别为10 m、80 m.
答案 观测到飞船的高度和长度分别为10 m、80 m
答案
(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 时的长度小.与杆相对静止的人认为杆长为l0，
与杆相对运动的人认为杆长是l，那么两者之间的关系是：l＝l0 3.时间间隔的相对性
1－vc2.
(1)经典物理学认为：某两个事件，在不同的惯性系中观察，它们的时
随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变，所以壮壮观测到该光
高中物理第十五章相对论简介1相对论的诞生2时刻和空间
1 相对论的诞生2 时刻和空间的相对性课堂互动三点剖析1.狭义相对论的两个大体假设(1)狭义相对性原理：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系中都是相同的。
2.同时的相对性，长度的相对性，时刻距离的相对性。
同时的相对性：在经典物理学上，若是两个事件在一个参考系中以为是同时的，在另一个参考系中必然也是同时的；而按照爱因斯坦的两个假设，同时是相对的。
长度的相对性：(1)经典物理学以为，一条杆的长度不会因为观察者是不是与杆做相对运动而不同。
(2)若是与杆相对静止的人以为杆长是Ｌ0，与杆相对运动的人以为杆长是L ，则二者之间的关系为L=20)(1c v L -(3)一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比静止时的长度小。
时刻距离的相对性:运动的人以为两个事件时刻距离为Δt′，地面观察者测得的时刻距离为Δt，二者之间关系为Δt=2)(1cv t -'∆。
3.相对论的时空观，相对性与绝对性。
相对论的时空观：相对论以为空间和时刻之间是有联系的，与物质的运动状态有关。
相对性与绝对性：时容量度是相对的，但客观事物的存在、发生与进展的进程又是绝对的，不以观察者所处的参考系的不同而改变。
各个击破【例1】 判断是不是正确：伽利略相针对性原理和爱因斯坦相对性原理是相同的。
解析：伽利略相对性原理适用于低速，爱因斯坦相对论适用于高速。
答案：错。
类题演练 牛顿的经典力学只适用于_________和_________。
答案：宏观 低速【例2】 假定一列火车沿着固定在惯性参考系K 中的直线轨道以不变的速度u 运动(u 较大)，第二惯性参考系K′连接在火车上，与火车一路运动，假定从火车的前后每一端发出一个闪电，有人出此刻K 系B 点，B 在A 和C 正中间，如图15-2-1所示，他观测到闪电同一瞬时抵达B 点，则坐在火车上中点B′的另一个观察者观测到什么样的“事件”？图15-2-1解析：坐在火车上中点B′的一个观察者发觉，来自火车前端C′的闪光比来自后端A′的闪光先期抵达B′。
高中物理第十五章相对论简介1相对论的诞生2时间和空间的相对性课前预习素材新人教版选修3-4(new)
1 相对论的诞生2 时间和空间的相对性课前预习情景素材1.19世纪末期，经典物理学形成了完整的科学体系,自然界的各种物理现象几乎无一不能用它们来解释。
1900年著名物理学家汤姆孙充满自信地宣称：科学的大厦已经基本完成，未来的物理学只要做一些修修补补的工作就可以了。
不过他也承认，“明朗的天空中还有两朵小小的，令人不安的乌云”.那么这两朵乌云分别是什么？它们又引发了什么新理论?简答：分别是黑体辐射和光的速度。
对它们的研究分别摧生了量子理论和相对论。
2。
什么是时间？什么是空间？时间和空间有什么性质？经典物理学对这些问题并没有正面回答.但是从它对问题的处理上,我们体会到,经典物理学认为空间和时间是脱离物质而存在的，是绝对的，空间与时间之间也是没有联系的.那么，相对论的时空观是否也是这样认为呢？简答：相对论的时空观认为空间和时间与物质的运动状态有关。
知识预览一、相对论的诞生1。
伽利略的相对性原理是：___________________。
答案：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分别是___________；________________。
答案：狭义相对性原理光速不变原理3.狭义相对性原理是指:___________________.答案:在不同惯性参考系中，一切物理定律都是相同的4。
光速不变原理的内容是:___________________。
答案:真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的5。
如果__________在某个参考系中成立，这个参考系叫做惯性系。
答案：牛顿运动定律二、时间和空间的相对性1。
长度的相对性是指，相对于观察者运动的物体的长度，总是________静止时的物体的长度。
答案:小于2。
同时的相对性是指,在不同的地点发生的两个事件，在一个惯性系里是同时的，但在另一个惯性系里看来却_________同时的。
答案：不是3.时间间隔的相对性是,某两个事件在不同的惯性系中观察，他们发生的时间间隔是___________的。
2018_2019学年高中物理第十五章相对论简介第1_2节相对论的诞生时间和空间的相对性课件(人教版)选修3_4
读一读
辨一辨
二、时间和空间的相对性 阅读教材第98~103页,了解时间和空间的相对性,体会相对论时 空观与低速世界情景的差异。 1.如何认识“同时”的相对性? 答案：“同时”是指两个事件发生的时刻是一样的。“同时”的相 对性是说,在一个惯性系中同时发生的两个事件,在另一个惯性系 中则可能不是同时发生的,即“同时”是相对的,也就是说,有人看到 同时发生的事件,在其他观察者眼里可能不是同时发生的。
读一读
辨一辨
2.探究讨论。 说说你对狭义相对论两个基本假设的认识,为什么这两个观点不 叫定律而叫假设? 答案：前一个假设是解决参考系的问题,爱因斯坦认为自然界不 存在特殊的惯性参考系,所以相对性原理的内容是在不同的惯性参 考系中,一切物理规律都是相同的。第二个假设解决电磁学规律不 能和经典的惯性参考系相兼容的问题,内容是真空中的光速在不同 的惯性参考系中都是相同的。能够验证这两个观点的实验非常有 限,只有从这两个假设出发,经过逻辑推理(包括数学推导)所得出的 大量结论都与事实相符,才能证实它的正确性。
探究一
探究二
问题导引
经典的相对性原理与狭义相对性原理
根据图示考虑以下几下问题
名师精讲
典例剖析
(1)如图所示,参考系O'相对于参考系O静止时,人测得的光速应是 多少?
(2)参考系O'相对于参考系O以速度v向右运动,人测得的光速应 是多少?
(3)参考系O'相对于参考系O以速度v向左运动,人测得的光速又 是多少?
运动)所经历的时间,在不同的参考系中测量都是相同的,而与参考
系的选取无关
C.在经典力学的时空观中,空间距离是绝对的,即如果各个参考系
中用来测量长度的标准相同,那么空间两点的距离是绝对的不变的
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第1节相对论的诞生第2节时间和空间的相对性
1．根据伽利略相对性原理，可以得到下列结论( )
A．任何力学规律在惯性系中都是相同的
B．同一力学规律在不同的惯性系中可能不同
C．在一个惯性参照系里不能用力学实验判断该参照系是否在匀速运动
D．在一个惯性参照系里可以用力学实验判断该参照系是否在匀速运动
解析：伽利略的相对性原理是：力学规律在任何惯性系中都是相同的，故选项A正确，B错误；根据伽利略相对性原理的另一种表述，选项C正确，D错误。
答案：AC
2．在狭义相对论中，下列说法中哪些是正确的( )
①一切运动物体相对于观察者的速度都不能大于真空中的光速
②长度、时间的测量结果都是随物体与观察者的相对状态而改变
③惯性系中的观察者观察一个与他做匀速相对运动的时钟时，会看到这个时钟比与他相对静止的时钟走得慢些
A．①③B．①②
C．①②③D．②③
解析：根据狭义相对论可知，光速是物体的极限速度，①正确；长度相对性和时间间隔的相对性可知②、③均正确。
故选C。
答案：C
3．(2011·江苏高考)如图1所示，沿平直铁路线有间距相等的三座铁塔A、B和C。
假想有一列车沿AC方向以接近光速行驶，当铁塔B发出一个闪光，列车上的观测者测得A、C 两铁塔被照亮的顺序是( )
图1
A．同时被照亮B．A先被照亮
C．C先被照亮D．无法判断
解析：列车上的观察者看到的是由B出发后经过A和C反射的光，由于列车在这段时间内向C运动靠近C，而远离A，所以C反射光先到达列车上的观察者，看到C先被照亮，故只有C正确。
答案：C
4．某宇航员要到离地球5光年的星球上去旅行，如果希望把这段路程缩短为3光年，则他所乘飞船相对地球的速度为( )
A ．0.5 c
B ．0.6 c
C ．0.8 c
D ．0.9 c
解析：由l ＝l 01－v 2c 2，且l l 0＝35，可得v ＝4
5
c ＝0.8 c ，故选项C 正确。
答案：C
5．惯性系S 中有一边长为l 的正方形(如图2A 所示)。
从相对S 系沿x 方向以接近光速飞行的飞行器上测得该正方形的图像是( )
图2
解析：由相对论知识l ＝l 0 1－
v
c
2
得运动方向上的边的边长变短，垂直运动方向
的边的边长不变，C 图像正确。
答案：C
6．爱因斯坦狭义相对论的两个假设：
(1)爱因斯坦相对性原理：_________________________________________________。
(2)光速不变原理：_______________________________________________________。
解析：(1)在不同惯性参考系中，一切物理规律都是相同的；(2)真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的。
答案：见解析
7．如图3所示，在列车车厢的光滑水平面上有一质量为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 T ＝5 N 的拉力作用，求经10 s 时间，车厢里的观察者看到小球的速度为________m/s ，地面上的观察者看到小球的速度为________m/s 。
图3
解析：对车上的观察者：
小球的初速度为0，加速度a ＝F T m
＝1 m/s 2,
10 s 末小球的速度v 1＝at ＝10 m/s 。
对地上的观察者：
小球的初速度v 0＝20 m/s ，加速度仍为a ＝F T
m
＝1 m/s 2,
10 s 末小球的速度v 2＝v 0＋at ＝30 m/s 。
答案：10 30
8．地面上长100 km 的铁路上空有一火箭沿铁路方向以30 km/s 的速度掠过，则火箭上的人看到铁路的长度应该为________km ，如果火箭的速度达到0.6 c ，则火箭上的人看到的铁路的长度又是________km 。
解析：当火箭速度较低时，长度基本不变，还是100 km 。
当火箭的速度达到0.6 c 时，由相对论长度公式l ＝l 0
1－
v c
2
，代入相应的数据解得：
l ＝100×1－0.62 km ＝80 km 。
答案：100 80
9．π＋
介子是一种不稳定粒子，平均寿命是2.6×10－8
s (在自己的参考系中测得)。
(1)如果此粒子相对于实验室以0.8 c 的速度运动，那么在实验室坐标系中测量的π＋
介子寿命多长？
(2)π＋
介子在衰变前运动了多长距离？ 解析：(1)π＋
介子在实验室中的寿命为 Δt ＝
Δτ
1－
v c
2
＝
2.6×10
－81－0.8
2
s ＝4.3×10－8
s 。
(2)该粒子在衰变前运动的距离为
x ＝v Δt ＝0.8×3×108×4.3×10－8 m ＝10.32 m 。
答案：(1)4.3×10－8
s (2)10.32 m。