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1、第第6章章相对论与天体物理相对论与天体物理2021/8/11 星期三1第第1节牛顿眼中的世界节牛顿眼中的世界第第2节爱因斯坦眼中的世界节爱因斯坦眼中的世界2021/8/11 星期三2课前自主学案课前自主学案核心要点突破核心要点突破课堂互动讲练课堂互动讲练课标定位课标定位知能优化训练知能优化训练 第第2节节2021/8/11 星期三3课标课标定位定位学学习习目目标标：1.知道狭知道狭义义相相对论对论的的实验实验基基础础、基本原、基本原理和主要理和主要结论结论2了解了解经经典典时时空空观观与相与相对论时对论时空空观观的主要区的主要区别别体会相体会相对论对论的建立的建立对对人人类认识类认识世界的影响
2、世界的影响3体会科学探究活体会科学探究活动动中猜想、假中猜想、假设设、发发散性思散性思维维、逻辑逻辑思思维维、实验验证实验验证等研究方法的作用等研究方法的作用重点重点难难点：点：1.“同同时时”的相的相对对性和空性和空间间相相对对性的性的验证验证2长长度的相度的相对对性及性及时间间时间间隔的相隔的相对对性性2021/8/11 星期三4课前自主学案课前自主学案一、一、经经典力学的相典力学的相对对性原理性原理1表表述述一一：力力学学规规律律在在任任何何惯惯性性系系中中都都是是_2表表述述二二：通通过过任任何何力力学学实实验验，都都不不可可能能发发现现惯惯 性性 系系 是是 处处 于于 _状状 态态
3、 还还 是是 在在 做做_，也也就就是是说说，不不可可能能通通过过力力学学实实验测验测得得惯惯性系的性系的_相同的相同的绝对绝对静止静止匀速直匀速直线线运运动动绝对绝对速度速度2021/8/11 星期三5绝对绝对的的二、二、绝对时绝对时空空观观在在牛牛顿顿的的世世界界里里，力力学学规规律律之之所所以以在在任任何何惯惯性性系系中中表表达达形形式式都都相相同同，其其根根本本原原因因是是时时间间与与空空间间不不会会随随参参考考系系不不同同而而变变化化，也也就就是是说说时时间间与与空空间间是是_，这这就就是是绝绝对对时时空空观观绝绝对对_和和绝绝对对_是是经经典物理学的支柱典物理学的支柱时间时间空空间
4、间2021/8/11 星期三6三、三、寻寻找找“以太以太”迈迈克克尔尔孙实验孙实验为为了了检检验验“以以太太”的的存存在在，物物理理学学家家设设计计了了各各种种实实验验，其其中中最最著著名名的的是是迈迈克克尔尔孙孙莫莫雷雷实实验验，这这是是一一个个测测量量_相相对对“以以太太”运运动动的的典典型型实实验验实实验验结结果果是是寻寻找找以以太太的的努努力力失失败败了了这这就就是是有有名名的的迈迈克克尔尔孙孙莫雷莫雷实验实验的的“零零结结果果”地球地球2021/8/11 星期三7四、狭四、狭义义相相对论对论的两条基本原理的两条基本原理1狭狭义义相相对对性性原原理理：物物理理规规律律(力力学学、电电磁
5、磁学学、光光学学等等)对对于于所所有有_都都具具有有相相同同的的形形式式2光光速速不不变变原原理理：在在任任何何惯惯性性系系中中，光光在在真真空空中中的的速速度度_，与与光光源源的的运运动动和和观观测测者者的运的运动动无关无关惯惯性系性系恒恒为为c2021/8/11 星期三8五、狭五、狭义义相相对论对论中的中的时间时间与空与空间间1对对“同同时时”的的认识认识(1)绝绝对对时时空空观观：在在同同一一个个惯惯性性系系中中不不同同地地点点同同时时发发生生的的两两个个事事件件，在在另另一一个个惯惯性性系系中中观观察察也也是是同同时时的，即的，即_是是绝对绝对的的(2)相相对对论论的的时时空空观观：“
6、同同时时”具具有有_性性，即即在在同同一一个个惯惯性性系系中中不不同同地地点点同同时时发发生生的的两两个个事事件件，在在另另一一个个惯惯性性系系中中观观察察不不一一定定是是同同时时的的即即“同同时时”是是_同同时时性性相相对对相相对对的的2021/8/11 星期三92对对“长长度度”的的认识认识(1)绝绝对对时时空空观观：一一条条杆杆的的长长度度不不会会因因为为观观察察者者是是否否与与杆杆做做相相对对运运动动而而不不同同，即即_也也是是绝对绝对的的(2)相相对对论论时时空空观观：“长长度度”也也具具有有_，一一条条沿沿自自身身长长度度方方向向运运动动的的杆杆，其其长长度度总总比比静静止止时时的
7、的长长度度小小，但但在在垂垂直直于于杆杆的的运运动动方方向向上上，杆的杆的长长度没有度没有变变化化空空间间相相对对性性2021/8/11 星期三103时间间时间间隔的相隔的相对对性性(1)绝绝对对时时空空观观：某某事事件件经经历历的的_不不会会因因参参考系不同而不同考系不同而不同(2)相相对对论论时时空空观观：一一个个物物理理过过程程经经历历的的时时间间，在在不不同同的的参参考考系系中中测测量量不不一一定定相相同同，与与之之相相对对静静止止的的参参考考系系测测得得的的时时间间最最短短，称称为为_，惯惯性性系系_越越大大，惯惯性性系系中中的的物物理理过过程程进进行行得越慢得越慢时间时间固有固有时
8、时速度速度2021/8/11 星期三112021/8/11 星期三12核心要点突破核心要点突破一、理解一、理解经经典力学的相典力学的相对对性原理性原理1两种参考系两种参考系(1)惯惯性性系系：牛牛顿顿运运动动定定律律能能够够成成立立的的参参考考系系牛牛顿顿运运动动定定律律在在某某个个参参考考系系中中成成立立，这这个个参参考考系系叫叫惯惯性性系系，相相对对于于这这个个惯惯性性系系做做匀匀速速直直线线运运动动的的另一个参考系也是另一个参考系也是惯惯性系性系2021/8/11 星期三13(2)非非惯惯性性系系：牛牛顿顿运运动动定定律律不不能能成成立立的的参参考考系系例例如如我我们们坐坐在在加加速速的
9、的车车厢厢里里，以以车车厢厢为为参参考考系系观观察察路路边边的的树树木木向向后后方方加加速速运运动动，根根据据牛牛顿顿运运动动定定律律，树树木木应应该该受受到到不不为为零零的的合合外外力力作作用用，但但事事实实上上没没有有，也也就就是是牛牛顿顿运运动动定定律律不不成成立立，即即加加速速运运动动的物体可作的物体可作为为非非惯惯性系性系2021/8/11 星期三142对经对经典力学的相典力学的相对对性原理的性原理的认识认识(1)经经典典力力学学的的相相对对性性原原理理：力力学学规规律律在在任任何何惯惯性系中都是相同的性系中都是相同的(2)这这里的力学里的力学规规律指的是律指的是“经经典力学典力学规
10、规律律”(3)本本原原理理可可以以有有不不同同表表示示，比比如如：在在一一个个惯惯性性参参考考系系内内进进行行的的任任何何力力学学实实验验都都不不能能判判断断这这个个惯惯性性系系是是否否相相对对另另一一个个惯惯性性系系做做匀匀速速直直线线运运动动；或者或者说说，任何，任何惯惯性参考系都是平性参考系都是平权权的的2021/8/11 星期三15即即时应时应用用(即即时时突破，小突破，小试试牛刀牛刀)1一一只只完完全全密密封封而而不不透透明明的的船船正正在在静静水水中中匀匀速速航航行行，船船内内的的人人能能够够感感知知船船在在运运动动吗吗？能能够够测测量量船船的航行速度的航行速度吗吗？如果船是加速航
11、行呢？如果船是加速航行呢？解解析析：如如果果船船是是真真正正的的匀匀速速航航行行，船船内内的的人人又又无无法法以以船船外外的的物物体体为为参参考考系系，则则无无法法感感知知船船在在运运动动，更更不不可可能能测测量量船船的的速速度度这这是是伽伽利利略略相相对对性性原原理理的要求的要求如如果果船船是是加加速速或或减减速速航航行行，船船内内的的人人可可以以利利用用牛牛顿顿定定律律测测量量出出船船的的加加速速度度，但但依依然然不不能能测测量量出出船船的瞬的瞬时时速度速度答案：答案：见见解析解析2021/8/11 星期三16二、二、对对狭狭义义相相对论对论两个基本原理的理解两个基本原理的理解1狭狭义义相
12、相对对性性原原理理：物物理理规规律律(力力学学、电电磁磁学学、光光学学等等)对对于于所所有有惯惯性性系系都都具具有有相相同同的的形形式式爱爱因因斯斯坦坦把把伽伽利利略略的的力力学学相相对对性性原原理理推推广广到到了了电电磁磁物物理理规规律和一切其他物理律和一切其他物理规规律，成律，成为为第一个假第一个假设设2021/8/11 星期三172光光速速不不变变原原理理：在在任任何何惯惯性性系系中中，光光在在真真空空中中的的速速度度恒恒为为c，与与光光源源的的运运动动和和观观测测者者的的运运动动无无关关这这一一条条假假设设使使我我们们看看到到一一幅幅与与传传统统观观念念截截然然不不同同的的物物理理图图
13、像像设设想想从从一一点点光光源源发发出出一一个个光光脉脉冲冲，如如果果人人在在与与光光源源保保持持相相对对静静止止的的参参考考系系中中观观察察，波波前前为为以以光光源源为为中中心心的的球球面面；如如果果在在相相对对于于光光源源做做匀匀速速直直线线运运动动的的另另一一参参考考系系中中观观察察，波波前前将将同同样样是是以以光光源源为为中中心心的的球球面面，这这预预示示着着与与伽伽利利略略变变换换不不同同的的时时空空观观所所以以光光速速不不变变原原理理与与伽伽利利略略速速度度叠叠加加原原理理是是针针锋锋相相对对的的，具具有有观观念念上上的的革命性革命性2021/8/11 星期三18特特别别提提醒醒：
14、以以上上两两条条假假设设就就是是狭狭义义相相对对论论的的基基础础，之之所所以以称称为为假假设设，是是因因为为只只是是根根据据迈迈克克尔尔孙孙一一莫莫雷雷实实验验等等几几个个实实验验提提出出，还还没没有有数数学学上上的的逻逻辑辑推推理理和和推推导导，在在大大量量的的结结论论和和事事实实相相符符后，就成后，就成为为狭狭义义相相对论对论基本原理基本原理2021/8/11 星期三192021/8/11 星期三20根根据据狭狭义义相相对对论论的的假假设设(2)，真真空空中中的的光光速速相相对对于于飞飞船船为为c，相相对对于于地地面面也也为为c，对对不不同同惯惯性性参参考考系系是是相相同同的的，这这一一判
15、判断断已已被被麦麦克克耳耳孙孙莫莫雷雷实验实验所所证实证实答答案案：在在地地面面的的观观察察者者看看来来光光信信号号的的速速度度为为c，不是，不是1.1c.2021/8/11 星期三21三、三、对对狭狭义义相相对论对论几个主要几个主要结论结论的理解的理解1对对相相对论时对论时空空观观的的认识认识(1)“同同时时”是相是相对对的的A、B两两个个事事件件是是否否同同时时发发生生，与与参参考考系系的的选选择择有关有关图图6112021/8/11 星期三22汽汽车车以以较较快快的的速速度度匀匀速速行行驶驶，分分别别以以地地面面和和汽汽车车为为参参考考系系一一个个观观察察者者在在地地面面S处处，另另一一
16、观观察察者者在在汽汽车车车车厢厢中中央央S处处，且且S处处上上方方有有一一闪闪光光光光源源当当汽汽车车经经过过S时时，车车厢厢中中央央的的光光源源发发出出闪闪光光，对对车车上上的的观观察察者者，这这个个闪闪光光照照到到车车厢厢前前壁壁和和后后壁壁这这两两个个事事件件是是同同时时发发生生的的；对对车车下下的的观观察察者者，他他观观察察到到闪闪光光先先到到达达后后壁壁后后到到达达前前壁壁，这这两个事件是不同两个事件是不同时发时发生的生的2021/8/11 星期三23(2)长长度的相度的相对对性性(长长度度缩缩短效短效应应)长长度度的的测测量量方方法法：同同时时测测出出杆杆的的两两端端M、N的的位位
17、置置坐坐标标，坐，坐标标之差就是之差就是测测出的杆出的杆长长图图6122021/8/11 星期三242021/8/11 星期三252021/8/11 星期三262021/8/11 星期三272021/8/11 星期三28课堂互动讲练课堂互动讲练类型一类型一“同时同时”相对性的理解相对性的理解一一列列火火车车以以速速度度v相相对对地地面面运运动动如如果果地地面面上上的的人人测测得得，某某光光源源发发出出的的闪闪光光同同时时到到达达车车厢厢的的前前壁壁和和后后壁壁(如如图图613所所示示)，那那么么按按照照火火车车上上人人的的测测量量，闪闪光光先先到到达达前前壁壁还还是是后后壁壁？火火车车上上的的
18、人人怎怎样样解解释释自己的自己的测测量量结结果？果？例例例例1 1图图6132021/8/11 星期三29【精精讲讲精精析析】由由于于地地面面上上人人测测得得闪闪光光同同时时到到达达前前后后两两壁壁，在在光光向向前前后后两两壁壁传传播播的的过过程程中中火火车车要要相相对对于于地地面面向向前前运运动动一一段段距距离离所所以以光光源源发发光光的的位位置置一一定定离离前前壁壁较较近近，这这个个事事实实对对于于车车上上、车车下下的的人人都都是是一一样样的的，在在车车上上的的人人看看来来，既既然然发发光光点点离离前前壁壁较较近近，各各个个方方向向的的光光速速又又都都是一是一样样的，当然的，当然闪闪光先到
19、达前壁光先到达前壁【答案答案】见见精精讲讲精析精析2021/8/11 星期三30变变式式训训练练1(1)如如果果光光源源在在运运动动火火车车车车厢厢的的中中点点，火火车车上上的的人人会会感感到到闪闪光光同同时时到到达达车车厢厢的的前前壁壁和和后后壁壁吗吗？站站在在车车厢厢一一侧侧地地面面上上的的人人感感觉觉怎怎样样？(2)如如果果是是车车厢厢静静止止，光光源源固固定定在在火火车车车车厢厢正正中中央央，车车上上有有一一人人坐坐在在车车厢厢上上，车车下下有有一一人人沿沿车车厢厢方方向向向向右右运运动动(速速度度v，向向右右为为前前)那那么么两两人人此此时时的感的感觉觉又如何？又如何？2021/8/
20、11 星期三31解解析析：(1)车车厢厢里里静静止止的的人人会会感感到到闪闪光光同同时时到到达达车车厢厢的的前前壁壁和和后后壁壁；而而车车下下地地面面上上静静止止的的人人会会感到感到闪闪光先到达后壁，理由同例光先到达后壁，理由同例1.(2)如如果果车车厢厢是是静静止止的的，地地面面上上的的人人是是运运动动的的，则则坐坐在在车车厢厢里里的的人人会会感感觉觉闪闪光光同同时时到到达达车车厢厢的的前前壁壁和和后后壁壁；而而车车下下行行走走的的人人会会感感到到闪闪光光先先到到达前壁，理由同例达前壁，理由同例1.答案：答案：见见解析解析2021/8/11 星期三32如如图图614，假假设设一一根根10m长
21、长的的梭梭镖镖以以光光速速穿穿过过一一根根10m长长的的管管子子，它它们们的的长长度度都都是是在在静静止止状状态态下下测测量量的的以以下下叙叙述述中中最最好好的的描描述述了了梭梭镖镖穿穿过过管子的情况的是管子的情况的是()例例例例2 2类型二类型二时间时间、空、空间间的相的相对对性性问题问题图图6142021/8/11 星期三33A梭梭镖镖收收缩缩变变短短，因因此此在在某某些些位位置置上上，管管子子能能完全遮住它完全遮住它B管管子子收收缩缩变变短短，因因此此在在某某些些位位置置上上，因因此此在在某个位置，管子恰好遮住梭某个位置，管子恰好遮住梭镖镖C两两者者都都收收缩缩，且且收收缩缩量量相相等等
22、，因因此此在在某某个个位位置，管子恰好遮住梭置，管子恰好遮住梭镖镖D所有所有这这些都与些都与观观察者的运察者的运动动情况有关情况有关2021/8/11 星期三34【精精讲讲精精析析】如如果果你你是是在在相相对对于于管管子子静静止止的的参参考考系系中中观观察察运运动动着着的的梭梭镖镖，那那么么梭梭镖镖看看起起来来就就比比管管子子短短，在在某某些些位位置置梭梭镖镖会会完完全全处处在在管管子子内内部部然然而而当当你你和和梭梭镖镖相相对对静静止止时时，你你看看到到的的管管子子就就缩缩短短了了，所所以以在在某某些些位位置置，你你可可以以看看到到梭梭镖镖两两端端都都伸出管子答案伸出管子答案为为D.【答案答
23、案】D2021/8/11 星期三35【方方法法总总结结】(1)相相对对论论中中的的长长度度是是相相对对的的，在在不不同同惯惯性性系系中中观观察察结结果果是是不不同同的的，解解题题时时必必须须明明确确所所取取长长度度是是相相对对哪哪一一个个参参考考系系而而言言，即即在在哪哪一一个个参参考考系系中中测测量量或或观观察察的的结结果果(2)平平时时我我们们观观察察不不到到这这种种长长度度收收缩缩，是是由由于于我我们们生生活活在比光速低得多的低速世界中在比光速低得多的低速世界中2021/8/11 星期三36变变式式训训练练2人人马马星星座座a星星是是离离太太阳阳系系最最近近的的恒恒星星，它它距距地地球球
24、4.31016 m设设有有一一宇宇宙宙飞飞船船往往返返于于地地球球和和人人马马星星座座a星星之之间间若若宇宇宙宙飞飞船船的的速速度度为为0.999c，按按地地球球上上的的时时钟钟计计算算，飞飞船船往往返返一一次次需需多多少少时时间间？如如以以飞飞船船上上的的时时钟钟计计算算，往返一次的往返一次的时间时间又又为为多少？多少？2021/8/11 星期三37答案：答案：9年年0.4年年2021/8/11 星期三38例例例例3 3类型三类型三相相对论对论速度叠加公式的理解速度叠加公式的理解2021/8/11 星期三39(1)如如果果u和和v都都很很大大，例例如如u0.6c，v0.6c，它它们们的的合合
25、速速度度会会不不会会超超过过光光速速？如如果果u和和v更更大大些呢？些呢？(2)若若uc，即即在在运运动动参参考考系系中中观观察察光光的的速速度度是是c，求求证证：uc，即即在在另另一一个个参参考考系系中中光光的的速速度度也是也是c，而与，而与v的大小无关的大小无关2021/8/11 星期三402021/8/11 星期三41【答案答案】见见自主解答自主解答2021/8/11 星期三42【方方法法总总结结】按按照照经经典典的的时时空空观观，uuv.而而从从相相对对论论的的速速度度叠叠加加来来看看，实实际际上上人人对对地地面面的的速速度度u比比u与与v之之和和要要小小，不不过过只只有有在在u和和u
26、的的大大小小可以与可以与c相比相比时时才会才会观观察到察到这这个差个差别别如如果果车车上上人人的的运运动动方方向向与与火火车车的的运运动动方方向向相相反反，则则u取取负值负值2021/8/11 星期三43变变式式训训练练3地地球球上上一一观观察察者者，看看见见一一飞飞船船A以以速速度度2.5108 m/s从从他他身身边边飞飞过过，另另一一飞飞船船B以以速速度度2.0108 m/s跟随跟随A飞飞行求：行求：(1)A上的乘客看到上的乘客看到B的相的相对对速度；速度；(2)B上的乘客看到上的乘客看到A的相的相对对速度速度2021/8/11 星期三44答答案案：(1)1.125108 m/s(2)1.125108 m/s2021/8/11 星期三452021/8/11 星期三46