1、1第 1 讲 牛顿眼中的世界 爱因斯坦眼中的世界目标定位 1.知道经典力学的相对性原理，知道狭义相对论的实验基础和它的两个基本假设.2.知道狭义相对论的几个主要结论.3.了解绝对时空观与相对论时空观的主要区别，体会相对论的建立对人类认识世界的影响.4.知道相对论速度变换公式一、牛顿眼中的世界1经典力学的相对性原理(1)经典力学的相对性原理：力学规律在任何惯性系中都是相同的(2)惯性系：处于静止或匀速直线运动状态的物体2绝对时空观(1)绝对时空观：时间和空间是绝对的(2)绝对时间：“同时”是绝对的，时间也是绝对的，时间永远均匀地流逝着，与物质无关，与运动无关(3)绝对空间：宇宙中存在一个绝对静止
2、的惯性参考系，力学规律首先应当能在这个参考系中准确地陈述，这个绝对静止的惯性系与时间无关，永恒不变，它可以脱离物质独立存在二、爱因斯坦眼中的世界1狭义相对论的两条基本原理(1)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(2)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2狭义相对论中的时间与空间(1)同时是相对的狭义相对论中的“同时”不再具有绝对的意义，不同惯性参考系的观察者对两个事件是否“同时”发生的回答可能是不同的，这与观察者所在参考系的运动有关，即“同时”是相对的时间延缓效应同一个物理过程，乘客测得时间为 t，站
3、台上的观察者测得的时间为 t，则 t与 t 的关系为： t t1 v2c22(2)长度是相对的在狭义相对论时空观中，长度也与观察者的运动状态有关长度缩短效应地面观察者测得的长度为 l，相对观察者静止时测得的长度为 l0，则 l l01 v2c23相对论的速度叠加狭义相对论的速度叠加公式为 uu v1 vuc2u 是物体相对静止参考系的速度， v 是运动参考系相对静止参考系的速度， u是物体相对运动参考系的速度一、对狭义相对论的理解1各物理量有可能因为所选择参考系的不同而不同，但是它们遵从的物理规律是相同的2光速不变原理强调真空中的光速不变，与光源、观察者间的相对运动没有关系3狭义相对论中的“同
4、时”相对性、运动的时钟变慢、长度的收缩等效应只有在高速运动的情况下才会有明显的观测结果，在低速世界( vc)中这些效应可以忽略例 1 如图 1 所示，考虑几个问题：图 1(1)如图所示，参考系 O相对于参考系 O 静止时，人看到的光速应是多少？(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，人看到的光速又是多少？解析 根据狭义相对论理论，光速是不变的，都应是 c.答案 (1) c (2) c (3) c二、时间和空间的相对性相对事件发生地或物体静止的参考系中观察相对事件发生地或物体运动的参考系中观察同时的相对
5、性事件同时但不同地点发生 事件不同时发生3时间间隔的相对性两个事件发生的时间间隔为 t两事件发生的时间间隔变长 t t1 vc2长度的相对性杆的长度为 l0若参考系沿杆的方向运动，观察到的杆的长度减小为 l l01 vc2例 2 如图 2 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 2A同时被照亮 B A 先被照亮C C 先被照亮 D无法判断解析 因列车沿 AC 方向接近光速行驶，根据“同时”的相对性，即前边的事件先发生，后边的事件后发生可知 C 先被照
6、亮答案 C例 3 在一飞船上测得飞船的长度为 100m，高度为 10m当飞船以 0.6c 的速度从你身边经过时，按你的测量，飞船有多高、多长？解析 因为长度收缩只发生在运动的方向上，与运动垂直的方向上没有这种效应，故测得的飞船的高度仍为原高度 10m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 100 m80m.1 (vc)2 1 (0.6cc )2所以测量的飞船的高度和长度分别为 10m、80m.答案 测量的飞船的高度和长度分别为 10m、80m.三、对相对论速度变换公式的理解设参考系相对地面的运动速度为 v，参考系中的物体以速度 u沿参考系运动的方向相对参考系运动，
7、那么物体相对地面的速度 u .u v1 u vc21当物体运动方向与参考系相对地面的运动方向相反时，公式中的 u取负值42若物体运动方向与参考系运动方向不共线，此式不可用3由公式可知： u 一定比 u v 小，但当 u和 v 都比 c 小得多时，可认为 u u v，这就是低速下的近似，即经典力学中的速度叠加4当 u v c 时， u c，证明了光速是速度的极限，也反证了光速不变原理例 4 一粒子以 0.05c 的速率相对实验室参考系运动此粒子衰变时发射一个电子，电子相对于粒子的速度为 0.8c，电子的衰变方向与粒子运动方向相同求电子相对于实验室参考系的速度解析 已知 v0.05 c， u0.8
8、 c.由相对论速度叠加公式得u ，u v1 u vc2 u vc2c2 u vu 0.817 c.0.8c 0.05cc2c2 0.8c0.05c答案 0.817 c对狭义相对论的理解1关于狭义相对论，下列说法不正确的是( )A狭义相对论认为在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的B狭义相对论认为在一切惯性系中，光在真空中的速度都等于 c，与光源的运动无关C狭义相对论只涉及无加速度运动的惯性系D狭义相对论任何情况下都适用解析 根据狭义相对论的基本假设可知，选项 A、B 正确；狭义相对论只涉及惯性参考系，不涉及非惯性参考系，选项 D 错误，选项 C 正确答案 D时间和空间的相对性2如图 3
9、所示， A、 B、 C 是三个完全相同的时钟， A 放在地面上， B、 C 分别放在以速度 vB和 vC朝同一方向飞行的两枚火箭上，且 vB vC.地面上的观察者认为哪个时钟走得最慢？哪个时钟走得最快？5图 3解析 地面上的观察者认为 C 钟走得最慢，因为它相对于观察者的速度最大根据公式 t 可知，相对于观察者的速度 v 越大，其上的时间进程越慢；由 t t1 (vc)2知 tu vD以上均不正确解析 由相对论速度变换公式可知 B 正确答案 B1015火箭以 c 的速度飞离地球，在火箭上向地球发射一束高能粒子，粒子相对地球的速度35为 c，其运动方向与火箭的运动方向相反则粒子相对火箭的速度大小为( )45A. cB. C. cD.75 c5 3537 5c13解析 由 u ，可得 cv u1 vuc2 4535c u135cuc2解得 u c，负号说明与 v 方向相反3537答案 C
