5.2 相对论时空观简介 预习案 高一物理教科版（2019）必修第二册

5.2 相对论时空观简介 预习案 高一物理教科版（2019）必修第二册 1.了解相对论的诞生及发展历程。 2.理解狭义相对论中时间和空间的相对性。 3.了解广义相对性原理和等效原理。 4.初步认识狭义相对论和广义相对论的内容和基本原理 重、难点 通过本节内容的学习，认识科学假设在科学发现上的重要作用，进一步理解逻辑推理的力量；激发探索宇宙奥秘的兴趣，形成初步的相对论时空观。 （一）相对论的诞生 教师引导学生探究一个简单的力学问题：如图，在列车车厢的光滑水平面上有一个质量为m=0.5kg的小球，正随车厢一起以20m/s的速度匀速前进。现在给小球一个水平向前的F=5N的拉力作用，求经10s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？ 通过这个例子大家看到，在两个惯性系中，虽然观察到的结果并不相同，一个是10m/s,另一个是30m/s，但我们却应用了同样的运动定律和速度合成法则，也就是说，我们相信：力学规律在任何惯性系中都是相同的。这就是伽利略相对性原理。在一个惯性参考系内的任何力学实验都无法判断这个参考系是否相对于另一个参考系做匀速运动或者说任何参考系都是平权的。（教师还可引导学生举例说明相对性原理，并进行讨论） 教师引导学生读下图，考虑几个问题： （1）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？ 小结：不论光源和观察者怎样运动，光速都是相同的。这与我们从速度合成法则推导的结论发生了矛盾。问题出在哪里呢？ 过渡：这一矛盾，不仅对我们的推理给予否定，还对麦克斯韦电磁场理论（真空中的光速是一个常量，在不同惯性参考系中应当有相同的值，这与经典力学相矛盾。）提出了挑战：要么否定特殊参考系O的存在，要么放弃麦克斯韦电磁场理论。爱因斯坦选择了后者，提出了两条假设： （1）对不同的惯性系，物理规律（包括力学的和电磁学的）都是一样的； （2）光在真空中运动的速度在任何惯性系中测得的数值都是相同的。 在这两个基本假设的基础上，爱因斯坦于1905年创立了狭义相对论。 教师启发学生思考：为什么这两个结论被称为假设呢？根据这两个假设，我们可以得出那些推论呢？ （二）狭义相对论 1．同时的相对性 同时是相对的，是指相隔一定距离发生的两件事，在一个参考系中观测是同时发生的，在相对于此参考系运动的另一个参考系中观测就可能不是同时，而是一先一后发生的。 思考：（1）同时为什么是相对的？ （2）假设一列火车在平直的轨道上以很高的速度u匀速驶过站台，在车厢的正中放有一个闪光灯。现在使该灯发出一次闪光向周围传播。闪光照到车厢的前壁和后壁，是两个事件。小丽和她的静止在火车参考系中的小伙伴们在车上观测，小明和他的静止在站台参考系中的小伙伴们在站台上观测，他们认为这两个事件是同时发生的吗？即闪光是同时到达前后壁的吗？ 【例1】利用爱因斯坦理想实验说明同时的相对性。 解析：假设一列很长的火车在沿平直轨道飞快地匀速行驶，车厢中央有一个光源发出一个闪光，闪光照到了车厢的前壁和后壁，这是两个事件。车上的观察者认为两个事件是同时的，在他看来这很好接受，因为车厢是个惯性系，光向前、向后传播的速度相同，光源又在车厢的中央，闪光当然会同时到达前后两壁。 车下的观察者则不以为然，他观测到，闪光先到达后壁，后到达前壁。他的解释是：地面也是一个惯性系，闪光向前、向后传播的速度对地面也是相同的，但是在闪光飞向两壁的过程中，车厢向前行进了一段距离，所以向前的光传播的路程长些，到达前壁的时刻也就晚些，这两个事件不同时。 2．运动时钟变慢（时间间隔的相对 ... ...