5.1电磁磁场理理论引引发的怪异的怪异问题5.2狭狭义相相对论的基本原理的基本原理 核心要点突破核心要点突破课堂互动讲练课堂互动讲练知能优化训练知能优化训练5.15.2课前自主学案课前自主学案课标定位课标定位课标定位课标定位学学习目目标：1.了解了解经典典电磁理磁理论的局限性的局限性2了解相了解相对论的基本原理的基本原理重点重点难点：点：相相对论的基本原理的基本原理课前自主学案课前自主学案一、一、迈克耳克耳孙莫雷莫雷实验观察察干干涉涉条条纹没没有有预期期的的移移动，结果果表表明明“以以太太”是是根根本本不不存存在在的的，光光在在任任何何方方向向上上传播播时，相相对于于地地球球的的速速度度都都是是_的的这就就是是迈克克耳耳孙莫雷莫雷实验的以太漂移的零的以太漂移的零结果果二、二、电磁理磁理论的的“缺陷缺陷”伽伽利利略略相相对性性原原理理指指出出：对于于力力学学规律律来来说，一一切切惯性系都是性系都是_的的相同相同等价等价三、狭三、狭义相相对论的两条公的两条公设1在在所所有有相相互互做做_运运动的的惯性性参参考考系系中中，_都都是是相相同同的的，这个个假假设叫叫做做爱因斯坦相因斯坦相对性原理性原理2在在所所有有相相互互做做_运运动的的惯性性参参考考系系中中，光光在在真真空空中中的的速速度度都都是是_这个个假假设叫叫_匀速直匀速直线物理物理规律律匀速直匀速直线相等的相等的光速不光速不变原理原理式式中中c为光光速速，这一一变换式式通通常常叫叫做做_变换五、同五、同时的相的相对性性同同时的的相相对性性是是指指：在在不不同同的的地地点点发生生的的两两个个事事件件，在在一一个个惯性性系系里里是是同同时的的，但但在在另另一一个个惯性性系里看来却系里看来却_同同时的的从从爱因因斯斯坦坦的的狭狭义相相对论来来看看，不不存存在在全全宇宇宙宙普普适适的的_概概念念，也也就就是是说_是是相相对的，跟的，跟观察者所察者所选取的取的_有关有关洛洛伦兹不是不是同同时性性同同时参考系参考系核心要点突破核心要点突破一、迈克耳孙一、迈克耳孙莫雷实验莫雷实验1实验装置实验装置(如图如图511所示所示)：图图5112实验内内容容：转动干干涉涉仪，在在水水平平面面内内不不同同方方向向进行光的干涉行光的干涉实验，干涉条，干涉条纹并没有并没有预期移期移动3实验原理原理如果两束光的光程一如果两束光的光程一样，或者相差波，或者相差波长的整数倍，的整数倍，在在观察屏上就是亮的；若两束光的光程差不是波察屏上就是亮的；若两束光的光程差不是波长的整数倍，就会有不同的干涉的整数倍，就会有不同的干涉结果由于果由于M1和和M2不能不能绝对地垂直，所以在地垂直，所以在观察屏上可以看到明察屏上可以看到明暗相暗相间的条的条纹如果射向如果射向M1和和M2的光速不相的光速不相同，就会造成干涉条同，就会造成干涉条纹的移的移动我我们知道地球的们知道地球的运动速度是很大的，当我们将射向运动速度是很大的，当我们将射向M的光路逐渐的光路逐渐移向地球的运动方向时，应当看到干涉条纹的移移向地球的运动方向时，应当看到干涉条纹的移动，但实验结果却看不到任何干涉条纹的移动动，但实验结果却看不到任何干涉条纹的移动因此，说明光在任何参考系中的速度是不变的，因此，说明光在任何参考系中的速度是不变的，它的速度的合成不满足经典力学的法则，因此需它的速度的合成不满足经典力学的法则，因此需要新的假设出现，为光速不变原理要新的假设出现，为光速不变原理二、力学的相对性原理和狭义相对性原理的区别二、力学的相对性原理和狭义相对性原理的区别力学的相对性原理指的是力学现象对一切惯性系力学的相对性原理指的是力学现象对一切惯性系来说，都遵从同样的规律；或者说，在研究力学来说，都遵从同样的规律；或者说，在研究力学规律时，一切惯性系都是等价的、平权的因此规律时，一切惯性系都是等价的、平权的因此无法借助力学实验的手段确定惯性系自身的运动无法借助力学实验的手段确定惯性系自身的运动状态状态而狭义相对论指的是物理定律在所有惯性系中都而狭义相对论指的是物理定律在所有惯性系中都是相同的，因此各个惯性系都是等价的，不存在是相同的，因此各个惯性系都是等价的，不存在特殊的绝对的惯性系因此狭义相对论原理所指特殊的绝对的惯性系因此狭义相对论原理所指范围更大，内容更丰富范围更大，内容更丰富三、为什么三、为什么“超光速超光速”不存在不存在根据麦克斯韦的电磁场理论可以直接得到真空中电根据麦克斯韦的电磁场理论可以直接得到真空中电磁波的速度是光速磁波的速度是光速c.那么此速度相对于哪个参考系那么此速度相对于哪个参考系？如果它相对于参考系？如果它相对于参考系S是正确的，另外还有一个是正确的，另外还有一个参考系参考系S，S相对于相对于S以速度以速度v运动，若依据速度合运动，若依据速度合成法则，光相对于成法则，光相对于S的速度应是的速度应是cv，或者是，或者是cv，而不是，而不是c，若是，若是cv，这不是就存在，这不是就存在“超光速超光速”了了？事实上由相对论可知，光速为极限速度，是不变？事实上由相对论可知，光速为极限速度，是不变的，因此伽利略速度合成法则在这里是不适用的的，因此伽利略速度合成法则在这里是不适用的四、惯性系和非惯性系四、惯性系和非惯性系牛顿运动定律能够成立的参考系叫惯性系，匀速牛顿运动定律能够成立的参考系叫惯性系，匀速运动的汽车、轮船等作为参考系就是惯性系牛运动的汽车、轮船等作为参考系就是惯性系牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系例如顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系例如我们坐在加速的车厢里，以车厢为参考系观察路我们坐在加速的车厢里，以车厢为参考系观察路边的树木房屋向后方加速运动，根据牛顿定律，边的树木房屋向后方加速运动，根据牛顿定律，房屋树木应该受到不为零的合外力作用，但事实房屋树木应该受到不为零的合外力作用，但事实上没有，也就是牛顿运动定律不成立，这里加速上没有，也就是牛顿运动定律不成立，这里加速车厢就是非惯性系车厢就是非惯性系课堂互动讲练课堂互动讲练例例例例1 1类型一类型一对对“光速不变原理光速不变原理”的理解的理解【精精讲精精析析】根根据据狭狭义相相对论的的基基本本假假设光光速速不不变原原理理可可知知：真真空空中中的的光光速速相相对于于火火箭箭的的速速度度为c，相相对于于地地面面的的速速度度也也为c，对不不同同的的惯性性系系是是相同的，因此相同的，因此C、D正确，正确，A、B错误【答案答案】CD【方方法法总结】本本题易易误选A、B.原原因因是是按按经典典力力学学的的相相对性性原原理理得得出出的的，而而这一一结论是是错误的，与狭的，与狭义相相对论中光速不中光速不变原理相矛盾原理相矛盾答答案案：在在地地面面的的观察察者者看看来来光光信信号号的的速速度度为c，不是，不是1.1c类型二类型二经典物理学的局限性典物理学的局限性例例例例2 2试述述当当经典典力力学学时空空观遇遇到到光光速速不不变的的实验事事实这一一困困难时，爱因因斯斯坦坦是是如如何何解解决决的的，它的意它的意义如何？如何？【精精讲精精析析】爱因因斯斯坦坦提提出出了了两两条条基基本本假假设即即相相对性性原原理理：在在不不同同的的惯性性参参考考系系中中，一一切切物物理理规律律都都是是相相同同的的；光光速速不不变原原理理：不不管管在在哪哪个个惯性性系系中中，测得得的的真真空空中中的的光光速速都都相相同同，从而解决了上述矛盾从而解决了上述矛盾两两条条基基本本假假设的的提提出出解解决决了了光光速速不不变的的困困难，同同时为狭狭义相相对论的的建建立立奠奠定定了了基基础使使得得人人们的的时空空观发生生了了重重大大的的变革革，使使得得看看似似毫毫无无联系系的的时间与空与空间紧密地密地联系在了一起系在了一起【答案答案】见精精讲精析精析【方方法法总结】经典典力力学学认为，时间和和空空间是是分分离离的的，时间尺尺度度和和空空间尺尺度度跟跟物物体体运运动无无关关，都都是是绝对的，即的，即绝对时间和和绝对空空间变式式训练2既既然然经典典力力学学和和电磁磁场理理论赖以以支支撑撑的的“以以太太”不不存存在在，经典典物物理理学学的的正正确确性性应该受受到到怀疑疑吗？你你认为经典典物物理理学学的的问题可可能能出出在在哪哪里？里？解解析析：经典典物物理理学学是是物物理理学学的的基基础，虽然然具具有有一一定定的的局局限限性性，但但对于于低低速速、宏宏观物物体体来来说，仍仍然然是是成成立立的的，是是不不容容怀疑疑的的经典典物物理理学学的的局局限限性性主主要要是是由由于于认为时间和和空空间是是分分离离的的，彼彼此此孤孤立立的，的，实际上上时间和空和空间是不能分开的是不能分开的答案：答案：见解析解析例例例例3 3 地面上地面上A、B两个事件同时发生如图两个事件同时发生如图512所示，对于坐在火箭中沿两个事件发生地点所示，对于坐在火箭中沿两个事件发生地点A、B连线飞行的人来说，哪个事件先发生？连线飞行的人来说，哪个事件先发生？图图512类型三类型三同时的相对性问题同时的相对性问题【自自主主解解答答】以以地地面面为参参考考系系，A、B两两个个事事件件同同时发生生，即即如如在在A、B连线中中点点C放放一一时钟，将将同同时接接收收到到来来自自A、B的的信信号号设想想该时钟以以与与火火箭箭相相同同的的速速度度飞行行，则先先接接收收到到来来自自B的的信信号号，后后接接收收到到来来自自A的的信信号号，即即以以火火箭箭(或或火火箭箭上上的的人人)为参考系，参考系，B事件先事件先发生生【答案答案】B事件先事件先发生生【方方法法总结】事事件件的的同同时性性因因参参考考系系的的选择而而异异变式式训练3利利用用爱因因斯斯坦坦理理想想实验说明明同同时的的相相对性性答答案案：假假设设一一列列很很长长的的火火车车在在沿沿平平直直轨轨道道飞飞快快地地匀匀速速行行驶驶车车厢厢中中央央有有一一个个光光源源发发出出一一个个闪闪光光，闪闪光光照照到到了了车车厢厢的的前前壁壁和和后后壁壁，这这是是两两个个事事件件车车上上的的观观察察者者认认为为两两个个事事件件是是同同时时的的在在他他看看来来这这很很好好接接受受，因因为为车车厢厢是是个个惯惯性性系系，光光向向前前、向向后后传传播播的的速速度度相相同同，光光源源又又在在车车厢厢的的中中央央，闪闪光光当然会同时到达前后两壁，如图所示当然会同时到达前后两壁，如图所示车下的观察者则不以为然他观测到，闪光先到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，这两个事件不长些，到达前壁的时刻也就晚些，这两个事件不同时同时同学们来学校和回家的路上要注意安全同学们来学校和回家的路上要注意安全