62-狭义相对论的基本原理课件.ppt

1、162狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理1 6 2 狭义相对论的基本原理2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前自主学案课前自主学案知能优化训练知能优化训练6.2课标定位课标定位2核心要点突破课堂互动讲练课前自主学案知能优化训练6.2 课3学习目标：学习目标：1.知道牛顿对物理学发展的巨大贡献知道牛顿对物理学发展的巨大贡献和经典力学的重要历史地位和经典力学的重要历史地位2理解经典力学方法论的意义和经典力学的时理解经典力学方法论的意义和经典力学的时空观空观3掌握狭义相对论基本原理的内容及其意义掌握狭义相对论基本原理的内容及其意义重点难点：重点：重点难点：重点：1.经典力学的重

2、大成就和方法经典力学的重大成就和方法论的意义论的意义2相对论的基本原理的理解相对论的基本原理的理解难点：经典力学的局限性及相对论基本原理提难点：经典力学的局限性及相对论基本原理提出的背景理解出的背景理解3 学习目标：1.知道牛顿对物理学发展的巨大贡献和经典力学的重4课前自主学案课前自主学案一、一座永垂不朽的纪念碑一、一座永垂不朽的纪念碑1自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理的产生：英国科学的产生：英国科学家家_的代表作，成书于的代表作，成书于1686年年2自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理介绍：全书共分两介绍：全书共分两个部分第一部分是个部分第一部分是“定义和注释定义和注释”“”“运动的基运

3、动的基本原理本原理”第二部分是定律的应用，其内容包括：第二部分是定律的应用，其内容包括：万有引力定律和行星的运动；流体力学的开创性万有引力定律和行星的运动；流体力学的开创性研究；天体力学和宇宙系统的开拓性研究研究；天体力学和宇宙系统的开拓性研究(行星行星的运动，卫星的运动，地面上的落体运动，抛体的运动，卫星的运动，地面上的落体运动，抛体运动，彗星轨道，岁差以及潮汐现象等运动，彗星轨道，岁差以及潮汐现象等)牛顿牛顿4 课前自主学案一、一座永垂不朽的纪念碑牛顿5全书贯穿了牛顿和莱布尼兹分别独立发明的数学方全书贯穿了牛顿和莱布尼兹分别独立发明的数学方法法微积分它在科学史上占有非常重要的地位，微积分它

4、在科学史上占有非常重要的地位，因为它标志着因为它标志着_的建立的建立二、经典力学的巨大成就二、经典力学的巨大成就1把把_运动与运动与_物体的运动统一物体的运动统一起来了起来了2由经典力学为基础发展起来了天体力学、材料由经典力学为基础发展起来了天体力学、材料力学力学3力学与热学结合引发了力学与热学结合引发了_工业革命工业革命4经典力学是航天的理论基础经典力学是航天的理论基础经典力学经典力学天体天体地上地上第一次第一次5 全书贯穿了牛顿和莱布尼兹分别独立发明的数学方法微积分6三、经典力学方法论的意义三、经典力学方法论的意义经典力学的研究方法以伽利略和牛顿最为典型经典力学的研究方法以伽利略和牛顿最为

5、典型伽利略：理想实验法伽利略：理想实验法牛顿：归纳牛顿：归纳演绎法，建立理论体系演绎法，建立理论体系四、经典力学的局限性四、经典力学的局限性1经典力学对时间和空间的认识经典力学对时间和空间的认识(1)把一切自然现象都归结为把一切自然现象都归结为_(2)把把_、_割裂开来，认为割裂开来，认为它们与物质运动无关它们与物质运动无关机械决定论机械决定论时间时间空间空间6 三、经典力学方法论的意义机械决定论时间空间72经典力学的适用范围经典力学的适用范围(1)只适用于只适用于_速运动，不适用于速运动，不适用于_速运动速运动(2)只适用于只适用于_世界，不适用于世界，不适用于_世界世界(3)只适用于弱引力

6、环境，不适用于强引力环境只适用于弱引力环境，不适用于强引力环境五、经典力学的时空观五、经典力学的时空观1概述：绝对的空间，就其本性而言，是与外界概述：绝对的空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关，而永远相同和不动的，绝对的时间任何事物无关，而永远相同和不动的，绝对的时间自身在不停地流逝着这就是经典力学的时空观，自身在不停地流逝着这就是经典力学的时空观，也称为也称为_时空观时空观低低高高宏观宏观微观微观绝对绝对7 2 经典力学的适用范围低高宏观微观绝对82绝对时空观的特点：时间和空间是绝对时空观的特点：时间和空间是_的，的，时间尺度和空间尺度与物质的运动无关，都是绝对时间尺度和空间尺度与物质的

7、运动无关，都是绝对的的六、狭义相对论的基本公设六、狭义相对论的基本公设1惯性系与非惯性系惯性系与非惯性系牛顿运动定律成立的参考系，称为惯性参考系，简牛顿运动定律成立的参考系，称为惯性参考系，简称惯性系如研究地面上物体的运动时，地面就是称惯性系如研究地面上物体的运动时，地面就是惯性参考系，相对于地面做匀速直线运动的参考系，惯性参考系，相对于地面做匀速直线运动的参考系，也是惯性参考系也是惯性参考系分离分离8 2 绝对时空观的特点：时间和空间是_ _ _ _ _ _ 的，时间尺度92伽利略的相对性原理伽利略的相对性原理(1)概述：对于所有的惯性系，力学规律都是相概述：对于所有的惯性系，力学规律都是相

8、同的，或者说一切惯性系都是等效的同的，或者说一切惯性系都是等效的(2)两个要点：如果牛顿运动定律在某个参考两个要点：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，相对于一系中成立，这个参考系叫做惯性系，相对于一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系；惯性系；力学规律在任何惯性系中都是相同的，或者力学规律在任何惯性系中都是相同的，或者说，任何惯性系都是等效的说，任何惯性系都是等效的9 2 伽利略的相对性原理103两条基本公设两条基本公设(1)_ 原理：在不同的惯性参考系中，一切原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是物理规律都是_的

9、的(2)_ 原理：真空中的原理：真空中的_在不在不同的惯性参考系中都是同的惯性参考系中都是_的的这是爱因斯坦在前人的实验基础上提出的假设，这这是爱因斯坦在前人的实验基础上提出的假设，这两个假设就是狭义相对论的基础两个假设就是狭义相对论的基础相对性相对性相同相同光速不变光速不变光速光速相同相同1 0 3 两条基本公设相对性相同光速不变光速相同11核心要点突破核心要点突破一、经典力学的成就与局限性一、经典力学的成就与局限性1经典力学的研究方法归纳比较经典力学的研究方法归纳比较1 1 核心要点突破一、经典力学的成就与局限性12亚里士亚里士多德多德Aristotle前前384前前322简介简介世界古代

10、史上最伟大的古希腊世界古代史上最伟大的古希腊哲学家、科学家和教育家哲学家、科学家和教育家方法方法论论以人的感觉经验和逻辑理性来以人的感觉经验和逻辑理性来研究物体的运动研究物体的运动意义意义开辟了探索自然界奥秘的一条开辟了探索自然界奥秘的一条新路新路观察观察科学科学成就成就提出力的合成概念，创建了视提出力的合成概念，创建了视觉、色彩视觉等原始学说，尝觉、色彩视觉等原始学说，尝试从物质本身来说明自然，把试从物质本身来说明自然，把科学从宗教和神话中解放出来，科学从宗教和神话中解放出来，推断地球是一个球体推断地球是一个球体1 2 亚里士多德A r i s t o t l e 前3 8 4 前3 2 2

11、 简介世界古13伽利伽利略略Galilei 15641642简介简介意大利物理学家，开创近代自然科意大利物理学家，开创近代自然科学研究方法的第一位学者学研究方法的第一位学者方法方法论论观察提问、合理假设、数学变换、观察提问、合理假设、数学变换、实验验证实验验证意义意义提出了新的研究方法提出了新的研究方法数学推理和数学推理和科学实验科学实验科学科学成就成就建立了摆的定律、惯性定律、自由建立了摆的定律、惯性定律、自由落体定律，提出伽利略相对性原理，落体定律，提出伽利略相对性原理，奠定了牛顿第一定律和第二定律的奠定了牛顿第一定律和第二定律的基本思想和经典力学的基础，他的基本思想和经典力学的基础，他的

12、工作使物理学成为独立的知识体系工作使物理学成为独立的知识体系并从哲学中分化出来并从哲学中分化出来1 3 伽利略G a l i l e i 1 5 6 4 1 6 4 2 简介意大利物理学14牛顿牛顿Newton 16421727简介简介英国科学家，英国科学家，17世纪最伟大的科世纪最伟大的科学巨匠学巨匠方法论方法论重在分析与综合、归纳与演绎，重在分析与综合、归纳与演绎，强调论证要用实验验证强调论证要用实验验证意义意义更为深刻地实现了科学方法的丰更为深刻地实现了科学方法的丰富、发展与变革富、发展与变革科学成科学成就就澄清了力和运动的观念，总结出澄清了力和运动的观念，总结出万有引力定律和牛顿运动三

13、定律，万有引力定律和牛顿运动三定律，建立起完整的经典力学体系，从建立起完整的经典力学体系，从伽利略时代以来一个世纪的物理伽利略时代以来一个世纪的物理学工作，在牛顿手里得到了综合学工作，在牛顿手里得到了综合1 4 牛顿N e w t o n 1 6 4 2 1 7 2 7 简介英国科学家，1 7152.经典力学的成就经典力学的成就(1)经典力学的建立标志着近代自然科学的诞生，它经典力学的建立标志着近代自然科学的诞生，它把天上物体和地上物体的运动统一起来，从力学上证把天上物体和地上物体的运动统一起来，从力学上证明了自然界的多样性的统一，实现了人类对自然界认明了自然界的多样性的统一，实现了人类对自然

14、界认识的第一次理论大综合识的第一次理论大综合(2)经典力学和以经典力学为基础发展起来的天体力经典力学和以经典力学为基础发展起来的天体力学、材料力学和结构力学等得到了广泛的应用，并取学、材料力学和结构力学等得到了广泛的应用，并取得了巨大的成就得了巨大的成就.18世纪世纪60年代，力学和热力学的发年代，力学和热力学的发展及其与生产相结合，使机器和蒸汽机得到改进和推展及其与生产相结合，使机器和蒸汽机得到改进和推广，引发了第一次工业革命广，引发了第一次工业革命1 5 2.经典力学的成就16由牛顿运动定律导出的动量守恒定律、机械能守恒由牛顿运动定律导出的动量守恒定律、机械能守恒定律等，是航空航天技术的理

15、论基础，火箭、人造定律等，是航空航天技术的理论基础，火箭、人造卫星、航天飞机、宇宙飞船、空间探测器等航天器卫星、航天飞机、宇宙飞船、空间探测器等航天器的发射，都是经典力学规律的具体应用的发射，都是经典力学规律的具体应用3经典力学的局限性经典力学的局限性(1)从低速到高速从低速到高速日常生活中见到的物体的运动，速度都远小于光速，日常生活中见到的物体的运动，速度都远小于光速，经典力学完全适用经典力学完全适用.20世纪初，著名物理学家爱因世纪初，著名物理学家爱因斯坦建立的狭义相对论阐述了物体在以接近光速运斯坦建立的狭义相对论阐述了物体在以接近光速运动时所遵从的规律，得到了一些不同于经典力学的动时所遵

16、从的规律，得到了一些不同于经典力学的观念和结论观念和结论1 6 由牛顿运动定律导出的动量守恒定律、机械能守恒定律等，是航17例如在经典力学中，认为质量是恒定不变的，与物例如在经典力学中，认为质量是恒定不变的，与物体的速度或能量无关；但相对论的研究则表明，物体的速度或能量无关；但相对论的研究则表明，物体的质量将随着运动速率的增加而增大，物体的质体的质量将随着运动速率的增加而增大，物体的质量和能量之间存在着密切的联系量和能量之间存在着密切的联系1 7 例如在经典力学中，认为质量是恒定不变的，与物体的速度或能18(2)从宏观到微观从宏观到微观19世纪和世纪和20世纪之交，物理学又有了三大发现：世纪之

17、交，物理学又有了三大发现：X射线、电子放射性的发现，使物理学的研究由宏观射线、电子放射性的发现，使物理学的研究由宏观进入微观领域发现的电子、质子、中子等微观粒进入微观领域发现的电子、质子、中子等微观粒子，不仅具有波动性同时还具有粒子性，它们的运子，不仅具有波动性同时还具有粒子性，它们的运动规律在很多情况下不能用经典力学来说明动规律在很多情况下不能用经典力学来说明.20世世纪，量子力学的研究表明，微观粒子既表现为粒子纪，量子力学的研究表明，微观粒子既表现为粒子性又表现为波动性，粒子的能量等物理量只能取分性又表现为波动性，粒子的能量等物理量只能取分立的数值，粒子的速度和位置具有不确定性，粒子立的数

18、值，粒子的速度和位置具有不确定性，粒子的状态只能用粒子在空间出现的概率来描述的状态只能用粒子在空间出现的概率来描述1 8(2)从宏观到微观19即时应用即时应用(即时突破，小试牛刀即时突破，小试牛刀)1下列属于经典力学成就的有下列属于经典力学成就的有()A经典力学把天体的运动与地上物体的运动统一经典力学把天体的运动与地上物体的运动统一起来，是人类对自然界认识的第一次大综合起来，是人类对自然界认识的第一次大综合B以经典力学为基础发展起来的天体力学、材料以经典力学为基础发展起来的天体力学、材料力学和结构力学等得到了广泛的应用力学和结构力学等得到了广泛的应用C力学和热力学的发展与生产相结合，引发了第力

19、学和热力学的发展与生产相结合，引发了第一次工业革命一次工业革命D由牛顿力学定律导出的动量守恒定律、机械能由牛顿力学定律导出的动量守恒定律、机械能守恒定律等是航天技术的理论基础守恒定律等是航天技术的理论基础1 9 即时应用(即时突破，小试牛刀)20解析：解析：选选ABCD.经典力学主要以牛顿运动三经典力学主要以牛顿运动三定律、万有引力定律为基础，适用于一切宏定律、万有引力定律为基础，适用于一切宏观、低速的物体，故观、低速的物体，故A、B、C、D都正确都正确2 0 解析：选A B C D.经典力学主要以牛顿运动三定律、万有引力21二、经典力学的时空观二、经典力学的时空观1牛顿的绝对时空观牛顿的绝对

20、时空观(1)绝对的、真正的数学时间，出于其本性而自行绝对的、真正的数学时间，出于其本性而自行均匀地流逝着，与外界任何事物无关或绝对的时均匀地流逝着，与外界任何事物无关或绝对的时间，就其本性而言与外界任何事物毫无关系，它永间，就其本性而言与外界任何事物毫无关系，它永远保持不变或不动远保持不变或不动(2)绝对的运动是物体从某一绝对的处所转移到另绝对的运动是物体从某一绝对的处所转移到另一绝对的处所即对于空间的运动存在一个绝对的一绝对的处所即对于空间的运动存在一个绝对的参考系；时间存在一个绝对的计时系统参考系；时间存在一个绝对的计时系统2 1 二、经典力学的时空观222马赫的时空观马赫的时空观凡不能由

21、实验证明的概念及陈述，都不应该凡不能由实验证明的概念及陈述，都不应该在物理学理论中占有任何的地位在物理学理论中占有任何的地位否认了否认了绝对时空观绝对时空观理由：物体的相对位置和相对移动才是可测理由：物体的相对位置和相对移动才是可测量的量的(1)空间的位置是相对的空间的位置是相对的(2)速度是相对的速度是相对的2 2 2 马赫的时空观23即时应用即时应用(即时突破，小试牛刀即时突破，小试牛刀)2经典力学的时空观认为经典力学的时空观认为()A时间使物质运动而存在时间使物质运动而存在B时间是永远的流逝，与任何外界无关时间是永远的流逝，与任何外界无关C空间与物质运动状态有关空间与物质运动状态有关D物

22、体的质量随物体运动的速度变化而变化物体的质量随物体运动的速度变化而变化解析：解析：选选B.经典力学的时空观认为：时间和空经典力学的时空观认为：时间和空间是分离的，时间尺度和空间尺度与物质运动间是分离的，时间尺度和空间尺度与物质运动无关，都是绝对的，故无关，都是绝对的，故B正确正确2 3 即时应用(即时突破，小试牛刀)24三、狭义相对论基本公设的提出三、狭义相对论基本公设的提出1伽利略相对性原理伽利略相对性原理(1)惯性系惯性系(inertial frame)与非惯性系：与非惯性系：在经典力学中，牛顿运动定律是力学规律的基在经典力学中，牛顿运动定律是力学规律的基础，如果牛顿运动定律在某个参考系中

23、成立，础，如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系就叫做惯性系如果牛顿运动定律这个参考系就叫做惯性系如果牛顿运动定律在某个参考系中不成立，这个参考系就叫做非在某个参考系中不成立，这个参考系就叫做非惯性系惯性系注意：相对于一个惯性系做匀速直线运动的另注意：相对于一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系一个参考系也是惯性系2 4 三、狭义相对论基本公设的提出25(2)伽利略相对性原理伽利略相对性原理如果在不同的惯性系中测物体自由下落的时间，测如果在不同的惯性系中测物体自由下落的时间，测一个单摆的周期，研究平抛运动的规律，或研究牛一个单摆的周期，研究平抛运动的规律，或研究牛顿第二定律的

24、实验，就会发现，所有的实验现象和顿第二定律的实验，就会发现，所有的实验现象和实验结论，都不会因惯性系的不同而有所不同，也实验结论，都不会因惯性系的不同而有所不同，也就是说，各个惯性系都是等价的这个观点叫做伽就是说，各个惯性系都是等价的这个观点叫做伽利略相对性原理利略相对性原理2 5(2)伽利略相对性原理262狭义相对论的两条基本公设狭义相对论的两条基本公设(1)爱因斯坦相对性原理：对于描述一切物理过程爱因斯坦相对性原理：对于描述一切物理过程(包括物体位置变动、电磁以及原子过程包括物体位置变动、电磁以及原子过程)的规律，的规律，所有惯性系都是等价的，这里的物理过程包括光在所有惯性系都是等价的，这

25、里的物理过程包括光在内爱因斯坦把伽利略的力学相对性原理推广到了内爱因斯坦把伽利略的力学相对性原理推广到了电磁物理规律和一切其他规律，成为第一个公设电磁物理规律和一切其他规律，成为第一个公设2 6 2 狭义相对论的两条基本公设27(2)光速不变原理：在所有相对光源静止或做匀速光速不变原理：在所有相对光源静止或做匀速直线运动的惯性系中观察，真空中的光速都相同，直线运动的惯性系中观察，真空中的光速都相同，与光源的运动和观察者的运动没有关系这一条与光源的运动和观察者的运动没有关系这一条公设使我们看到一幅与传统观念截然不同的物理公设使我们看到一幅与传统观念截然不同的物理图像设想从一点光源发出一光脉冲，如

26、人从光图像设想从一点光源发出一光脉冲，如人从光源在其中保持静止的参考系中观察，波前为以光源在其中保持静止的参考系中观察，波前为以光源为中心的球面；如从相对于光源做匀速直线运源为中心的球面；如从相对于光源做匀速直线运动的另一参考系观察，波前将同样是以光源为中动的另一参考系观察，波前将同样是以光源为中心的球面这预示着与伽利略变换不同的时空心的球面这预示着与伽利略变换不同的时空观观2 7(2)光速不变原理：在所有相对光源静止或做匀速直线运动的28即时应用即时应用(即时突破，小试牛刀即时突破，小试牛刀)3关于狭义相对论的两个基本公设，下列说法中关于狭义相对论的两个基本公设，下列说法中正确的是正确的是(

27、)A物体的位移、速度具有相对性，所以在不同惯物体的位移、速度具有相对性，所以在不同惯性系中，它们所遵循的物理规律不同性系中，它们所遵循的物理规律不同B在惯性参考系中可以通过实验的方法证实该系在惯性参考系中可以通过实验的方法证实该系统是静止的还是匀速运动的统是静止的还是匀速运动的C选不同的惯性参考系，光的传播速度不同选不同的惯性参考系，光的传播速度不同D以上说法都不正确以上说法都不正确2 8 即时应用(即时突破，小试牛刀)29解析：解析：选选D.根据狭义相对论的两个基本公设可根据狭义相对论的两个基本公设可知，在不同的惯性参考系中，一切物理规律都知，在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的，故

28、是相同的，故A错；在惯性参考系中无法通过实错；在惯性参考系中无法通过实验的方法确定这一系统本身的运动情况，故验的方法确定这一系统本身的运动情况，故B错；错；真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，故的，故C错，正确答案为错，正确答案为D.2 9 解析：选D.根据狭义相对论的两个基本公设可知，在不同的惯30课堂互动讲练课堂互动讲练对牛顿第二定律受参考系限制的认对牛顿第二定律受参考系限制的认识识如图如图611所示，在列车车厢的光滑水所示，在列车车厢的光滑水平面上有一个质量为平面上有一个质量为m5 kg的小球，正随车厢的小球，正随车厢一起以一起以20 m/

29、s的速度匀速前进现在给小球一个的速度匀速前进现在给小球一个水平向前的水平向前的F5 N的拉力作用，求经过的拉力作用，求经过10 s时，时，车厢里的观察者和地面上的观察者看到小球的车厢里的观察者和地面上的观察者看到小球的速度分别是多少？速度分别是多少？3 0 课堂互动讲练对牛顿第二定律受参考系限制的认识类型一例131图图6113 1 图6 1 1323 2333 334【答案答案】10 m/s30 m/s【方法总结方法总结】在两个惯性系中，虽然观察到在两个惯性系中，虽然观察到的结果并不相同，一个是的结果并不相同，一个是10 m/s，另一个是，另一个是30 m/s，但我们却应用了同样的运动规律和速

30、度，但我们却应用了同样的运动规律和速度合成法则也就是说，力学规律在任何惯性系合成法则也就是说，力学规律在任何惯性系中都是相同的中都是相同的3 4【答案】1 0 m/s 3 0 m/s35狭义相对论原理的应用狭义相对论原理的应用火箭以火箭以0.75 c的速度离开地球，从火箭上的速度离开地球，从火箭上向地球发射一个光信号火箭上测得光离开的向地球发射一个光信号火箭上测得光离开的速度是速度是c，根据过去熟悉的速度合成法则，光，根据过去熟悉的速度合成法则，光到达地球时测得的光速是多少？根据狭义相对到达地球时测得的光速是多少？根据狭义相对论原理，测得的光速是多少呢？论原理，测得的光速是多少呢？3 5 狭义

31、相对论原理的应用类型二例2火箭以0.7 5 c 的速度36【精讲精析精讲精析】根据过去熟悉的速度合成法则，光根据过去熟悉的速度合成法则，光相对于地球的速度是相对于地球的速度是vc0.75 c0.25 c.根据狭义相对论原理，光速与光源、观测者之间的根据狭义相对论原理，光速与光源、观测者之间的相对运动没有关系，光速仍为相对运动没有关系，光速仍为c.【答案答案】0.25 cc【方法总结方法总结】在一切惯性系中，光在真空中传播在一切惯性系中，光在真空中传播的速度都等于的速度都等于c，跟光源的运动情况无关此公设，跟光源的运动情况无关此公设与经典物理学中的速度合成法则相矛盾与经典物理学中的速度合成法则相矛盾3 6【精讲精析】根据过去熟悉的速度合成法则，光相对于地球的37本部分内容讲解结束本部分内容讲解结束按按ESC键退出全屏播键退出全屏播放放谢谢使用谢谢使用3 7 本部分内容讲解结束按E S C 键退出全屏播放谢谢使用383 8