(共45张PPT)
5.3 奇特的相对论效应
5.4 走近广义相对论
5.5 无穷的宇宙
核心要点突破
课堂互动讲练
知能优化训练
5.3~5.4~5.5
课前自主学案
课标定位
课标定位
学习目标：1.了解运动时钟延缓．
2．了解长度效应收缩．
3．了解爱因斯坦质量公式和质能方程．
4．了解广义相对论的两个基本原理．
5．了解宇宙的起源及演化．
重点难点：相对论效应及质能方程．
课前自主学案
一、奇特的相对论效应
1．运动时钟延缓
在一个相对于我们做____________的参考系中发生的物理过程，在我们看来，它所经历的时间比在这个惯性系中____________到的时间______．
高速运动
直接观察
长
2．运动长度收缩
爱因斯坦认为，长度的测量跟________的选择有关，如果某一惯性系相对于静止惯性系以速度v运动，在运动惯性系中测得的长度为L′，在静止惯性系中测得的长度为L，那么L总要比L′短一些，这种效应叫做运动__________或_________，这个效应显示了空间的_________．
参考系
长度收缩
尺缩效应
相对性
增加
能量
爱因斯坦于1905年给出关系式__________，通常叫爱因斯坦的____________，在一个物理过程中，物体的质量发生了变化，其能量也相应发生变化，即满足关系式__________.
二、走近广义相对论
1．广义相对论的两个基本原理
(1)在任何参考系中(包括惯性参考系)，物理______和________都是相同的，这一原理叫做_________________．
(2)一个均匀引力场与一个做加速运动的________等价．这一原理叫做_____________．
E＝mc2
质能关系
ΔE＝Δmc2
过程
规律
广义相对性原理
参考系
等效原理
2．广义相对论的预言和证实
(1)时空弯曲
广义相对论认为_______不是直的，而是______或扭曲的，如果质量越大，时空弯曲的程度也就________．
(2)光线弯曲
按照爱因斯坦的广义相对论，在引力场存在的情况下，光线是沿_______的途径传播的，光线在引力场中弯曲的一个推论是_________效应．
时空
弯曲
越大
弯曲
引力透镜
(3)引力红移
根据爱因斯坦广义相对论，在强引力场中，时钟要走得______．因此光在引力场中传播时，它的频率或波长会发生变化，计算表明，氢原子发射的光从太阳传播到地球时，频率要比地球上氢原子发射的光的频率低，这就是______________．
三、无穷的宇宙
1．宇宙的起源
慢
引力红移效应
目前最有影响的是_______________，它是由俄裔美国物理学家伽莫夫在1948年首先提出的．该理论认为，我们观察到的宇宙，产生于最初的一次大爆炸．那时宇宙的温度极高、密度极大、体积极小，伽莫夫根据大爆炸理论预言，作为爆炸的后果，宇宙空间应该存在当时产生的微波辐射.20世纪60年代美国科学家威尔逊和彭齐亚斯在一次实验中意外接收到一种来自空间的一种微波噪声．为此他们获得了1978年的诺贝尔物理学奖．
大爆炸学说
2．宇宙的演化
1929年，美国天文学家哈勃用望远镜对远距离星云进行观测时，发现那些存在“红移”现象的恒星正在离我们远去，也说明星系系统处于一种_______状态．在宇宙演化过程中，______是恒星演化的结果．
膨胀
黑洞
核心要点突破
1．观察运动的物体其长度要收缩，收缩只出现在运动方向．固有长度值最大．如图5－3－1所示．
图5－3－1
即时应用(即时突破，小试牛刀)
1．1905年，爱因斯坦创立了“相对论”，提出了著名的质能方程，下列涉及对质能方程理解的几种说法中正确的是( )
A．若物体能量增大，则它的质量增大
B．若物体能量增大，则它的质量减小
C．若核反应过程质量减小，则需吸收能量
D．若核反应过程质量增大，则会放出能量
解析：选A.由E＝mc2可知，若E增大，则m增大；若E减小，则m减小．A正确，B错误．若m减小，则E减小；若m增大，则E增大．C、D均错误．
四、绝对时空观与相对时空观的比较
1．对时间的认识
(1)绝对时空观认为：①时间不会随参考系不同而变化，也就是说时间是绝对的；②“同时性”是绝对的，两个同时发生的事件，不论在静止参考系中的观测者还是匀速直线运动参考系中的观测者，他们测得这两个事件发生的时刻都是相同的；③某事件经历的时间不会因参考系不同而不同．
(2)相对论时空观认为：①时间是相对的，与参考系有关，不能脱离物体的运动来理解时间；②“同时”是相对的，对于一个参考系来说同时发生的两件事，对于另一个参考系来说不一定同时发生；③时间不再均匀流逝，它与物体的运动状态有关，某物理过程经历的时间与参考系的选择有关，该物理过程的发生地相对观测者的速度越大，观测者测得的时间越长．
2．对空间的认识
(1)绝对时空观认为：空间是绝对的，物体占据的空间大小是绝对的，存在与参考系无关的绝对空间．
(2)相对时空观认为：空间两点间的距离与观测者的运动状态有关，空间不是绝对的，它与物体的运动状态有关．
五、对广义相对论的进一步了解
1．狭义相对论无法解决的问题
(1)万有引力理论无法纳入狭义相对论的框架．
(2)惯性参考系在狭义相对论中具有特殊的地位．
2．广义相对论的基本原理
(1)广义相对性原理：爱因斯坦把狭义相对性原理从匀速和静止参考系推广到做加速运动的参考系，认为所有的参考系都是平权的，不论它们是惯性系还是非惯性系，对于描述物理现象来说都是平等的．
(2)等效原理：在物理学上，一个均匀的引力场等效于一个做匀加速运动的参考系．
3．广义相对论的时空结构
加速参考系中出现的惯性力等效于引力，引力的出现对时空的影响，也就等效于加速参考系中的时空结构，通过对转动大圆盘的研究，得出如下结论：(1)引力场中，时钟变慢，引力场越强，时钟变慢越甚，这就是引力的存在对时间的影响．(2)引力的存在会使空间变形，在引力方向上，空间间隔不变，在与引力垂直的方向上，空间间隔变短(直尺变短)，发生了弯曲；引力越强的地方，这种效应越明显．
引力场是由质量不为零的物质产生的，引力使时空发生变化，也就是物质的存在使时间的流逝和空间的大小发生变化，广义相对论的时空结构认为时间和空间不仅与参考系有关，还与物质的运动和分布有关，在密度越大，质量越大处时空弯曲越严重．
4．广义相对论的实验检验
(1)水星近日点的进动；
(2)光线在引力场中的弯曲；
(3)引力红移．
即时应用(即时突破，小试牛刀)
2．用相对论的观点判断，下列说法不正确的是
( )
A．时间和空间都是绝对的，在任何参考系中一个事件发生的时间和一个物体的长度总不会改变
B．在地面上的人看来，以10 km/s的速度运动的飞船中的时间会变慢，但是飞船中的宇航员却看到时钟是准确的
C．在地面上的人看来，以10 km/s的速度运动的飞船在运动方向上会变窄，而飞船中的宇航员却感觉到地面上的人看起来比飞船中的人扁一些
D．当物体运动的速度v c时，“时间膨胀”和“长度收缩”效果可忽略不计
课堂互动讲练
例1
运动时钟延缓
一个钟在静止参考系中的摆动周期是3.0 s，当一个观测者相对摆钟以0.99c 的速度运动时，观测者测得的周期是多少？摆钟是变快了还是变慢了？
【答案】 21.3 s 运动的观测者观测到的摆钟变慢了
【方法总结】 (1)熟记狭义相对论的几个结论是解答此类问题的关键．
(2)应用相对论的关键是理解“相对性”的几个方面，如时间相对性和空间相对性．
变式训练1 以8 km/s的速度运行的人造卫星上一只完好的手表走过了1 min，地面上的人认为它走过这1 min“实际”花了多少时间．
＝60×1.000000001 s＝60.000000006 s.
答案：60.000000006 s
运动长度收缩
例2
在2010年，有一太空船以0.8c 的速度飞越“月球太空站”．一科学家在月球上量得运动中的太空船长度为200 m，此太空船最后在月球上登陆，此科学家再度测量静止的太空船的长度，他测量的结果如何？
【答案】 333 m
答案：见解析
例3
设宇宙射线粒子的能量是其静止能量的k倍，则粒子运动时的质量等于其静止质量的________倍，粒子运动速度是光速的________倍．
爱因斯坦质量公式和质能方程
变式训练3 一个运动物体的总能量为E，E中是否考虑了物体的动能？
答案：总能量已经包含了物体的动能
下列说法中，正确的是( )
A．由于太阳引力场的影响，我们有可能看到太阳后面的恒星
B．强引力作用可使光谱线向红端偏移
C．引力场越强的位置，时间进程越慢
D．由于物质的存在，实际的空间是弯曲的
例4
对广义相对论的理解
【精讲精析】 由广义相对论可知：物质的引力使光线弯曲，因此选项A、D是正确的．在引力场中时间进程变慢，而且引力越强，时间进程越慢，因此我们能观察到引力红移现象，所以选项B、C正确．
【答案】 ABCD
变式训练4 下列说法正确的是( )
A．哈勃发现的“红移”现象说明远处的星系正急速地远离我们而去
B．哈勃发现的“红移”现象说明地球是宇宙的中心
C．“新星”和“超新星”是刚刚产生的恒星
D．“超新星”和“新星”的产生说明恒星正在不断灭亡
解析：选AD.哈勃发现的“红移”现象说明远处的星系在远离我们，但不能说明我们就处于宇宙的中心，只能说明我们与远处的星系存在相对运动．故A对B错．“新星”和“超新星”是恒星消亡时的一种现象，故C错D对．
知能优化训练
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5.1 电磁场理论引发的怪异问题
5.2 狭义相对论的基本原理
核心要点突破
课堂互动讲练
知能优化训练
5.1~5.2
课前自主学案
课标定位
课标定位
学习目标：1.了解经典电磁理论的局限性．
2．了解相对论的基本原理．
重点难点：相对论的基本原理．
课前自主学案
一、迈克耳孙——莫雷实验
观察干涉条纹没有预期的移动，结果表明“以太”是根本不存在的，光在任何方向上传播时，相对于地球的速度都是_______的．这就是迈克耳孙—莫雷实验的以太漂移的零结果．
二、电磁理论的“缺陷”
伽利略相对性原理指出：对于力学规律来说，一切惯性系都是_______的．
相同
等价
三、狭义相对论的两条公设
1．在所有相互做___________运动的惯性参考系中，___________都是相同的，这个假设叫做爱因斯坦相对性原理．
2．在所有相互做___________运动的惯性参考系中，光在真空中的速度都是________．这个假设叫________________．
匀速直线
物理规律
匀速直线
相等的
光速不变原理
式中c为光速，这一变换式通常叫做________变换．
五、同时的相对性
同时的相对性是指：在不同的地点发生的两个事件，在一个惯性系里是同时的，但在另一个惯性系里看来却_______同时的．
从爱因斯坦的狭义相对论来看，不存在全宇宙普适的__________概念，也就是说________是相对的，跟观察者所选取的__________有关．
洛伦兹
不是
同时性
同时
参考系
核心要点突破
一、迈克耳孙—莫雷实验
1．实验装置(如图5－1－1所示)：
图5－1－1
2．实验内容：转动干涉仪，在水平面内不同方向进行光的干涉实验，干涉条纹并没有预期移动．
3．实验原理
如果两束光的光程一样，或者相差波长的整数倍，在观察屏上就是亮的；若两束光的光程差不是波长的整数倍，就会有不同的干涉结果．由于M1和M2不能绝对地垂直，所以在观察屏上可以看到明暗相间的条纹．如果射向M1和M2的光速不相
同，就会造成干涉条纹的移动．我们知道地球的运动速度是很大的，当我们将射向M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，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．
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．因此无法借助力学实验的手段确定惯性系自身的运动状态．
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．
三、为什么“超光速”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磁波的速度是光速c.那么此速度相对于哪个参考系？如果它相对于参考系S是正确的，另外还有一个参考系S′，S′相对于S以速度v运动，若依据速度合成法则，光相对于S′的速度应是c－v，或者是c＋v，而不是c，若是c＋v，这不是就存在“超光速”了？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．
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，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，这里加速车厢就是非惯性系．
课堂互动讲练
例1
对“光速不变原理”的理解
【精讲精析】 根据狭义相对论的基本假设——光速不变原理可知：真空中的光速相对于火箭的速度为c，相对于地面的速度也为c，对不同的惯性系是相同的，因此C、D正确，A、B错误．
【答案】 CD
【方法总结】 本题易误选A、B.原因是按经典力学的相对性原理得出的，而这一结论是错误的，与狭义相对论中光速不变原理相矛盾．
答案：在地面的观察者看来光信号的速度为c，不是1.1c
经典物理学的局限性
例2
试述当经典力学时空观遇到光速不变的实验事实这一困难时，爱因斯坦是如何解决的，它的意义如何？
【精讲精析】 爱因斯坦提出了两条基本假设即相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的；光速不变原理：不管在哪个惯性系中，测得的真空中的光速都相同，从而解决了上述矛盾．
两条基本假设的提出解决了光速不变的困难，同时为狭义相对论的建立奠定了基础．使得人们的时空观发生了重大的变革，使得看似毫无联系的时间与空间紧密地联系在了一起．
【答案】 见精讲精析
【方法总结】 经典力学认为，时间和空间是分离的，时间尺度和空间尺度跟物体运动无关，都是绝对的，即绝对时间和绝对空间．
变式训练2 既然经典力学和电磁场理论赖以支撑的“以太”不存在，经典物理学的正确性应该受到怀疑吗？你认为经典物理学的问题可能出在哪里？
解析：经典物理学是物理学的基础，虽然具有一定的局限性，但对于低速、宏观物体来说，仍然是成立的，是不容怀疑的．经典物理学的局限性主要是由于认为时间和空间是分离的，彼此孤立的，实际上时间和空间是不能分开的．
答案：见解析
例3
地面上A、B两个事件同时发生．如图5－1－2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？
图5－1－2
同时的相对性问题
【自主解答】 以地面为参考系，A、B两个事件同时发生，即如在A、B连线中点C放一时钟，将同时接收到来自A、B的信号．设想该时钟以与火箭相同的速度飞行，则先接收到来自B的信号，后接收到来自A的信号，即以火箭(或火箭上的人)为参考系，B事件先发生．
【答案】 B事件先发生
【方法总结】 事件的同时性因参考系的选择而异．
变式训练3 利用爱因斯坦理想实验说明同时的相对性．
答案：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，如图所示．
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．
知能优化训练
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