课件15张PPT。第十五章 相对论简介第四节 广义相对论简介
（第2课时）三、广义相对论的几个结论1、物质的引力使光线发生弯曲 如果飞船做匀速直线运动，船上观察者记录下的光的径迹是一条直线（虚线） 飞船外观察者看到这束光是直线传播的（水平向右）三、广义相对论的几个结论1、物质的引力使光线发生弯曲 如果飞船做匀加速运动，在光向右传播的同时，飞的速度也在不断增大，因此船上观察者记录下的光的径迹是一条抛物线。??通常物体的引力场都太弱，20世纪只能观测到太阳引力场引起的光线弯曲．太阳??由于太阳引力场的作用，我们有可能观测到太阳后面的恒星，最好的观测时间是发生日全食的时候．?1919年5月29日，发生日全食，英国考察队分赴几内亚湾和巴西进行观测，证实了爱因斯坦的预言，这是对广义相对论的最早证实．太阳透镜效应 ??星球的强引力场能使背后传来的光线汇聚，这种现象叫做引力透镜效应．星体星体无法观测黑洞??宇宙中很可能存在黑洞，它不辐射电磁波，因此无法直接观测，但是它的巨大质量和极小的体积使其附近产生极强的引力场，引力透镜是探索黑洞的途径之一．2、引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别． 对于高速转动的圆盘，除了转动轴的位置外，各点都在做加速运动，越是靠近边缘，加速度越大，方向指向盘心． 地面上看到：越是靠近边缘，速度越大．根据狭义相对论，靠近边缘部位的时间进程较慢． 圆盘上的人认为：盘上存在引力场，方向由盘心指向边缘，靠近边缘的位置引力势较低，得出：引力势较低的位置，时间进程比较慢．各类星体对比??宇宙中有一类恒星，体积很小，质量却很大，叫做矮星，引力势比地球低的多，矮星表面的时间进程比较慢，哪里的发光的频率比同种的原子在地球上发光频率低，看起来偏红，这个现象叫做引力红移．3、引力红移 由于物质的存在，实际空间并不是均匀的，空间发生了“弯曲”：点击观看狭义、广义相对论比较狭义相对论广义相对论不同的惯性参考系中一切物理规律都是相同的 任何参考系（包括非惯性系）中物理规律都是相同的真空中的光速在不同惯性参考系中都是相等的 一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价更进一步等效原理光速恒定爱因斯坦相对性原理广义相对性原理对于时空观的认识物质本身的存在决定时空的性质时空性质和物质的运动有关狭义相对论广义相对论惯性系平权所有参考系平权时空观光速恒定等效原理
（一）爱因斯坦的贡献
（二）方兴未艾的宇宙学
（三）有趣的相对论佯谬
（四）黑洞的研究爱因斯坦与狭义相对论的建立.
组织：小组（2-3人）
方案：
利用图书馆、互联网资源写一篇爱因斯坦与狭义相对论建立的科普小文章.
要求：
文章的时间脉络清晰，无科学性错误.课题研究 （一）爱因斯坦的贡献
（二）方兴未艾的宇宙学
（三）有趣的相对论佯谬
（四）黑洞的研究爱因斯坦与狭义相对论的建立.
组织： 小组（2-3人）
方案：
利用图书馆、互联网资源写一篇爱因斯坦与狭义相对论建立的科普小文章.
要求：
文章的时间脉络清晰，无科学性错误.
再见课件20张PPT。高中物理新人教版 选修３- 4系列课件15.2《时间和空间 的相对性》教学目标 知识与技能：
（1）同时的相对性；（2）运动长度的收缩；（3）时间间隔的相对；（4）了解时空相对性的验证；（5）了解相对论时空观与经典物理时空观的主要区别
过程与方法：
（1）理解同时相对性的推演过程男；（2）理解从“同时相对性”出发得出“运动长度和时间间隔的相对性”的过程
情感态度和价值观：
（1）体会相对论崭新的时空观，体会相对论的建立对人类认识世界的影响。（2）辩证地看待经典物理理论
教学重点、难点 ：
从“同时”的相对性得出运动长度和时间间隔的相对性 在经典物理家的头脑中，如果两个事件在一个参考系中看来是同时的，在另一个参考系中看来也一定是同时的，但是如果接受爱因斯坦的两个假设，我们会得出“同时是相对的”这样一个结论．一、“同时”的相对性 车厢上的人和地面上的人看到车厢中间灯光到达前后车厢的先后是不一样的．
车上的观察者认为光同时到达车厢的前后两壁
站台上的观察者认为光先到车厢后壁后到前壁结论：
1、对于运动的火车上同时发生的两个事件，对于地面就不是同时的
关键：在各个参考系中光速都为c
2、地面上同时发生的两个事件，对于运动的火车也不是同时的
关键：相对运动 课本P108 思考与讨论二、长度的相对性 v车上的人看到的车厢的长度：车外的人看到的车厢的长度：注意：
长度缩短效应只发生在相对运动的方向上
如上例中的 X 轴方向上，在Y 轴方向上无长度缩短效应动尺变短（空间收缩效应） 结论
一条沿自身长度方向运动的杆，
其长度总比杆静止时的长度小斐克小伙剑术精，
出刺迅捷如流星，
由于空间收缩性，
长剑变成小铁钉.三、时间间隔的相对性在站台上看运动火车上的钟在火车上看运动站台上的钟 高速运行的列车上，由车厢底部发出的闪光，对于车上的人来说，闪光是在竖直方向反射的，而车厢外的人认为被接收的反射光是沿斜线传播的． 由光速不变原理便得到不同的时间间隔对于车厢内的人：对于车厢外的人：h相对速度与动钟延缓效应 (τ =1s）V（米/秒）
0.1c=3×107
0.5c
0.8c
0.9c
0.99c
0.999c
0.9998c T(秒)
1.01
1.15
1.67
2.29
7.1
22.4
50 四、时空相对性的实验验证 根据相对论，时间在运动中会进行的比较缓慢，也就是说，在空间中高速移动的时钟，比固定于地面上的时钟走得慢．??1971年，科学家将铯原子钟放在喷气式飞机中作环球飞行，然后与地面的基准钟对照．实验结果与理论预言符合的很好．这是相对论的第一次宏观验证． 早在1941年，科学家通过对宇宙线的观测证实了相对论的结论，美国科学家罗西和霍尔在不同高度统计了宇宙线中μ子的数量，结果与相对论预言完全一致．??当两个参考系的相对速度可与光速相比时，时间与空间的相对性才比较明显． 狭义相对论的结论已经完全得到证实，实际上它已经成为微观粒子研究的基础之一． 牛顿物理学的绝对时空观：物理学的空间与时间是绝对分离没有联系的，脱离物质而单独存在，与物质的运动无关。
而相对论认为：有物质才有时间和空间，空间和时间与物体的运动状态有关。
人类对于空间、时间更进一步的认识而形成的新的时空观，是建立在新的实验事实和相关结论与传统观念不一致的矛盾基础上，不断发展、不断完善起来的。五、相对论的时空观小 结一、“同时”是相对的
二、长度的相对性
三、时间间隔的相对性
再见课件35张PPT。高中物理新人教版 选修３- 4系列课件15.3《狭义相对论的 其他结论》教学目标 知识与技能：
（1）运动速度的相对论变换
（2）相对论质量
（3）质能方程
过程与方法：
让学生体会到自洽性检验是科学理论研究的一个基本方法。
情感态度和价值观：
体会物理学中蕴含的简单与和谐之美（质能方程）
教学重点、难点 ：
重点：三个公式
难点：运动速度的相对性变换
狭义相对论的其他三个结论狭义相对论的三个重要结论…相对论的速度叠加公式相对论质量质能方程(1)相对论的速度叠加? 由于时间和空间的相对性，对于物体的速度，在某一惯性系S’内观测，要用S’系的时间和空间坐标表示；在另一惯性系S内观测，要用S系的时间和空间坐标表示。这样，速度叠加公式就不再是绝对时空的速度叠加公式了。假如 S’和S两系的坐标轴相平行，S’以速度ν沿x轴而运动，一质点以u’相对S’沿x’轴而运动，则相对S，其速度u为
这是相对论的速度叠加公式。如果u’＜c，则u＜c；如果u’＝c(光速)，则u＝c．与相对论的时空概念相协调。v车外的人看到车上人相对地面的速度为：例1 地球上一观察者，看见一飞船A以速
度2.5×l03 m／s从他身边飞过，另一飞船B
以速度2.0×l08m／s 跟随A飞行。求：
（1）A上的乘客看到B的相对速度；
（2）B上的乘客看到A的相对速度。 结束目录解：(1)设地球为K系，飞船A为K′系。由
已知条件可知K′系相对K系是速度为飞船B 在K系中的速度为飞船B 在K′系中的速度为结束目录 (2) 设地球为K系，飞船B为K′系。由
已知条件可知K′系相对K系是速度为飞船A 在K系中的速度为飞船A在K′系中的速度为结束目录练习1 一原子核以0.5c 的速度离开一观察
者而运动。原子核在它运动方向上向前发射
一电子，该电子相对于核有0.8c 的速度；此
原子核又向后发射了一光子指向观察者。对
静止观察者来讲，
（1）电子具有多大的速度；
（2）光子具有多大的速度。结束目录解：设观测者为K系，原子核为K′系。电子在K′系中的速度为：K′系相对K系是速度为：电子在K 系中的速度为：根据光速不便原理，光子的速度为 c 。结束目录(2).质量和速率的关系? 在经典物理的概念里，一个物体的质量为一常量，与物体的运动状态无关。但是在相对论理论里，质量和运动的速度有关。物体的静止质量m0是一常量，相对任何惯性系均为m0，而物体以速度ν运动时，它的(运动)质量m为
质量随速率增加而变大，实验完全证实了这个公式。从质量和速度的关系式可以看出，当物体速度趋近于光速时，质量将趋向无限大。这是不可能的。一切物体的速度都永远小于真空中的光速。(2)相对论质量 物体的运动速度不能无限增加，那么物体的质量是否随着速度而变化？ 严格的论证表明，物体高速（与光速相比）运动时的质量与它静止时的质量之间有下面的关系：m为运动质量
m0为静止质量质速关系曲线 微观粒子的速度很高，它的质量明显的大于静止质量．在研究制造回旋加速器时必须考虑相对论效应的影响．??1988年，中国第一座高能粒子加速器——北京正负电子对撞机首次对撞成功例2 如一观察者测出电子质量为2m。，
问电子速度为多少？（m。为电子的静止质量） 结束目录结束目录 练2 某人测得一静止棒长为人质量为m，
于是求得此棒线密度为ρ=m/l 。假定此棒
以速度 v 在棒长方向上运动，此人再测棒的
线密度应为多少，若棒在垂直长度方向上运
动，它的线密度又为多少？ 结束目录结束目录结束目录物体的能量和质量之间存在着某种联系： 物体的能量和质量之间存在密切的联系，他们的关系是：爱因斯坦（3）质能方程这就是著名的质能方程 质能方程表达了物体的质量和它所具有的能量之间的关系.物体的动能运动时的能量静止时的能量在v ＜ ＜ c时的一种近似,这就是动能表达式．例3 设电子的速度为 (1)1.0×106 m/s;
(2) 2.0×108m/s,试计算电子的动能各是多
少？如用经典力学公式计算电子动能又各为
多少？ 结束目录解： (1)按《相对论》计算当电子的速度为v1=1.0×106 m/s时的动能结束目录当电子的速度为v2=1.0×108 m/s时的动能结束目录(2)按《经典力学》计算结束目录例4 两个氖核组成质量数为4、原子量
为4.0015u 的氦核。试计算氦核放出的结合
能。 结束目录氘核静止质量其中u为原子质量单位结束目录练3 太阳由于向四面空间辐射能量，
每秒损失了质量 4×109kg。求太阳的辐
射功率。 结束目录结束目录 练4 一个电子从静止开始加速到0.1c 的
速度，需要对它作多少功？速度从0.9 c 加速
到0.99 c 又要作多少功？ 结束目录结束目录结束目录作业P108 1 2 3再见课件23张PPT。第十五章 相对论简介15.1 相对论的诞生一、问题的提出如果有人对你说：“你头脑中的一些概念是不科学的．”你相信吗？一、问题的提出人们头脑中的概念从科学性来讲，可以分为两类：第一类是科学的：第二类是经验的，但不是科学的．一、问题的提出请问：
1、标准尺的长度静止时和运动时的长度是一样吗？
2标准钟的快慢运动时和静止时是一样吗？在高山顶和山谷是一样吗？二、几个经典概念和规律1、空间：人们通常所说的空间量，不外乎线的长度、平面物曲面的面积、形体的体积等等．它们都可以用标准尺来量度．二、几个经典概念和规律2、时间：通常，时间不外乎两个事件的时间间隔、一个事件比另一个事件发生得早些或晚些、两个事件同时发生等等．原则上时间都可以用标准钟来量度．二、几个经典概念和规律3牛顿在他所著的《自然哲学的数学原理》一书中写道：
绝对的空间，本质上是与外界无关的，是同一的和静止的．
绝对的时间，本质上是一种与外界物体无关的均匀流动．
这就是牛顿力学中的绝对空间和绝对时间概念．二、几个经典概念和规律4、空时坐标
（1）空间坐标：需要3个空间量．比如：（x、y、z）．
（2）空时坐标：需要4个数．比如：（x、y、z、t）．二、几个经典概念和规律5、速度合成法则：
（1）伽利略变换式：设有两个参考系S和作匀速运动，且S/相对S沿X轴以速度v运动．则事件P在两坐标系中变换关系是二、几个经典概念和规律5、速度合成法则：
（2）速度合成法则：设质点在在S/中的速度为u/，则在S中的速度为
u=u/+v二、几个经典概念和规律6、惯性系：牛顿运动定律成立的参考系．
凡是相对于惯性系做匀速直线运动的参考系都是惯性系．二、几个经典概念和规律7、牛顿力学中的相对性原理：牛顿运动定律的数学形式在所有的惯性系中都是相同的，或者说，牛顿运动定律的数学形式在伽利略变换是不变的．二、几个经典概念和规律7、牛顿力学中的相对性原理：（其它表述）
（1）在任何两个惯性系中做同一个力学实验都会得到相同的结果；
（2）用任何力学方法都无法将两个惯性系分开；
（3）对于描述力学现象，所有的惯系都是平权的．三、经典物理学的困难1、在经典物理学中，牛顿运动定律能够描述所有力学现象．
2、在电磁学领域，麦克斯韦电磁场理论能描述所有的电磁学现象．并指出：在任一惯性系中，光速各向同性，大小都等于c．
3、问题：假设光S在中的速度是c，它在S/ 中的速度是多少？ 但是实验现象表明，不论光源和观察者做怎样的相对运动，光速都是恒定的．v光速＝ 光速＝ 19世纪后半叶和20世纪初，物理学家们曾经猜想，有一种叫做以太的介质，弥漫在宇宙中，它是电磁波传播时所需要的介质，拿以太做参考系时麦克斯韦的电磁理论才成立．今天看来，以太是某一特殊参考系的代表．麦克尔逊实验表明不存在这样的特殊参考系，实际上就是宣布宇宙间不存在以太．麦克尔逊莫雷实验 这一结论还特别为后来的很多精确的实验所证实，最著名的是1887年迈克尔逊和莫雷所做的实验。它们都明确无误地证明光速的测量结果与光源和测量者的相对运动无关，亦即与参照系无关。
可见光和电磁波的运动不服从伽利略相对原理.任何参照系中测得的光在真空的速率都应该是一样的． 当时人们为了解决这个困难，提出了三种可能：
（1）麦克斯韦电磁理论有错，正确的电磁方程组应满足伽利略不变性。
（2）牛顿力学与麦克斯韦电磁理论都对，但麦克斯韦电磁理论只在某一特殊的惯性系成立。
（3）牛顿力学与伽利略变换不对，应存在某种变换，麦克斯韦电磁理论在这种新的变换下具有不变性。这意味着经典牛顿力学要作修改，修改后的力学方程在新的变换下具有不变性。 上述的矛盾使物理学家面临两个选择，一是修正现有的理论，去迎合实验结果（这相对比较容易，但常常无效）； 另一种主张彻底摆脱“麦克斯韦电磁理论只适用于某一特殊的惯性系”，创立全新的理论。爱因斯坦、庞加莱等人选择了后者．并提出了两个假设：
四、狭义相对论的两个基本假设1、狭义相对性原理
在不同的惯性参考系，一切物理规律都是相同的
2、光速不变原理
真空中的光速在不同的惯性参考系中是相同的，光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。对两个基本原理的正确理解①自然规律不仅包括力学规律，还包括电磁学规律等其他所有的物理学规律；
②真空中的光速不变指大小既不依赖于光源或观察者的运动，也不依赖于光的传播方向
③几十年来科学家采用各种先进的物理技术测量光速，结果都不违背光速不变原理。 相对论的时空观念与人们固有的时空观念差别很大，很难被普通人所理解。人们都称赞爱因斯坦伟大，但又常常弄不懂这伟大的内容。这使人们想起英国诗人波谱歌颂牛顿的诗句: 自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，上帝说：“让牛顿去吧，”于是一切都成为光明。
后人续写道: 上帝说完多少年之后，魔鬼说：“让爱因斯坦去吧，”于是一切又回到黑暗中。课件17张PPT。第十五章 相对论简介§1、相对论的诞生
§2、时间和空间的相对性徐州一中 李林铮相对论简介牛顿力学适用宏观物体的低速（与光速相比）运动适用宏观物体的低速（与光速相比）运动研究微观粒子的运动研究宏观物体的高速（与光速相比）运动相对论简介 19世纪后半叶，关于电磁场的研究不断深入，人们认识到了光的电磁本质．我们已经知道，电磁波是以巨大且有限的速度传播的，因此在电磁场的研究中不断遇到一些矛盾，这些矛盾导致了相对论的出现．
相对论不仅给出了物体在高速运动时所遵循的规律，而且改变了我们对于时间和空间的认识，它的建立在物理学和哲学的发展史上树立了一座重要的里程碑．经典的相对性原理 不同的参考系中观察物体的运动情况可能不同，物体在空间移动这一概念也是相对的．在不同参考系中观察物体的运动情况经典的相对性原理 光速恒定的特性，同运动的相对性原理之间似乎产生了矛盾？ 但是实验现象表明，不论光源和观察者做怎样的相对运动，光速都是恒定的．v光速＝ 光速＝不存在特殊参考系 ? 19世纪后半叶和20世纪初，物理学家们曾经猜想，有一种叫做以太的介质，弥漫在宇宙中，它是电磁波传播时所需要的介质，拿以太做参考系时麦克斯韦的电磁理论才成立．今天看来，以太是某一特殊参考系的代表．麦克尔逊实验表明不存在这样的特殊参考系，实际上就是宣布宇宙间不存在以太．麦克尔逊实验狭义相对论的两个假设 上述的矛盾使我们面临两个选择，要么放弃麦克斯韦的电磁理论，要么否定特殊参考系的存在．爱因斯坦选择了后者．并提出了两个假设： 在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的爱因斯坦的相对性原理 真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的光速不变原理同时的相对性v车厢长度是5400000km车厢运行速度240000km/s 车厢上的人和地面上的人看到车厢中间灯光到达前后车厢的先后是不一样的．同时的相对性点击观看动画同时的相对性 在经典物理家的头脑中，如果两个事件在一个参考系中看来是同时的，在另一个参考系中看来也一定是同时的，但是如果接受爱因斯坦的两个假设，我们会得出“同时是相对的”这样一个结论．时间间隔的相对性 高速运行的列车上，由车厢底部发出的闪光，对于车上的人来说，闪光是在竖直方向反射的，而车厢外的人认为被接收的反射光是沿斜线传播的．由光速不变原理便得到不同的时间间隔时间间隔的相对性对于车厢内的人：对于车厢外的人：h时间间隔的相对性在站台上看运动火车上的钟在火车上看运动站台上的钟长度的相对性v车厢运行速度240000km/s车上的人看到的车厢的长度：车外的人看到的车厢的长度：时空相对性的实验验证?当两个参考系的相对速度可与光速相比时，时间与空间的相对性才比较明显． 狭义相对论的结论已经完全得到证实，实际上它已经成为微观粒子研究的基础之一．时空相对性的实验验证 根据相对论，时间在运动中会进行的比较缓慢，也就是说，在空间中高速移动的时钟，比固定于地面上的时钟走得慢．??1971年，科学家将铯原子钟放在喷气式飞机中作环球飞行，然后与地面的基准钟对照．实验结果与理论预言符合的很好．这是相对论的第一次宏观验证．时空相对性的实验验证 早在1941年，科学家通过对宇宙线的观测证实了相对论的结论，美国科学家罗西和霍尔在不同高度统计了宇宙线中μ子的数量，结果与相对论预言完全一致．
