(共31张PPT)
第2节 相对论中的神奇时空
第3节 探索宇宙的奥秘
学习任务一 时间延缓效应
学习任务二 长度收缩效应
学习任务三 质能关系 广义相对论的几个结论
学习任务四 探索宇宙的起源和演化
素养提升
随堂巩固
备用习题
答案核查
学习任务一 时间延缓效应
［教材链接］
阅读教材，完成下列填空：
时间延缓效应：如果相对于地面以速度 运动的惯性参考系上的人观察到与其一
起运动的物体完成某个动作的时间为 ,地面上的人观察到该物体在同一地点完
成这个动作的时间为 ，则_ ___________.
由于 ，所以，总有________.
例1 ［2024·四川绵阳高一期末］在高速列车的车厢安装一盏灯，它每隔一定时
间亮一次.列车上的人测得，灯在、 两个时刻分别亮了一次，也就是说发生
了两个事件，车上的人认为两个事件的时间间隔是 ；地面上的人
测得这两个事件的时间间隔为.则 与 的关系是( )
A. B. C. D.无法确定
[解析] 根据时间的相对性可得,所以 ,故选B.
√
【要点总结】
对时间延缓效应的理解：
(1)对同一物理过程经历的时间，在不同的惯性系中观测，测得的结果不同，时
间延缓效应是一种观测效应，不是被测过程的节奏变化了.
(2)惯性系速度越大，地面上的人观测到的时间越长.
(3)由于运动是相对的，故在某一参考系中观测另一参考系中发生的物理事件，
总会感到时间延缓效应，即惯性系中的人观测地面上发生的事件的时间也延缓.
学习任务二 长度收缩效应
［教材链接］
阅读教材，完成下列填空：
长度收缩效应：若一把刻度尺，相对它静止的观测者测量其长度为 ，沿它长
度方向以速度相对运动的观测者测量其长度则是 ,有_ _______________,总有
______.
［物理观念］
如果一列火车以接近光的速度从我们身边飞驰而过,我们测得车厢前、后壁的距
离变小了,车窗变窄了,而且火车速度越快,这个现象越明显.这是什么原因呢
[答案] 根据长度收缩效应，沿长度方向相对运动的观测者测量其长度会变小，所
以会感觉车窗变窄，而且被测物体相对观测者的速度越大，长度收缩效应越明显.
例2 惯性系中有一边长为的正方形(如图所示).从相对系沿 轴方向以接近光
速匀速飞行的飞行器上测得此正方形的图形是 ( )
A. B. C. D.
[解析] 从相对系沿轴方向以接近光速匀速飞行的飞行器上观察 系中的正方
形，根据相对论效应可知，沿轴方向正方形的边长缩短，而沿 轴方向正方形
边长没有改变，则其形状变成C中所示的长方形，故C正确，A、B、D错误.
√
【要点总结】
对长度收缩效应的理解：
(1)长度收缩效应也是一种观测效应，不是物体本身发生了收缩.
(2)在垂直于运动方向上，物体不会发生长度收缩效应.
(3)由于运动是相对的，故在某一参考系中观测另一参考系中沿杆方向的长度，
总有长度收缩效应，即在静止惯性系中的人观测运动的杆，沿杆运动方向的长
度发生收缩.
学习任务三 质能关系 广义相对论的几个结论
［教材链接］
阅读教材，完成下列填空：
(1) 质能方程：_____,式中是物体的质量,是真空中的光速， 是物体具有
的能量.
(2) 广义相对论的几个结论
① 由于物质的存在,空间和时间会发生______.
② 物质的引力使光线发生______.
弯曲
弯曲
例3 ［2024·厦门一中高一月考］关于爱因斯坦质能方程,下列说法错误的是
( )
A.方程表明,物体具有的能量跟它的质量成正比
B.方程表明,物体质量增大,能量也增大;质量减少,能量也减少
C.方程表明,物体的质量减少,能量会增加,即在一定条件下质量可以转化为能量
D.方程表明,物体的质量减少,能量也会减少,即在一定条件下质量可以转化为能量
[解析] 由可知, ,A正确.质量增大,能量增大;质量减少,能量减少,减
少的质量以能量的形式散失,B、D正确,C错误.
√
【要点总结】
1.任何质量都对应着一定的能量 ,这为原子能的开发和利用提供了理论依据.
2.质量和能量是物质不可分离的属性.如果用 表示物体质量的变化量，则能量
的变化量 ，表示随着质量的减少,物体会释放一定的能量.
学习任务四 探索宇宙的起源和演化
［科学态度］
1.在古希腊，德谟克利特提出了“天体演化说”.
2.德国哲学家康德提出了“星云假说”.
3.爱因斯坦提出了“有限无界的静态宇宙”模型.
4.美国科学家哈勃发现银河系外星系存在及宇宙不断膨胀.
5.美国科学家伽莫夫提出了描述宇宙起源和演化的大爆炸宇宙模型.
6.1965年，天文学家彭齐亚斯和威尔森观测到了宇宙背景微波辐射，大爆炸宇
宙模型得到了有力的支持.
7.1998年，科学家索尔·珀尔马特、布莱恩·施密特和亚当·里斯通过观测遥远的
超新星，发现宇宙正在加速膨胀，并且证明了暗能量的存在.
8.2015年，人类首次直接探测到两个黑洞合并时的引力波的存在，2017年，人
类探测到双中子星合并时的引力波信号，2019年，人类发布首张黑洞照片.
1.(多选)以下说法正确的是( )
A.牛顿力学理论普遍适用,大到天体、小到微观粒子均适用
B.牛顿力学理论具有一定的局限性
C.在牛顿力学中,物体的质量不随运动状态改变而改变
D.相对论和量子力学否定了牛顿力学理论
[解析] 牛顿力学理论具有一定的局限性,它只适用于低速、宏观物体的运动,选
项A错误,B正确;在牛顿力学中,物体的质量不随运动状态的改变而改变,即物体的
质量和物体运动的速度无关,选项C正确;相对论和量子力学并没有否定过去的科
学,而是认为牛顿力学理论是在一定条件下的特殊情形,选项D错误.
√
√
2.牛顿力学只适用于“宏观世界”,这里的“宏观世界”是指( )
A.行星、恒星、星系等巨大的物质领域
B.地球表面上的物质世界
C.人眼能看到的物质世界
D.不涉及分子、原子、电子等微观粒子的物质世界
[解析] A、B、C三个选项都属于“宏观世界”,但都很片面,没有全面描述.
√
3.话说有兄弟两个,哥哥乘坐宇宙飞船以接近光的速度离开地球去遨游太空,经过
一段时间返回地球,哥哥惊奇地发现弟弟比自己要苍老许多,则该现象的科学解释
是( )
A.哥哥在太空中发生了基因突变,停止生长了
B.弟弟思念哥哥而加速生长了
C.由相对论可知,物体速度越大,在其上时间进程就越慢,生理过程也越慢
D.这是神话,科学无法解释
[解析] 根据相对论的时间延缓效应可知,当飞船速度接近光速时,时间会变慢,时
间延缓效应对生命过程、化学反应等也是成立的.飞船运行的速度越大,时间延缓
效应越明显,故C正确.
√
4.(多选)如图甲所示,质子束被加速到接近光速;如图乙所示,中子星是质量、密度
非常大的星体.下列说法正确的是( )
A.牛顿力学适用于质子束的运动规律
B.牛顿力学不适用于质子束的运动规律
C.牛顿力学适用于中子星的引力规律
D.牛顿力学不适用于中子星的引力规律
√
√
[解析] 牛顿力学适用于宏观、低速、弱引力物体的运动规律,不适用于接近光速
的质子束的运动规律,中子星强大的引力足以让光线发生明显弯曲,在这样的强引
力下,牛顿力学已经不再适用,故选项A、C错误,B、D正确.
5.“世界物理年”决议的作出与爱因斯坦的相对论时空观有关.根据爱因斯坦的理
论,一把米尺,在它与观察者有不同相对速度(沿尺长方向)的情况下,米尺长度是不
同的,它们之间的关系如图所示.由此可知,当米尺和观察者的相对速度达到
为光速时,米尺的长度大约为____ .在日常生活中,我们无法观察到米尺长度
变化的现象,是因为观察者相对于米尺的运动速度____________.
0.6
远小于光速
6.情境:明明同学站在一条长木杆的中央附近,并且看到木杆落在地上时是两头同
时落地,所以明明同学认为木杆是平着落到了地上,而此时飞飞同学正以接近光速
的速度从木杆前面掠过,如图所示.
问题:飞飞看到杆哪一端先落地
[答案] 两端同时落地
[解析] 站在一条长木杆的中央附近的明明同学看到木杆落在地上时是两头同时
落地;飞飞同学正以接近光速的速度从木杆前面掠过,飞飞同学以自己为参考系, 认为杆以接近光速的速度向左运动的同时在下落,根据狭义相对论的长度收缩效应,杆的长度变短了,但竖直高度不变,杆两端仍然是在同一个时刻落地.
相对论质量
物体以速度运动时的质量与静止时的质量之间的关系为
示例 一个电子运动的速度为,它的质量测量值约为其静止质量 的
( )
A. B.1.25倍 C.1.7倍 D.2.5倍
[解析] 由相对论的质速关系得, ,故
选项C正确.
√
【要点总结】
1.对于有实际质量的物体,它的速度越接近光速,显示的质量就越大,任何宏观物体
的速度都不可能达到光速.
2.由于光子没有实际质量,所以光子的速度可以达到光速.
1.(长度收缩效应)假设地面上有一火车运行的速度接近光速，车内站立着一个中
等身材的人，站在路旁的人观察车里的人，观察的结果是( )
A.这个人矮且胖 B.这个人瘦且高 C.这个人矮但不胖 D.这个人瘦但不高
[解析] 取路旁的人为惯性系，车上的人相对于路旁的人高速运动，根据长度收
缩效应可知，人在运动方向上将变窄，但在垂直于运动方向上没有发生变化，
故D正确.
√
2.(狭义相对论)(多选)一枚火箭静止于地面时长为 ，两个完全相同的时钟分
别放在火箭内和地面上.火箭以速度飞行，光速为 ，下列判断正确的是
( )
A.若，则火箭上的观察者测得火箭的长度仍为
B.若，则地面上的观察者测得火箭的长度仍为
C.若 ，则火箭上的观察者认为地面上的时钟走得快
D.若 ，则地面上的观察者认为火箭上的时钟走得慢
√
√
[解析] 一枚静止时长为的火箭以 的速度飞行，根据相对论时空观可知，
火箭上的观察者测得火箭的长度为 ，故A正确；根据长度收缩效应知
，地面上的观察者测得火箭的长度为 ，故B错误；根据
时间延缓效应，运动的钟比静止的钟走得慢，而且运动速度越大，钟走得越慢，
同时运动是相对的，火箭相对于地面上的人是运动的，地面上的人相对于火箭
也是运动的，所以若 ，则火箭上的观察者认为地面上的时钟走得慢，
同时地面上的观察者认为火箭上的时钟走得慢，故C错误，D正确.
3.(质能关系)(多选)［2024·晋江一中高一月考］ 爱因斯坦提出了质能方程,揭示
了质量与能量的关系.关于质能方程,下列关系式正确的是( )
A.质量和能量可以相互转化
B.当物体向外释放能量时,其质量一定减少,且减少的质量与释放的能量 满
足
C.如果物体的能量增加了,那么它的质量相应减少,并且
D.是质量为 的物体所具有的能量
√
√
[解析] 由质能方程可知,能量与质量之间存在着一定的必然对应关系,但不能认
为质量就是能量、能量就是质量,能量与质量是两个不同的概念.当物体的质量减
少时,物体的能量也减少,减少的能量和减少的质量之间的关系为 ,选
项B、D正确.
［教材链接］ 例1 B
［教材链接］
［物理观念］ 根据长度收缩效应，沿长度方向相对运动的观测者测量其长度会变小，所以会感觉车窗变窄，而且被测物体相对观测者的速度越大，长度收缩效应越明显. 例2 C
［教材链接］ （1） （2）①弯曲 ②弯曲 例3 C
素养提升 示例 C 随堂巩固 1.D 2.AD 3.BD第2节 相对论中的神奇时空 第3节 探索宇宙的奥秘
[教材链接] τ= τ>τ0
例1 B [解析] 根据时间的相对性可得Δt=,所以Δt>Δτ,故选B.
[教材链接] l=l0 l[物理观念] 根据长度收缩效应,沿长度方向相对运动的观测者测量其长度会变小,所以会感觉车窗变窄,而且被测物体相对观测者的速度越大,长度收缩效应越明显.
例2 C [解析] 从相对S系沿x轴方向以接近光速匀速飞行的飞行器上观察S系中的正方形,根据相对论效应可知,沿x轴方向正方形的边长缩短,而沿y轴方向正方形边长没有改变,则其形状变成C中所示的长方形,故C正确,A、B、D错误.
[教材链接] (1)mc2 (2)①弯曲 ②弯曲
例3 C [解析] 由E=mc2可知,E∝m,A正确.质量增大,能量增大;质量减少,能量减少,减少的质量以能量的形式散失,B、D正确,C错误.
素养提升
示例 C [解析] 由相对论的质速关系m=m0得,==≈1.7,故选项C正确.
随堂巩固
1.D [解析] 取路旁的人为惯性系,车上的人相对于路旁的人高速运动,根据长度收缩效应可知,人在运动方向上将变窄,但在垂直于运动方向上没有发生变化,故D正确.
2.AD [解析] 一枚静止时长为30 m的火箭以0.5c的速度飞行,根据相对论时空观可知,火箭上的观察者测得火箭的长度为30 m,故A正确;根据长度收缩效应知l=l0,地面上的观察者测得火箭的长度为L=26 m,故B错误;根据时间延缓效应,运动的钟比静止的钟走得慢,而且运动速度越大,钟走得越慢,同时运动是相对的,火箭相对于地面上的人是运动的,地面上的人相对于火箭也是运动的,所以若v=0.5c,则火箭上的观察者认为地面上的时钟走得慢,同时地面上的观察者认为火箭上的时钟走得慢,故C错误,D正确.
3.BD [解析] 由质能方程可知,能量与质量之间存在着一定的必然对应关系,但不能认为质量就是能量、能量就是质量,能量与质量是两个不同的概念.当物体的质量减少时,物体的能量也减少,减少的能量和减少的质量之间的关系为ΔE=Δmc2,选项B、D正确.第2节 相对论中的神奇时空 第3节 探索宇宙的奥秘
学习任务一 时间延缓效应
[教材链接] 阅读教材,完成下列填空:
时间延缓效应:如果相对于地面以速度v运动的惯性参考系上的人观察到与其一起运动的物体完成某个动作的时间为τ0,地面上的人观察到该物体在同一地点完成这个动作的时间为τ,则 .由于1-<1,所以,总有 .
例1 [2024·四川绵阳高一期末] 在高速列车的车厢安装一盏灯,它每隔一定时间亮一次.列车上的人测得,灯在t1'、t2'两个时刻分别亮了一次,也就是说发生了两个事件,车上的人认为两个事件的时间间隔是Δτ=t2'-t1';地面上的人测得这两个事件的时间间隔为Δt=t2-t1.则Δτ与Δt的关系是 ( )
A.Δτ>Δt
B.Δτ<Δt
C.Δτ=Δt
D.无法确定
【要点总结】
对时间延缓效应的理解:
(1)对同一物理过程经历的时间,在不同的惯性系中观测,测得的结果不同,时间延缓效应是一种观测效应,不是被测过程的节奏变化了.
(2)惯性系速度越大,地面上的人观测到的时间越长.
(3)由于运动是相对的,故在某一参考系中观测另一参考系中发生的物理事件,总会感到时间延缓效应,即惯性系中的人观测地面上发生的事件的时间也延缓.
学习任务二 长度收缩效应
[教材链接] 阅读教材,完成下列填空:
长度收缩效应:若一把刻度尺,相对它静止的观测者测量其长度为l0,沿它长度方向以速度v相对运动的观测者测量其长度则是l,有 ,总有 .
[物理观念] 如果一列火车以接近光的速度从我们身边飞驰而过,我们测得车厢前、后壁的距离变小了,车窗变窄了,而且火车速度越快,这个现象越明显.这是什么原因呢
例2 惯性系S中有一边长为l的正方形(如图所示).从相对S系沿x轴方向以接近光速匀速飞行的飞行器上测得此正方形的图形是 ( )
【要点总结】
对长度收缩效应的理解:
(1)长度收缩效应也是一种观测效应,不是物体本身发生了收缩.
(2)在垂直于运动方向上,物体不会发生长度收缩效应.
(3)由于运动是相对的,故在某一参考系中观测另一参考系中沿杆方向的长度,总有长度收缩效应,即在静止惯性系中的人观测运动的杆,沿杆运动方向的长度发生收缩.
学习任务三 质能关系 广义相对论的几个结论
[教材链接] 阅读教材,完成下列填空:
(1)质能方程:E= ,式中m是物体的质量,c是真空中的光速,E是物体具有的能量.
(2)广义相对论的几个结论
①由于物质的存在,空间和时间会发生 .
②物质的引力使光线发生 .
例3 [2024·厦门一中高一月考] 关于爱因斯坦质能方程,下列说法错误的是 ( )
A.方程表明,物体具有的能量跟它的质量成正比
B.方程表明,物体质量增大,能量也增大;质量减少,能量也减少
C.方程表明,物体的质量减少,能量会增加,即在一定条件下质量可以转化为能量
D.方程表明,物体的质量减少,能量也会减少,即在一定条件下质量可以转化为能量
【要点总结】
1.任何质量m都对应着一定的能量mc2,这为原子能的开发和利用提供了理论依据.
2.质量和能量是物质不可分离的属性.如果用Δm表示物体质量的变化量,则能量的变化量ΔE=Δmc2,表示随着质量的减少,物体会释放一定的能量.
学习任务四 探索宇宙的起源和演化
[科学态度]
1.在古希腊,德谟克利特提出了“天体演化说”.
2.德国哲学家康德提出了“星云假说”.
3.爱因斯坦提出了“有限无界的静态宇宙”模型.
4.美国科学家哈勃发现银河系外星系存在及宇宙不断膨胀.
5.美国科学家伽莫夫提出了描述宇宙起源和演化的大爆炸宇宙模型.
6.1965年,天文学家彭齐亚斯和威尔森观测到了宇宙背景微波辐射,大爆炸宇宙模型得到了有力的支持.
7.1998年,科学家索尔·珀尔马特、布莱恩·施密特和亚当·里斯通过观测遥远的超新星,发现宇宙正在加速膨胀,并且证明了暗能量的存在.
8.2015年,人类首次直接探测到两个黑洞合并时的引力波的存在,2017年,人类探测到双中子星合并时的引力波信号,2019年,人类发布首张黑洞照片.
素养提升
相对论质量
物体以速度v运动时的质量m与静止时的质量m0之间的关系为m=
示例 一个电子运动的速度为v=0.8c,它的质量测量值约为其静止质量m0的 ( )
A. B.1.25倍 C.1.7倍 D.2.5倍
【要点总结】
1.对于有实际质量的物体,它的速度越接近光速,显示的质量就越大,任何宏观物体的速度都不可能达到光速.
2.由于光子没有实际质量,所以光子的速度可以达到光速.
1.(长度收缩效应)假设地面上有一火车运行的速度接近光速,车内站立着一个中等身材的人,站在路旁的人观察车里的人,观察的结果是 ( )
A.这个人矮且胖 B.这个人瘦且高
C.这个人矮但不胖 D.这个人瘦但不高
2.(狭义相对论)(多选)一枚火箭静止于地面时长为30 m,两个完全相同的时钟分别放在火箭内和地面上.火箭以速度v飞行,光速为c,下列判断正确的是 ( )
A.若v=0.5c,则火箭上的观察者测得火箭的长度仍为30 m
B.若v=0.5c,则地面上的观察者测得火箭的长度仍为30 m
C.若v=0.5c,则火箭上的观察者认为地面上的时钟走得快
D.若v=0.5c,则地面上的观察者认为火箭上的时钟走得慢
3.(质能关系)(多选)[2024·晋江一中高一月考] 爱因斯坦提出了质能方程,揭示了质量与能量的关系.关于质能方程,下列关系式正确的是 ( )
A.质量和能量可以相互转化
B.当物体向外释放能量时,其质量一定减少,且减少的质量Δm与释放的能量ΔE满足ΔE=Δmc2
C.如果物体的能量增加了ΔE,那么它的质量相应减少Δm,并且ΔE=Δmc2
D.mc2是质量为m的物体所具有的能量
