(共72张PPT)
第1、2、3节 初识相对论 相对论中的神奇时空 探索宇宙的奥秘
核心素 养目标 物理 观念 1.知道狭义相对论的两个基本原理的内容。
2.知道狭义相对论关于时空相对性的主要结论。
3.初步了解时间延缓效应和长度收缩效应的主要内
容及推理的思维过程。
科学 思维 了解人类对宇宙的起源和演化的研究进程，了解什
么是科学探究和科学思维。
科学 探究 了解人类对宇宙永不停息的探索历程，体会科学家
进行科学探究的态度和责任。
目 录
01.
基础知识·准落实
02.
核心要点·快突破
03.
教学效果·勤检测
04.
课时训练·提素能
基础知识·准落实
梳理归纳 自主学习
01
知识点一 初识相对论
1. 迈克尔孙—莫雷实验
（1）经典物理学家曾认为，“以太”是光波的 ，这
种介质绝对静止、密度极小、硬度极大、完全透明，充满宇
宙空间，渗透于一切物体。
（2）迈克尔孙—莫雷实验证明，不论地球运动的方向同光的射向
一致还是相反， 测出的光速都 ，在地球同设想的
“以太”之间没有 ，找不到“以太”。
传播介质
相同
相对运动
2. 狭义相对论的两个基本假设
（1）相对性原理：所有 在一切惯性参考系中都具有
相同的形式。
（2）光速不变原理：在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光
速c都 （c＝3×108 m/s）。
物理规律
一样
知识点二 相对论中的神奇时空
1. 时间延缓效应
（1）经典的时空观：时间是绝对时间，就像一条长河，源源不断
地从过去到现在直至将来，与运动无关。
（2）相对论的时空观：当时钟相对于观测者静止时，时钟走得快
些；当时钟相对于观测者高速运动时，观测者则认为时钟变
慢了。
时间延缓
时钟变慢
2. 长度收缩效应
（1）经典的时空观：空间是绝对空间，与运动 。
（2）相对论的时空观：空间与运动密切 。
无关
相关
l0
长度收缩
3. 质能关系
（1）经典力学：在经典力学中， 和 是两个独立
的概念。
（2）质能关系式：E＝ ，其中m是物体的质量，E是它具有
的能量。
4. 奇妙的时空弯曲
爱因斯坦的广义相对论认为，由于物质的存在，空间和时间会发生
弯曲。天体之间的引力作用是时空弯曲的结果。
质量
能量
mc2
知识点三 探索宇宙的奥秘
1. 宇宙的起源
“大爆炸”宇宙模型认为，宇宙起源于一个“奇点”，在该奇点，
温度 ，物质密度 ，即发生宇宙大爆炸之后，
宇宙不断膨胀，温度不断降低。
无限高
无限大
2. 宇宙的演化
通过观测和理论分析，科学家推测宇宙的大部分都是由
和 组成的，但人类对暗物质和暗能量的本质至今仍不了
解，现有的天文观测资料不能确定宇宙的未来将走向何处，这有待
于人类的进一步探索。
暗物质
暗能量
3. 永不停息的探索
（1）2016年，我国落成启用了世界上最大单口径、最灵敏、具有
我国自主知识产权的射电望远镜——“中国天眼”。
（2）为了摆脱大气层对天文观测的影响，人类还先后发射了许多
人造卫星及宇宙飞行器用于天文观测。
（3） 开启了探索宇宙的新窗口，它可让我们倾听宇
宙，了解宇宙。
引力波
【情景思辨】
地球绕太阳公转的速度是3×104 m/s。设在美国伊利诺斯州费米实
验室的圆形粒子加速器可以把电子加速到0.999 999 999 987倍光速的
速度，光速c＝3×108 m/s。
（1）地球的公转速度在狭义相对论中属于低速。 （ √ ）
（2）被加速器加速后的电子的速度属于高速。 （ √ ）
（3）狭义相对论只适用于高速运动（速度接近真空中的光速的运
动）不适用于低速运动。 （ × ）
√
√
×
核心要点·快突破
互动探究 深化认知
02
要点一 经典力学体系与狭义相对论
【探究】
（1）如图所示，小球相对于参考系O以速度v0向右抛出，人相对于
参考系O'静止，当参考系O'相对于参考系O静止、以速度v向右运动和
以速度v向左运动时，人观察到小球的速度分别为多大？
提示： 分别为v0、v0－v、v0＋v
（2）如图所示，假设在真空环境中，光源相对于参考系O静止，人相
对于参考系O'静止，当参考系O'相对于参考系O静止、以速度v
向右运动和以速度v向左运动时，人观察到的光源发出光的传播
速度分别为多大？
提示： 人观察到的光速都是真空中的光速c（c＝3×108m/s）。
【归纳】
1. 经典力学体系
（1）惯性系与非惯性系
①凡是牛顿运动定律成立的参考系，称为惯性系，相对于一
个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系。惯性
系就是没有加速度的参考系，如地面。
②牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性参考系，如加速
中的汽车，这个汽车作为参考系就是非惯性参考系。
（2）伽利略的相对性原理
表述1：对于所有的惯性系，力学规律都是相同的。
表述2：在一个惯性系内进行的任何力学实验都不能判断这个
惯性系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动。
表述3：一切惯性参考系都是等效的。
（3）牛顿运动定律的适用范围
①宏观：能用通常方法测量与观察的物体。
②低速：远小于光速的速度。
③弱引力：物体的半径远小于引力半径时物体之间存在的作
用力。
2. 狭义相对论的两个基本原理
（1）相对性原理：所有物理规律在一切惯性参考系中都具有相同
的形式。
相对性原理表明：在某个惯性系中描述某个物理系统的某个
物理过程的物理定律，在其他一切惯性系中对该系统该过程
做出描述的物理定律皆保持形式不变。
（2）光速不变原理：在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光
速c都一样（c＝3×108 m/s）。
光速不变原理表明：在一切惯性系中观测真空中传播的光，
其传播速度均为c，与光源或观察者的运动无关。这一结论实
际上已被大量的实验证实。
【典例1】 （多选）一列很长的火车沿平直轨道飞快地匀速前进，
车厢中央有一个光源发出了一个闪光，闪光照到了车厢的前壁和后
壁。下列说法正确的是（ ）
A. 车厢里的观察者认为闪光是同时到达两壁的
B. 静止在地面上的观察者认为闪光是同时到达两壁的
C. 静止在地面上的观察者认为闪光先到达后壁
D. 静止在地面上的观察者认为闪光先到达前壁
解析：车厢匀速前进，因此车厢是惯性参考系，闪光向前和向后传播
的速度相等，而光源在车厢中央，因此闪光同时到达前壁和后壁，A
正确；静止在地面上的观察者以地面为参考系（惯性参考系），闪光
向前和向后传播的速度相等，但闪光飞向两壁的过程中， 车厢向前行
进了一段距离，因此闪光向前传播的路程长些，故闪光先到达后壁，
后到达前壁，C正确，B、D错误。
1. 在高速世界里，时间和空间都是相对的，都会随惯性参考系的选择
不同而不同。爱因斯坦根据基于相对性原理和光速不变原理，建立
了狭义相对论，下面正确的是（ ）
A. 相对性原理是指，物理规律在一切参考系中都具有相同的形式
B. 光速不变原理是指，在一切参考系中，测量到的真空中的光速c都
一样
C. 光速不变原理是指，在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光
速c都一样
D. 上面所述均不正确
解析： 根据相对性原理，在所有惯性系中，而不是参考系中，
物理定律有相同的形式，即一切物理规律都是相同的，故A错误；
光速不变原理，是指在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速
c都一样，故C正确，B、D错误。
2. 经典力学的基础是牛顿运动定律，但它也有自己的局限性，以下说
法正确的是（ ）
A. 经典力学适用于研究接近光速运行的物体的规律
B. 经典力学一般不适用于微观粒子
C. 经典力学和相对论是完全对立的
D. 研究在高速公路上行驶的汽车的运动规律不适用牛顿运动定律
解析： 经典力学适用于研究宏观低速物体的运动，而不适用研
究接近光速运行的物体的规律，选项A错误；经典力学适用于研究
宏观低速物体的运动，一般不适用于微观粒子，选项B正确；相对
论是在经典力学的基础上发展起来的，不是对经典力学的全面否
定，选项C错误；研究在高速公路上行驶的汽车的运动规律适用牛
顿运动定律，选项D错误。
要点二 相对论时空观的理解与应用
1. 两个原理
（1）相对性原理。
（2）光速不变原理。
2. 两个效应
（1）时间延缓效应：爱因斯坦曾预言，两个校准好的时钟，当一
个沿闭合路线运动返回原地时，它记录的时间比原地不动的
钟会慢一些。这已被高精度的铯原子钟超音速环球飞行实验
证实。在相对论时空观中，运动时钟时间τ与静止时钟时间τ0
的关系：τ＝，显然τ＞τ0，即运动的钟比静止的钟走得
慢。这种效应被称为时间延缓。
（2）长度收缩效应：按照狭义相对论时空观，空间也与运动密切
相关，与观测者和该物体的相对运动有关。观测长度l与静止
长度l0之间的关系：l＝l0，由关系式可知l＜l0。这种
长度观测效应被称为长度收缩。
3. 两种关系
（1）质能关系
①按照相对论及基本力学定律可推出质量和能量有如下关
系：E＝mc2，这就是著名的质能方程。
②质量和能量是物质不可分离的属性，当物质的质量减少或
增加时，必然伴随着能量的减少或增加，其关系为ΔE＝
Δmc2。
（2）质速关系
①在经典力学中，物体的质量与物体的运动无关，但在相对
论中，运动物体的质量随其运动速度的变化而变化。
②关系式：m＝，其中m为物体的运动质量，m0为静止
质量，v为物体相对惯性系的运动速度。
【典例2】 （多选）爱因斯坦的相对论时空观告知我们：我们在静
止地面看到某物体长度l0和运动所间隔的时间t，比较相对地面很大速
度v的参考系中对应的该物体的长度和间隔的时间来说（ ）
A. 在静止地面看物体长度偏大
B. 在静止地面看物体长度偏小
C. 在地面看物体运动所间隔的时间t偏大
D. 在地面看物体运动所间隔的时间t偏小
解析：在运动系中看到某物体长度l＝l0，在静止地面看到的物
体运动所间隔的时间τ＝，由关系式可看出在静止地面看到的物
体长度偏大，在地面上看物体运动所间隔的时间t偏大。
1. （多选）如图所示，甲、乙两人分别乘坐速度为0.6c和0.8c（c为
真空中光速）的飞船反向运动。则下列说法正确的是（ ）
A. 甲、乙两人相对速度为1.4c
B. 甲观察到乙的身高不变
C. 甲观察到乙所乘的飞船变短
D. 甲观察到乙所带的钟表显示时间变快
解析： 如果把两个人中的一个看成静止，那么另一个相对
有一个运动速度，但不能用经典力学中的速度合成公式，而应
用相对论速度合成公式，合成的速度接近光速，也就是说，如
果把甲看成静止，那么乙相对甲以某个接近光速的速度飞行，
故A错误；身高是竖直方向，他们的运动方向为水平，所以身
高不变，两者看到对方的身高不变，故B正确；根据相对论的
长度收缩效应，甲观察到乙所乘的飞船变短，故C正确；根据
相对论的时钟变慢效应，可以推测两人在接近光速运动时，相
对地球来说时间都变慢了，但乙相对于甲的速度更大，因此可
以推测，乙的钟要更慢一点，故D错误。
2. （多选）下列关于E＝mc2的说法正确的是（ ）
A. 质量为m的物体，就储存有mc2的能量
B. 质量为m的物体，对应着mc2的能量
C. 如果物体质量减少Δm，就将该质量转化为mc2的能量
D. 如果物体质量减少Δm，就将释放Δmc2的能量
解析： 由质能关系式可知，能量与质量之间存在着一定的
对应关系，E＝mc2说明质量为m的物体，对应着mc2的能量，不
能说储存有mc2的能量，A错误，B正确；如果物体质量减少
Δm，该减少的质量将转化为Δmc2的能量，释放Δmc2的能量，C
错误，D正确。
要点回眸
教学效果·勤检测
强化技能 查缺补漏
03
1. 对于经典力学理论，下列说法正确的是（ ）
A. 由于相对论、量子理论的提出，经典力学已经过时了
B. 经典力学在今天广泛应用，它的正确性无可怀疑，仍是普遍适用
的
C. 经典力学在历史上起了巨大的作用，随着物理学的发展而逐渐过
时，成为一种古老的理论
D. 经典力学在宏观低速运动中，引力不太大时适用
解析： 经典力学和其他任何理论一样，有其自身的局限性和适
用范围，对于低速宏观物体的运动，经典力学仍然适用，并仍将在
它适用范围内大放异彩，所以D正确。
2. （多选）在地面附近有一高速飞过的火箭，关于地面上的人和火箭
中的人观察到的现象正确的是（ ）
A. 地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变快了
B. 地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变慢了
C. 火箭上的人观察到火箭的长度和时间进程均无变化
D. 火箭上的人看地面上的物体长度变短，时间进程变慢了
解析： 由l＝l0和τ＝，可知l＜l0，τ＞τ0。一
个相对地面做高速运动的惯性系中发生的物理过程，在地面上的人
看来，火箭的长度变短了，它所经历的时间比在这个惯性系中直接
观察到的时间变长了，惯性系速度越大，观察到的火箭的长度越
短，所经历的过程时间越长。火箭上的人观察到火箭的长度和时间
进程均无变化。同样，火箭上的人看地面上的物体长度也是变短，
时间进程变慢了。选项A错误，B、C、D正确。
3. A、B两火箭沿同一方向高速飞过地面上的某处，vA＝2vB，在火箭
A上的人观察到的结果是（ ）
A. 火箭A上的时钟走得最快
B. 地面上的时钟走得最快
C. 火箭B上的时钟走得最快
D. 火箭B上的时钟走得最慢
解析： 在火箭A上的人看来，地面和火箭B都高速远离自己，
由τ＝知，在火箭A上的人观察到的结果是地面和火箭B上的
时钟都变慢了，且地面上的时钟最慢，因此选项A正确，B、C、D
错误。
4. 星际航行是行星际航行和恒星际航行的统称，行星际航行是指太阳
系内的航行，恒星际航行是指太阳系外的恒星际空间的飞行。不载
人行星际航行已经实现，而恒星际航行尚处于探索阶段。
探究：半人马星座α星是离太阳系最近的恒星，
它距地球为4.3×1016 m，设有一宇宙飞船自地
球往返于半人马星座α星之间，若宇宙飞船的速
度为0.999c，按地球上的时钟计算，飞船往返一次
需多长时间？如以飞船上的时钟计算，往返一次的时间又为多长？
答案：9年 0.4年
解析：以地球上的时钟计算，
Δt＝＝ s≈2.87×108 s≈9年。
若以飞船上的时钟计算，设时间为Δt'，由时间延缓效应有Δt＝
，解得
Δt'＝Δt ＝2.87×108× s≈1.28×107
s≈0.4年。
04
课时训练·提素能
分层达标 素养提升
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1. 经典力学只适用于低速运动，不适用于高速运动，这里的“高速”
是指（ ）
A. 声音在空气中的传播速度
B. 第一宇宙速度
C. 高铁列车允许行驶的最大速度
D. 接近真空中光的传播速度
解析： 这里的“高速”是指接近真空中光的传播速度，故A、
B、C错误，D正确。
2. 如图所示，按照狭义相对论的观点，火箭A是迎着光飞行的，火箭
B是“追赶”着光飞行的，若火箭相对地面的速度为v，则两火箭
上的观察者测出的光速分别为（ ）
A. c＋v，c－v B. c－v，c＋v
C. c，c D. 无法确定
解析： 根据光速不变原理，在一切惯性参考系中，测量到的真
空中的光速c都一样，因此在火箭A、B两个惯性参考系中，观察者
测量到的光速一样大，均为c，故选项C正确。
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3. （多选）关于牛顿力学的伟大成就，下列论述正确的是（ ）
A. 牛顿力学第一次实现了对自然界认识的理论大综合
B. 牛顿力学第一次预言了宇宙中黑洞的存在
C. 牛顿力学第一次向人们展示了时间的相对性
D. 人们借助于牛顿力学中的研究方法，建立了完整的经典物理学体
系
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解析： 牛顿力学把天上物体和地面上物体的运动统一了起
来，第一次实现了人类对自然界认识的理论大综合。在研究方法
上，人们把牛顿力学中行之有效的实验与数学相结合的方法推广到
物理学的各个分支上，相继建立了热学、声学、光学、电磁学等，
形成了完整的经典物理学体系。综上所述，应选A、D。
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4. 若一列火车以接近光速的速度在高速行驶，火车上的人用望远镜来
观察路旁地面上的一只排球，如果观察得很清晰，则观察结果是
（ ）
A. 像一只乒乓球（球体变小）
B. 像一只篮球（球体变大）
C. 像一只橄榄球（竖直放置）
D. 像一只橄榄球（水平放置）
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解析： 根据长度收缩效应可知，排球在水平方向的长度变短，
在竖直方向高度不变，因此观察的结果是像一只竖直放置的橄榄
球，故选C。
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5. 某星际飞船正在遥远的外太空飞行，假如它的速度可以达到0.7c，
在地球上观测到其经过8.76×104 h的时间到达某星球，则在飞船
上的人看来，其到达此星球需要的时间是（ ）
A. 8.76×104 h B. 6.26×104 h
C. 12.27×104 h D. 16.52×104 h
解析： 由τ＝得τ0＝τ ＝8.76×104×
h≈6.26×104 h，故B正确。
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6. （多选）来自中国的量子科学实验卫星“墨子号”从太空发出两道
红色的光，射向青海德令哈站与千公里外的云南丽江高美古站，首
次实现人类历史上第一次距离达“千公里级”的量子密钥分发。下
列说法正确的是（ ）
A. 牛顿力学适用于描述“墨子号”绕地球运动的规律
B. 牛顿力学适用于描述光子的运动规律
C. 量子力学可以描述“墨子号”发出的“两道红色的光”的运动规
律
D. 量子力学的发现说明牛顿力学已失去了实用价值
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解析： 牛顿力学可以用来描述物体的宏观低速运动，牛顿力
学适用于描述“墨子号”绕地球运动的规律，故A正确；对于运动
速度接近光速的物体的运动，不适合用牛顿力学来描述，故B错
误；量子力学可以描述“墨子号”发出的“两道红色的光”的运动
规律，因为红光运动速度为光速，所以需考虑相对论效应，使用量
子力学描述，故C正确；量子力学和牛顿力学适用范围不同，量子
力学适用于高速运动，在宏观低速运动中，牛顿力学仍然适用，不
能说牛顿力学已经失去了实用价值，故D错误。
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7. （多选）甲乘客乘坐在接近光速运动的火车上，乙观察者站在铁轨
附近的地面上，甲、乙两人手中各持一把沿火车前进方向放置的相
同的米尺。则下列说法正确的是（ ）
A. 甲看到乙手中尺子长度比甲看到自己手中的尺子长度要大
B. 甲看到乙手中尺子长度比甲看到自己手中的尺子长度要小
C. 乙看到甲手中尺子长度比乙看到自己手中的尺子长度要大
D. 乙看到甲手中尺子长度比乙看到自己手中的尺子长度要小
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解析： 在尺子长度方向上运动的尺子比静止时短。乙手中的
尺子相对于甲接近光速运动，所以甲看到乙手中的尺子的长度比甲
看到自己手中的尺子长度小，故A错误，B正确；甲手中的尺子相
对于乙接近光速运动，所以乙看到甲手中的尺子的长度比乙看到自
己手中的尺子的长度小，故C错误，D正确。
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8. 一枚静止时长度为30 m的火箭以1.5×108 m/s的速度从观察者的身
边掠过，已知光速为3×108 m/s，观察者测得火箭的长度约为
（ ）
A. 30 m B. 15 m
C. 34 m D. 26 m
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解析： 根据长度收缩效应有l＝l0 ，解得观察者测得
火箭的长度为l＝30× m≈26 m，故A、B、C错
误，D正确。
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9. （多选）用相对论的观点判断下列说法正确的是（ ）
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
一个物体的长度都不会改变
B. 在地面上的人看来，以10 km/s的速度运动的飞船中的时钟会变
快，但飞船中的宇航员却认为时钟是准确的
C. 在地面上的人看来，以10 km/s的速度垂直地面向上运动的飞船在
运动方向上会变短，而飞船中的宇航员却感觉地面上的人看起来
比飞船中的人扁一些
D. 当物体运动的速度v远小于c时，长度收缩效应和时间延缓效应都
可以忽略不计
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解析： 根据相对论可知，时间和空间都是相对的，没有绝对
准确的时间和空间，A错误；由τ＝知，在地面上看运动的时
钟会变慢，B错误；由l'＝l可知两处的人都感觉l'＜l，C正
确；由时间延缓效应公式和长度收缩效应公式可知，当v远小于c
时，时间延缓效应和长度收缩效应都可以忽略不计，D正确。
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10. （多选）以下说法正确的是（ ）
A. 相对论与量子力学并没有否定经典力学理论
B. 在经典力学中，物体的质量随运动状态而改变
C. 经典时空观认为空间和时间是独立于物体及其运动而存在
D. 当物体的运动速度远小于光速时，相对论和经典力学的结论仍有
很大的区别
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解析： 相对论和量子力学的出现，并没有否定经典力学，经
典力学是相对论和量子力学在低速、宏观条件下的特殊情形，故
A正确；在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变，当物
体做高速运动时，根据相对论，质量随速度的增加而增大，故B
错误；经典时空观认为时间和空间是独立于物体及其运动而存在
的，而相对论时空观认为时间和空间与物体及其运动有关系，故
C正确；当物体的运动速度远小于光速时，相对论和经典力学的
结论相差不大，故D错误。
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11. （多选）你站在一条长木杆的中央附近如图所示，并且看到木杆
落在地上时是两头同时着地。所以，你认为这木杆是平着落到了
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，她
看到B端比A端先落到地，因而她认为木杆是向右倾斜着落的。她
的看法是（ ）
A. 对的
B. 错的
C. 她应感觉到木杆在朝她运动
D. 她应感觉到木杆在远离她运动
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解析： 当飞飞同学掠过木杆时，在她看来，木杆不仅在下
落，而且还在朝她运动，正好像星体朝你的飞船运动一样。因
此，在你看来同时发生的两件事，在飞飞同学看来首先在B端发
生。故A、C正确。
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12. 一艘太空飞船静止时的长度为30 m，它以0.6c（c为光速）的速度
沿长度方向飞行越过地球，下列说法正确的是（ ）
A. 飞船上的观测者测得该飞船的长度小于30 m
B. 地球上的观测者测得该飞船的长度小于30 m
C. 飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度小于c
D. 地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度小于c
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解析： 根据长度收缩效应可知，沿相对运动方向的长度缩
短，所以地球上的观测者测得该飞船的长度小于30 m，飞船上的
人测量飞船的长度等于30 m，A错误，B正确；根据光速不变原
理，飞船上和地球上测量的光的速度都等于c，故C、D错误。
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13. 在静止坐标系中的正立方体每边长L0，另一坐标系以相对速度v平
行于立方体的一边运动。问在后一坐标系中的观察者测得的立方
体体积是多少？
答案：
解析：由题意知立方体相对于坐标系以速度v运动，一条边与运动
方向平行，则坐标系中观察者测得该条边的长度为L＝
L0，测得立方体的体积为V＝·L＝。
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13第5章 科学进步无止境
第1、2、3节 初识相对论 相对论中的神奇时空 探索宇宙的奥秘
核心素养目标 物理观念 1.知道狭义相对论的两个基本原理的内容。 2.知道狭义相对论关于时空相对性的主要结论。 3.初步了解时间延缓效应和长度收缩效应的主要内容及推理的思维过程。
科学思维 了解人类对宇宙的起源和演化的研究进程，了解什么是科学探究和科学思维。
科学探究 了解人类对宇宙永不停息的探索历程，体会科学家进行科学探究的态度和责任。
知识点一 初识相对论
1.迈克尔孙—莫雷实验
（1）经典物理学家曾认为，“以太”是光波的 ，这种介质绝对静止、密度极小、硬度极大、完全透明，充满宇宙空间，渗透于一切物体。
（2）迈克尔孙—莫雷实验证明，不论地球运动的方向同光的射向一致还是相反， 测出的光速都 ，在地球同设想的“以太”之间没有 ，找不到“以太”。
2.狭义相对论的两个基本假设
（1）相对性原理：所有 在一切惯性参考系中都具有相同的形式。
（2）光速不变原理：在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速c都 （c＝3×108 m/s）。
知识点二 相对论中的神奇时空
1.时间延缓效应
（1）经典的时空观：时间是绝对时间，就像一条长河，源源不断地从过去到现在直至将来，与运动无关。
（2）相对论的时空观：当时钟相对于观测者静止时，时钟走得快些；当时钟相对于观测者高速运动时，观测者则认为时钟变慢了。
（3）相对时间间隔公式：设τ0表示静止的惯性系中观测的时间间隔，τ表示以v高速运动的参考系中观察同样两事件的时间间隔，则它们的关系是：τ＝ 。显然，τ＞τ0。这种时间观测效应被称为 。我们把这一结论形象地表述为运动的“ ”。
2.长度收缩效应
（1）经典的时空观：空间是绝对空间，与运动 。
（2）相对论的时空观：空间与运动密切 。
（3）相对长度公式：设相对于刻度尺静止的观察者认为刻度尺的长度为l0，沿它长度方向与刻度尺有相对运动的人认为刻度尺的长度为l，刻度尺相对于观察者的速度为v，则l、l0、v的关系是：l＝ 。由上述关系，可知l＜l0。这种长度观测效应被称为 。
3.质能关系
（1）经典力学：在经典力学中， 和 是两个独立的概念。
（2）质能关系式：E＝ ，其中m是物体的质量，E是它具有的能量。
4.奇妙的时空弯曲
爱因斯坦的广义相对论认为，由于物质的存在，空间和时间会发生弯曲。天体之间的引力作用是时空弯曲的结果。
知识点三 探索宇宙的奥秘
1.宇宙的起源
“大爆炸”宇宙模型认为，宇宙起源于一个“奇点”，在该奇点，温度 ，物质密度 ，即发生宇宙大爆炸之后，宇宙不断膨胀，温度不断降低。
2.宇宙的演化
通过观测和理论分析，科学家推测宇宙的大部分都是由 和 组成的，但人类对暗物质和暗能量的本质至今仍不了解，现有的天文观测资料不能确定宇宙的未来将走向何处，这有待于人类的进一步探索。
3.永不停息的探索
（1）2016年，我国落成启用了世界上最大单口径、最灵敏、具有我国自主知识产权的射电望远镜——“中国天眼”。
（2）为了摆脱大气层对天文观测的影响，人类还先后发射了许多人造卫星及宇宙飞行器用于天文观测。
（3） 开启了探索宇宙的新窗口，它可让我们倾听宇宙，了解宇宙。
【情景思辨】
地球绕太阳公转的速度是3×104 m/s。设在美国伊利诺斯州费米实验室的圆形粒子加速器可以把电子加速到0.999 999 999 987倍光速的速度，光速c＝3×108 m/s。
（1）地球的公转速度在狭义相对论中属于低速。（√）
（2）被加速器加速后的电子的速度属于高速。（√）
（3）狭义相对论只适用于高速运动（速度接近真空中的光速的运动）不适用于低速运动。（×）
要点一 经典力学体系与狭义相对论
【探究】
（1）如图所示，小球相对于参考系O以速度v0向右抛出，人相对于参考系O'静止，当参考系O'相对于参考系O静止、以速度v向右运动和以速度v向左运动时，人观察到小球的速度分别为多大？
（2）如图所示，假设在真空环境中，光源相对于参考系O静止，人相对于参考系O'静止，当参考系O'相对于参考系O静止、以速度v向右运动和以速度v向左运动时，人观察到的光源发出光的传播速度分别为多大？
【归纳】
1.经典力学体系
（1）惯性系与非惯性系
①凡是牛顿运动定律成立的参考系，称为惯性系，相对于一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系。惯性系就是没有加速度的参考系，如地面。
②牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性参考系，如加速中的汽车，这个汽车作为参考系就是非惯性参考系。
（2）伽利略的相对性原理
表述1：对于所有的惯性系，力学规律都是相同的。
表述2：在一个惯性系内进行的任何力学实验都不能判断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动。
表述3：一切惯性参考系都是等效的。
（3）牛顿运动定律的适用范围
①宏观：能用通常方法测量与观察的物体。
②低速：远小于光速的速度。
③弱引力：物体的半径远小于引力半径时物体之间存在的作用力。
2.狭义相对论的两个基本原理
（1）相对性原理：所有物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式。
相对性原理表明：在某个惯性系中描述某个物理系统的某个物理过程的物理定律，在其他一切惯性系中对该系统该过程做出描述的物理定律皆保持形式不变。
（2）光速不变原理：在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速c都一样（c＝3×108 m/s）。
光速不变原理表明：在一切惯性系中观测真空中传播的光，其传播速度均为c，与光源或观察者的运动无关。这一结论实际上已被大量的实验证实。
【典例1】 （多选）一列很长的火车沿平直轨道飞快地匀速前进，车厢中央有一个光源发出了一个闪光，闪光照到了车厢的前壁和后壁。下列说法正确的是（ ）
A.车厢里的观察者认为闪光是同时到达两壁的
B.静止在地面上的观察者认为闪光是同时到达两壁的
C.静止在地面上的观察者认为闪光先到达后壁
D.静止在地面上的观察者认为闪光先到达前壁
尝试解答
1.在高速世界里，时间和空间都是相对的，都会随惯性参考系的选择不同而不同。爱因斯坦根据基于相对性原理和光速不变原理，建立了狭义相对论，下面正确的是（ ）
A.相对性原理是指，物理规律在一切参考系中都具有相同的形式
B.光速不变原理是指，在一切参考系中，测量到的真空中的光速c都一样
C.光速不变原理是指，在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速c都一样
D.上面所述均不正确
2.经典力学的基础是牛顿运动定律，但它也有自己的局限性，以下说法正确的是（ ）
A.经典力学适用于研究接近光速运行的物体的规律
B.经典力学一般不适用于微观粒子
C.经典力学和相对论是完全对立的
D.研究在高速公路上行驶的汽车的运动规律不适用牛顿运动定律
要点二 相对论时空观的理解与应用
1.两个原理
（1）相对性原理。
（2）光速不变原理。
2.两个效应
（1）时间延缓效应：爱因斯坦曾预言，两个校准好的时钟，当一个沿闭合路线运动返回原地时，它记录的时间比原地不动的钟会慢一些。这已被高精度的铯原子钟超音速环球飞行实验证实。在相对论时空观中，运动时钟时间τ与静止时钟时间τ0的关系：τ＝，显然τ＞τ0，即运动的钟比静止的钟走得慢。这种效应被称为时间延缓。
（2）长度收缩效应：按照狭义相对论时空观，空间也与运动密切相关，与观测者和该物体的相对运动有关。观测长度l与静止长度l0之间的关系：l＝l0，由关系式可知l＜l0。这种长度观测效应被称为长度收缩。
3.两种关系
（1）质能关系
①按照相对论及基本力学定律可推出质量和能量有如下关系：E＝mc2，这就是著名的质能方程。
②质量和能量是物质不可分离的属性，当物质的质量减少或增加时，必然伴随着能量的减少或增加，其关系为ΔE＝Δmc2。
（2）质速关系
①在经典力学中，物体的质量与物体的运动无关，但在相对论中，运动物体的质量随其运动速度的变化而变化。
②关系式：m＝
其中m为物体的运动质量，m0为静止质量，v为物体相对惯性系的运动速度。
【典例2】 （多选）爱因斯坦的相对论时空观告知我们：我们在静止地面看到某物体长度l0和运动所间隔的时间t，比较相对地面很大速度v的参考系中对应的该物体的长度和间隔的时间来说（ ）
A.在静止地面看物体长度偏大 B.在静止地面看物体长度偏小
C.在地面看物体运动所间隔的时间t偏大 D.在地面看物体运动所间隔的时间t偏小
尝试解答
1.（多选）如图所示，甲、乙两人分别乘坐速度为0.6c和0.8c（c为真空中光速）的飞船反向运动。则下列说法正确的是（ ）
A.甲、乙两人相对速度为1.4c
B.甲观察到乙的身高不变
C.甲观察到乙所乘的飞船变短
D.甲观察到乙所带的钟表显示时间变快
2.（多选）下列关于E＝mc2的说法正确的是（ ）
A.质量为m的物体，就储存有mc2的能量
B.质量为m的物体，对应着mc2的能量
C.如果物体质量减少Δm，就将该质量转化为mc2的能量
D.如果物体质量减少Δm，就将释放Δmc2的能量
要点回眸
1.对于经典力学理论，下列说法正确的是（ ）
A.由于相对论、量子理论的提出，经典力学已经过时了
B.经典力学在今天广泛应用，它的正确性无可怀疑，仍是普遍适用的
C.经典力学在历史上起了巨大的作用，随着物理学的发展而逐渐过时，成为一种古老的理论
D.经典力学在宏观低速运动中，引力不太大时适用
2.（多选）在地面附近有一高速飞过的火箭，关于地面上的人和火箭中的人观察到的现象正确的是（ ）
A.地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变快了
B.地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变慢了
C.火箭上的人观察到火箭的长度和时间进程均无变化
D.火箭上的人看地面上的物体长度变短，时间进程变慢了
3.A、B两火箭沿同一方向高速飞过地面上的某处，vA＝2vB，在火箭A上的人观察到的结果是（ ）
A.火箭A上的时钟走得最快 B.地面上的时钟走得最快
C.火箭B上的时钟走得最快 D.火箭B上的时钟走得最慢
4.星际航行是行星际航行和恒星际航行的统称，行星际航行是指太阳系内的航行，恒星际航行是指太阳系外的恒星际空间的飞行。不载人行星际航行已经实现，而恒星际航行尚处于探索阶段。
探究：半人马星座α星是离太阳系最近的恒星，它距地球为4.3×1016 m，设有一宇宙飞船自地球往返于半人马星座α星之间，若宇宙飞船的速度为0.999c，按地球上的时钟计算，飞船往返一次需多长时间？如以飞船上的时钟计算，往返一次的时间又为多长？
第1、2、3节 初识相对论 相对论中的神奇时空 探索宇宙的奥秘
【基础知识·准落实】
知识点一
1.（1）传播介质 （2）相同 相对运动 2.（1）物理规律
（2）一样
知识点二
1.（3） 时间延缓 时钟变慢 2.（1）无关 （2）相关 （3）l0 长度收缩 3.（1）质量 能量 （2）mc2
知识点三
1.无限高 无限大 2.暗物质 暗能量 3.（3）引力波
情景思辨
（1）√ （2）√ （3）×
【核心要点·快突破】
要点一
知识精研
【探究】 提示：（1）分别为v0、v0－v、v0＋v （2）人观察到的光速都是真空中的光速c（c＝3×108 m/s）。
【典例1】 AC 车厢匀速前进，因此车厢是惯性参考系，闪光向前和向后传播的速度相等，而光源在车厢中央，因此闪光同时到达前壁和后壁，A正确；静止在地面上的观察者以地面为参考系（惯性参考系），闪光向前和向后传播的速度相等，但闪光飞向两壁的过程中， 车厢向前行进了一段距离，因此闪光向前传播的路程长些，故闪光先到达后壁，后到达前壁，C正确，B、D错误。
素养训练
1.C 根据相对性原理，在所有惯性系中，而不是参考系中，物理定律有相同的形式，即一切物理规律都是相同的，故A错误；光速不变原理，是指在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速c都一样，故C正确，B、D错误。
2.B 经典力学适用于研究宏观低速物体的运动，而不适用研究接近光速运行的物体的规律，选项A错误；经典力学适用于研究宏观低速物体的运动，一般不适用于微观粒子，选项B正确；相对论是在经典力学的基础上发展起来的，不是对经典力学的全面否定，选项C错误；研究在高速公路上行驶的汽车的运动规律适用牛顿运动定律，选项D错误。
要点二
知识精研
【典例2】 AC 在运动系中看到某物体长度l＝l0，在静止地面看到的物体运动所间隔的时间τ＝，由关系式可看出在静止地面看到的物体长度偏大，在地面上看物体运动所间隔的时间t偏大。
素养训练
1.BC 如果把两个人中的一个看成静止，那么另一个相对有一个运动速度，但不能用经典力学中的速度合成公式，而应用相对论速度合成公式，合成的速度接近光速，也就是说，如果把甲看成静止，那么乙相对甲以某个接近光速的速度飞行，故A错误；身高是竖直方向，他们的运动方向为水平，所以身高不变，两者看到对方的身高不变，故B正确；根据相对论的长度收缩效应，甲观察到乙所乘的飞船变短，故C正确；根据相对论的时钟变慢效应，可以推测两人在接近光速运动时，相对地球来说时间都变慢了，但乙相对于甲的速度更大，因此可以推测，乙的钟要更慢一点，故D错误。
2.BD 由质能关系式可知，能量与质量之间存在着一定的对应关系，E＝mc2说明质量为m的物体，对应着mc2的能量，不能说储存有mc2的能量，A错误，B正确；如果物体质量减少Δm，该减少的质量将转化为Δmc2的能量，释放Δmc2的能量，C错误，D正确。
【教学效果·勤检测】
1.D 经典力学和其他任何理论一样，有其自身的局限性和适用范围，对于低速宏观物体的运动，经典力学仍然适用，并仍将在它适用范围内大放异彩，所以D正确。
2.BCD 由l＝l0和τ＝，可知l＜l0，τ＞τ0。一个相对地面做高速运动的惯性系中发生的物理过程，在地面上的人看来，火箭的长度变短了，它所经历的时间比在这个惯性系中直接观察到的时间变长了，惯性系速度越大，观察到的火箭的长度越短，所经历的过程时间越长。火箭上的人观察到火箭的长度和时间进程均无变化。同样，火箭上的人看地面上的物体长度也是变短，时间进程变慢了。选项A错误，B、C、D正确。
3.A 在火箭A上的人看来，地面和火箭B都高速远离自己，由τ＝知，在火箭A上的人观察到的结果是地面和火箭B上的时钟都变慢了，且地面上的时钟最慢，因此选项A正确，B、C、D错误。
4.9年 0.4年
解析：以地球上的时钟计算，
Δt＝＝ s≈2.87×108 s≈9年。
若以飞船上的时钟计算，设时间为Δt'，由时间延缓效应有Δt＝，解得Δt'＝Δt ＝2.87×108× s≈1.28×107 s≈0.4年。
5 / 6第5章 科学进步无止境
第1、2、3节 初识相对论 相对论中的神奇时空 探索宇宙的奥秘
1.经典力学只适用于低速运动，不适用于高速运动，这里的“高速”是指（ ）
A.声音在空气中的传播速度
B.第一宇宙速度
C.高铁列车允许行驶的最大速度
D.接近真空中光的传播速度
2.如图所示，按照狭义相对论的观点，火箭A是迎着光飞行的，火箭B是“追赶”着光飞行的，若火箭相对地面的速度为v，则两火箭上的观察者测出的光速分别为（ ）
A.c＋v，c－v B.c－v，c＋v
C.c，c D.无法确定
3.（多选）关于牛顿力学的伟大成就，下列论述正确的是（ ）
A.牛顿力学第一次实现了对自然界认识的理论大综合
B.牛顿力学第一次预言了宇宙中黑洞的存在
C.牛顿力学第一次向人们展示了时间的相对性
D.人们借助于牛顿力学中的研究方法，建立了完整的经典物理学体系
4.若一列火车以接近光速的速度在高速行驶，火车上的人用望远镜来观察路旁地面上的一只排球，如果观察得很清晰，则观察结果是（ ）
A.像一只乒乓球（球体变小）
B.像一只篮球（球体变大）
C.像一只橄榄球（竖直放置）
D.像一只橄榄球（水平放置）
5.某星际飞船正在遥远的外太空飞行，假如它的速度可以达到0.7c，在地球上观测到其经过8.76×104 h的时间到达某星球，则在飞船上的人看来，其到达此星球需要的时间是（ ）
A.8.76×104 h B.6.26×104 h
C.12.27×104 h D.16.52×104 h
6.（多选）来自中国的量子科学实验卫星“墨子号”从太空发出两道红色的光，射向青海德令哈站与千公里外的云南丽江高美古站，首次实现人类历史上第一次距离达“千公里级”的量子密钥分发。下列说法正确的是（ ）
A.牛顿力学适用于描述“墨子号”绕地球运动的规律
B.牛顿力学适用于描述光子的运动规律
C.量子力学可以描述“墨子号”发出的“两道红色的光”的运动规律
D.量子力学的发现说明牛顿力学已失去了实用价值
7.（多选）甲乘客乘坐在接近光速运动的火车上，乙观察者站在铁轨附近的地面上，甲、乙两人手中各持一把沿火车前进方向放置的相同的米尺。则下列说法正确的是（ ）
A.甲看到乙手中尺子长度比甲看到自己手中的尺子长度要大
B.甲看到乙手中尺子长度比甲看到自己手中的尺子长度要小
C.乙看到甲手中尺子长度比乙看到自己手中的尺子长度要大
D.乙看到甲手中尺子长度比乙看到自己手中的尺子长度要小
8.一枚静止时长度为30 m的火箭以1.5×108 m/s 的速度从观察者的身边掠过，已知光速为3×108 m/s，观察者测得火箭的长度约为（ ）
A.30 m B.15 m
C.34 m D.26 m
9.（多选）用相对论的观点判断下列说法正确的是（ ）
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都不会改变
B.在地面上的人看来，以10 km/s的速度运动的飞船中的时钟会变快，但飞船中的宇航员却认为时钟是准确的
C.在地面上的人看来，以10 km/s的速度垂直地面向上运动的飞船在运动方向上会变短，而飞船中的宇航员却感觉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远小于c时，长度收缩效应和时间延缓效应都可以忽略不计
10.（多选）以下说法正确的是（ ）
A.相对论与量子力学并没有否定经典力学理论
B.在经典力学中，物体的质量随运动状态而改变
C.经典时空观认为空间和时间是独立于物体及其运动而存在
D.当物体的运动速度远小于光速时，相对论和经典力学的结论仍有很大的区别
11.（多选）你站在一条长木杆的中央附近如图所示，并且看到木杆落在地上时是两头同时着地。所以，你认为这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，她看到B端比A端先落到地，因而她认为木杆是向右倾斜着落的。她的看法是（ ）
A.对的
B.错的
C.她应感觉到木杆在朝她运动
D.她应感觉到木杆在远离她运动
12.一艘太空飞船静止时的长度为30 m，它以0.6c（c为光速）的速度沿长度方向飞行越过地球，下列说法正确的是（ ）
A.飞船上的观测者测得该飞船的长度小于30 m
B.地球上的观测者测得该飞船的长度小于30 m
C.飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度小于c
D.地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度小于c
13.在静止坐标系中的正立方体每边长L0，另一坐标系以相对速度v平行于立方体的一边运动。问在后一坐标系中的观察者测得的立方体体积是多少？
第5章 科学进步无止境
第1、2、3节 初识相对论 相对论中的神奇时空 探索宇宙的奥秘
1.D 这里的“高速”是指接近真空中光的传播速度，故A、B、C错误，D正确。
2.C 根据光速不变原理，在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速c都一样，因此在火箭A、B两个惯性参考系中，观察者测量到的光速一样大，均为c，故选项C正确。
3.AD 牛顿力学把天上物体和地面上物体的运动统一了起来，第一次实现了人类对自然界认识的理论大综合。在研究方法上，人们把牛顿力学中行之有效的实验与数学相结合的方法推广到物理学的各个分支上，相继建立了热学、声学、光学、电磁学等，形成了完整的经典物理学体系。综上所述，应选A、D。
4.C 根据长度收缩效应可知，排球在水平方向的长度变短，在竖直方向高度不变，因此观察的结果是像一只竖直放置的橄榄球，故选C。
5.B 由τ＝得τ0＝τ ＝8.76×104× h≈6.26×104 h，故B正确。
6.AC 牛顿力学可以用来描述物体的宏观低速运动，牛顿力学适用于描述“墨子号”绕地球运动的规律，故A正确；对于运动速度接近光速的物体的运动，不适合用牛顿力学来描述，故B错误；量子力学可以描述“墨子号”发出的“两道红色的光”的运动规律，因为红光运动速度为光速，所以需考虑相对论效应，使用量子力学描述，故C正确；量子力学和牛顿力学适用范围不同，量子力学适用于高速运动，在宏观低速运动中，牛顿力学仍然适用，不能说牛顿力学已经失去了实用价值，故D错误。
7.BD 在尺子长度方向上运动的尺子比静止时短。乙手中的尺子相对于甲接近光速运动，所以甲看到乙手中的尺子的长度比甲看到自己手中的尺子长度小，故A错误，B正确；甲手中的尺子相对于乙接近光速运动，所以乙看到甲手中的尺子的长度比乙看到自己手中的尺子的长度小，故C错误，D正确。
8.D 根据长度收缩效应有l＝l0 ，解得观察者测得火箭的长度为l＝30× m≈26 m，故A、B、C错误，D正确。
9.CD 根据相对论可知，时间和空间都是相对的，没有绝对准确的时间和空间，A错误；由τ＝知，在地面上看运动的时钟会变慢，B错误；由l'＝l可知两处的人都感觉l'＜l，C正确；由时间延缓效应公式和长度收缩效应公式可知，当v远小于c时，时间延缓效应和长度收缩效应都可以忽略不计，D正确。
10.AC 相对论和量子力学的出现，并没有否定经典力学，经典力学是相对论和量子力学在低速、宏观条件下的特殊情形，故A正确；在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变，当物体做高速运动时，根据相对论，质量随速度的增加而增大，故B错误；经典时空观认为时间和空间是独立于物体及其运动而存在的，而相对论时空观认为时间和空间与物体及其运动有关系，故C正确；当物体的运动速度远小于光速时，相对论和经典力学的结论相差不大，故D错误。
11.AC 当飞飞同学掠过木杆时，在她看来，木杆不仅在下落，而且还在朝她运动，正好像星体朝你的飞船运动一样。因此，在你看来同时发生的两件事，在飞飞同学看来首先在B端发生。故A、C正确。
12.B 根据长度收缩效应可知，沿相对运动方向的长度缩短，所以地球上的观测者测得该飞船的长度小于30 m，飞船上的人测量飞船的长度等于30 m，A错误，B正确；根据光速不变原理，飞船上和地球上测量的光的速度都等于c，故C、D错误。
13.
解析：由题意知立方体相对于坐标系以速度v运动，一条边与运动方向平行，则坐标系中观察者测得该条边的长度为L＝L0
测得立方体的体积为
V＝·L＝。
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