(共7张PPT)
第5章 新时空观的确立
实验基础
基本假设
狭义相对论|原理落伦变换
同时的相对性
运动时钟延缓
新时空观的确立
运动长度收缩
相对论效应
爱因斯坦质量公式
匮质能关系
基本原人「义相对性原理」
等效原理
时空弯曲
广义相对论「实验证实光线弯曲
团力红移
起源
无穷的字街演化
知识体系·网络构建
宏观把握·理清脉络
》专题归纳,整合提升
归纳整合·深度升华本章优化总结
专题 经典力学与相对论力学的建立
1.经典力学
(1)建立：牛顿运动三定律的建立，为经典力学奠定了基础.人们往往把经典力学称为牛顿力学.
(2)经典力学的绝对时空观：在经典力学中有四条假设：同时是绝对的，空间是绝对的，时间是绝对的，物体的质量是绝对的.长度、时间、质量三个物理量都与物体的运动速度无关，这就是经典力学的绝对时空观.
(3)经典力学的适用范围：当物体运动的速度v远远小于c时，上述的一些关系式可简化为l≈l0、t≈t0、m≈m0，因而对于宏观低速运动的物体，使用经典力学来处理问题是足够精确的.
2.相对论力学
(1)狭义相对论
19世纪末，在研究高速运动的微观粒子发生的一系列现象时，经典力学遇到了无法克服的困难.1905年爱因斯坦提出了狭义相对性原理和光速不变原理，创建了狭义相对论.
狭义相对论指出：长度、时间和质量都随运动速度而变化.它们随速度变化的关系如下：
①l＝l0； ②t＝；
③m＝（质—速关系）. ④E＝mc2（质能方程）.
以上各式中的v是物体的运动速度，c为真空中光速，l0和l分别为相对静止和运动系统中沿速度v的方向上测得的物体长度.t0和t、m0和m，则分别在相对静止和运动系统中测得的时间和物体质量.
(2)广义相对论
①继狭义相对论之后，爱因斯坦在对引力理论经过深入研究的基础上，于1916年又提出一种全新的引力理论——广义相对论.这种理论指出空间、时间不可能离开物质而独立存在，空间结构的性质取决于物体的分布.
②根据广义相对论可以得出结论：没有引力的时空是“平直的时空”，引力存在的时空是“弯曲的时空”.从而使人类对于时间、空间和引力现象的认识大大深化了，“狭义相对论”和“广义相对论”统称相对论.
（多选）下列说法中正确的是（ ）
A.经典的速度合成法则对电磁学规律不适用
B.爱因斯坦的成功之处在于他摒弃了经典物理学的时空观
C.经典力学的核心是牛顿运动三定律
D.经典力学的时空观是相对时空观
[解析] 经典力学核心是牛顿运动三定律.时间和空间是绝对的.经典的速度合成法则对电磁学不再适用.爱因斯坦成功在于他摒弃了经典物理学的时空观.故A、B、C正确，D错误.
[答案] ABC
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3章末过关检测（五）
（时间：60分钟，满分：100分）
一、单项选择题（本题共6小题，每小题6分，共36分.在每小题给出的四个选项中，只有一个选项正确，选对的得6分，选错或不答的得0分）
1.假设未来的高速列车，列车的速度是0.5c，当列车行驶的过程中，打开列车前面的灯，则路边上的人观察到列车的灯光的传播速度是（ ）
A.1.5c B.0.5c
C.1.118c D.c
解析：选D.无论是在哪里进行观察，无论观察者是运动还是静止的，光速相对于任何参考系都是不变的.
2.如图所示，鸡蛋和乒乓球都静止在地面上，关于二者所具有的能量关系，下列说法中正确的是（ ）
A.鸡蛋大 B.乒乓球大
C.一样大 D.无法进行比较
解析：选A.物体所具有的能量和其质量有关，根据质能方程，质量越大，所具有的能量越大，所以鸡蛋具有的能量大于乒乓球具有的能量.
3.下列说法中不正确的是（ ）
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.强引力场作用可使光谱线向紫端偏移
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
解析：选B.根据广义相对论的结论，由于太阳引力场的影响，使得光线发生弯曲，所以我们有可能看到太阳后面的恒星，A正确.强引力场作用使光的波长变长、频率变低，所以光谱线向红端偏移，B不正确.引力场越强的位置，时间进程越慢，所以C正确.物质的引力使得空间变形，发生弯曲，所以D正确.
4.如图，假设一根10 m长的梭镖以光速穿过一根10 m长的管子，它们的长度都是在静止状态下测量的.以下叙述中最好的描述了梭镖穿过管子的情况的是（ ）
A.梭镖收缩变短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它
B.管子收缩变短，因此在某些位置上，梭镖从管子的两端伸出来
C.两者都收缩，且收缩量相等，因此在某个位置，管子恰好遮住梭镖
D.所有这些都与观察者的运动情况有关
解析：选D.如果你是在相对于管子静止的参考系中观察运动着的梭镖，那么梭镖看起来就比管子短，在某些位置梭镖会完全处在管子内部.然而当你和梭镖一起运动时，你看到的管子就缩短了，所以在某些位置，你可以看到梭镖两端都伸出管子.故D对，A、B、C均错.
5.黑洞是质量非常大的天体，由于质量很大，引起了其周围的时空弯曲，从地球上观察，我们看到漆黑一片，那么关于黑洞，你认为不正确的是（ ）
A.内部也是漆黑一片，没有任何光
B.内部光由于引力的作用发生弯曲，不能从黑洞中射出
C.内部应该是很亮的
D.如果有一个小的星体经过黑洞，将会被吸引进去
解析：选A.黑洞之所以黑是因为光不能从其中射出，而不是内部没有光线，由于引力的作用，其光线弯曲程度很大，不能射出了.
6.一米尺静止于S′系中，米尺与O′x′轴夹角为60°.S′系相对于S系沿Ox轴正向的运动速度为0.8c，则在S系中观测得米尺的长度为（ ）
A.60 cm B.58 cm
C.30 cm D.92 cm
解析：选D.此类题型解法始终要知道S′与S系的关系，而在S′系中运动的物体在S系中是怎么运动的，要明白，方可做题.依题
x方向长度：cos 60°＝，在S系中收缩得
lx＝ cos 60°＝0.3 m
y方向长度：sin 60°＝，长度不变，
总长l＝ eq \r(l＋l)＝0.917 m，故D正确.
二、多项选择题（本题共4小题，每小题6分，共24分.在每小题给出的四个选项中，有多个选项正确，全部选对的得6分，选对但不全的得3分，有选错或不答的得0分）
7.下列说法中正确的是（ ）
A.在经典力学中，物体的质量是不随物体运动状态而改变的
B.以牛顿运动定律为基础的经典力学理论具有局限性，它只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界
C.相对论的出现否定了经典力学理论
D.伽利略的“自然数学化”的方法和牛顿的“归纳—演绎法”是经典力学方法的典型
解析：选ABD.在经典力学中物体的质量是恒定不变的，A对；经典力学有严格使用范围，即宏观、低速的物体，B对；相对论是对经典力学的发展，它并没有否认经典力学理论，C错；同样D也是对的.
8.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.
9.甲在接近光速的火车上看乙手中沿火车前进方向放置的尺，同时乙在地面上看甲手中沿火车前进方向放置的尺，则下列说法正确的是（ ）
A.甲看到乙手中的尺长度比乙看到自己手中的尺长度大
B.甲看到乙手中的尺长度比乙看到自己手中的尺长度小
C.乙看到甲手中的尺长度比乙看到自己手中的尺长度大
D.乙看到甲手中的尺长度比乙看到自己手中的尺长度小
解析：选BD.设尺静止时长为l0，则甲看到乙手中的尺：l＝l0 ，可见选项A错误，B正确，乙看甲手中的尺感觉：l′＝l0 ，可见选项C错误，D正确.
10.接近光速飞行的飞船和地球上各有一只相同的铯原子钟，飞船和地球上的人观测这两只钟的快慢，下列说法正确的有（ ）
A.飞船上的人观测到飞船上的钟较快
B.飞船上的人观测到飞船上的钟较慢
C.地球上的人观测到地球上的钟较快
D.地球上的人观测到地球上的钟较慢
解析：选AC.相对论告诉我们，运动的钟会变慢，由于飞船上的人观测飞船上的钟是静止的，观测到地球上的钟是运动的，因此飞船上的人观测到飞船上的钟相对于地球上的钟快，A项正确，B项错误；同样，地球上的人观测到飞船上的钟是运动的，地球上的钟是静止的，因此地球上的人观测到地球上的钟比飞船上的钟快，C项正确，D项错误.
三、非选择题（本题共4小题，共40分.解答时应写出必要的文字说明、方程式和重要的演算步骤，只写出最后答案的不能得分.有数值计算的题，答案中必须明确写出数值和单位）
11.（8分）一观察者测得运动着的米尺为0.5 m长，静止时长度为1 m，求此米尺以多大的速度移动.
解析：以观察者测得的长度为l，米尺的长度为l′，则满足长度相对性公式l＝l′，可得v＝c
代入数据得v＝0.866c＝2.60×108 m/s.
答案：2.60×108 m/s
12.（10分）假如有一对孪生兄弟A和B，其中B乘坐速度为v＝0.9c的火箭飞往大角星（牧夫座a），而后又飞回地球.根据A在地球上的观测，大角星离地球有40万光年远，这次B往返飞行经历时间为80.8年.如果B在离开地球时，他们的年龄都为20岁，试问当B回到地球时，他们的年龄各有多大？
解析：设B在飞船惯性系中经历的时间为t′，根据相对论效应得t＝，即80.8＝，
解得t′＝35.2（年）.
所以B回到地球时的年龄为20＋35.2＝55.2（岁）.
A的年龄为100.8岁.
答案：B回到地球时年龄为55.2岁
A的年龄为100.8岁
13.（10分）电子的静止质量m0＝9.11×10－31 kg.
（1）试用焦和电子伏为单位来表示电子的静质能.
（2）静止电子经过106 V电压加速后，其质量和速率各是多少？
解析：（1）由质能方程得：
E＝mc2＝9.11×10－31×（3×108）2 J＝8.2×10－14 J＝ eV＝0.51 MeV.
（2）由能量关系得：eU＝（m－m0）c2，解得
m＝＋m0＝ kg＋9.11×10－31 kg
＝2.69×10－30 kg＝2.95m0.
结果表明速度已非常大，所以m＝m0/.
解得：v＝c
＝3×108× m·s－1＝0.94c.
答案：（1）8.2×10－14 J 0.51 MeV
（2）2.95m0 0.94c
14.（12分）地球上一观察者，看见一飞船A以速度2.5×108 m/s从他身边飞过，另一飞船B以速度2.0×108 m/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.
解析：（1）A上乘客看地以－2.5×108 m/s的速度向后，
在地面看B以2.0×108 m/s的速度向前，则A上乘客看B的速度为
u＝＝×108 m/s＝－1.125×108 m/s.
（2）B看A则相反为1.125×108 m/s.
答案：（1）－1.125×108 m/s
（2）1.125×108 m/s
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