教科版（2019）高中物理必修第二册5.2相对论时空观简介-课件 教科版（2019）

相对论时空观简介
学习目标
1．了解相对论的诞生及发展历程。
2．理解狭义相对论中时间和空间的相对性。
3．了解广义相对性原理和等效原理。
4．初步认识狭义相对论和广义相对论的内容和基本原理。
情境导入
人类史上首张黑洞照片发布
2019年4月10日，事件视界望远镜（EHT）国际合作组织在全球六地同步召开新闻发布会，宣布他们已经捕获了首张黑洞照片。
新知学习
1．麦克斯韦电磁场理论
真空中的光速是一个常量，在不同惯性参考系中应当有相同的值，这与经典力学相矛盾。
2．狭义相对论的两个基本假设
(1)狭义相对论的相对性原理：
对不同的惯性系，物理规律（包括力学的和电磁学的）都是一样的。
(2)光速不变原理：
光在真空中运动的速度在任何惯性系中测得的数值都是相同的。
在这两个基本假设的基础上，爱因斯坦于1905年创立了狭义相对论。
一、相对论的诞生
二、狭义相对论
（一）同时的相对性
同时是相对的，是指相隔一定距离发生的两件事，在一个参考系中观测是同时发生的，在相对于此参考系运动的另一个参考系中观测就可能不是同时，而是一先一后发生的。
思考：同时为什么是相对的？
讨论交流
假设一列火车在平直的轨道上以很高的速度u匀速驶过站台，在车厢的正中放有一个闪光灯。现在使该灯发出一次闪光向周围传播。闪光照到车厢的前壁和后壁，是两个事件。小丽和她的静止在火车参考系中的小伙伴们在车上观测，小明和他的静止在站台参考系中的小伙伴们在站台上观测，他们认为这两个事件是同时发生的吗？即闪光是同时到达前后壁的吗？
在车厢内观测，由于车厢是惯性系，光的速率向前和向后一样，而且经过的距离相同，所以闪光是同时到达前后壁的（如图）。
在站台上观测，由于底面是惯性系，所以闪光时先到达后壁而后到达前壁，不是同时发生的（如图）。
（二）运动时钟变慢（时间间隔的相对性）
在相对地面以高速v匀速运动的火车内的观察者，测得两个事件先后发生的时间间隔为Δτ，则在地面上的观察者测得的时间间隔为Δt。则Δτ和Δt之间的关系为：
Δt＝Δτ?????????????????
同样的两件事，在它们发生于同一地点的参考系内所经历的时间最短；在其他参考系内观测，这段时间要长些。这一现象称为时间的相对性，也称为“动钟变慢”。
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（三）长度的相对性
如果与杆相对静止的人认为杆长是l0，沿杆方向以高速v相对运动的人认为杆长是l，则l0和l之间的关系为l＝l0?????????????????
这就是狭义相对论的长度变换公式。它说明，一根尺子在运动时的长度总要比它静止时的长度小（?????????????????<1），这一现象常通俗地称为“动尺收缩”。
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（四）相对论质量和能量
（五）相对论时空观
狭义相对论的时间变换公式和长度变换公式说明，同一段时间或长度在不同的惯性系内测得的结果是不一样的。这就是说，时间和空间的量度是与物体的运动有关的，是相对的。
运动物体的长度测量建立在必须同时进行观测的基础上，说明时间和空间的量度又是相互紧密联系的。
经典时空观是相对论时空观的特殊表现。在低速范围内，在广泛的技术领域，建立在经典时空观的基础上的牛顿运动定律仍然成立。探索太空的宇宙航行能够实现就是明证。
1.如何认识“同时”的相对性？
答案:“同时”是指两个事件发生的时刻是一样的。“同时”的相对性是说，在一个惯性系中同时发生的两个事件，在另一个惯性系中则可能不是同时发生的，即“同时”是相对的，也就是说，有人看到同时发生的事件，在其他观察者眼里可能不是同时发生的。
2.如何正确理解时间间隔的相对性?
3.怎样理解长度的相对性？
讨论交流
人在舟中，闭牖而坐，舟行而人不觉。
狭义相对论的困难：
困难之一：无法解释惯性系的优先地位。
困难之二：万有引力定律无法纳入相对论的体系。
三、广义相对论点滴
1.爱因斯坦有一个基本思想：自然界遵循的规律是统一的。
2.两个基本假设
(1)广义相对性原理：在任何参考系中，物理规律都是相同的。
(2)等效原理：一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价。
3.广义相对论诞生
（1）引力作用使光波发生频移，从引力势能低处发出的光波在引力势能高处接收到时其频率变低，发生“红移”；相反，从引力势能高处向引力势能低处发射光波，接收到的频率变高，发生“蓝移”。这已被地面上精密的实验证实。
（2）水星绕太阳运动的轨道与根据牛顿万有引力定律计算所得的不一致，这是一个在天文学史上长达百年的困惑。爱因斯坦用新建立的引力场方程取代了经典的万有引力定律，计算结果和实际观测符合得很好解决了天文学上的百年疑难。
（3）当两个天体相互绕转时，会向外界辐射出引力波。引力波的发现证实了广义相对论，并打开一扇前所未有的窥探宇宙的新窗口。
100多年前人们发现并掌握了电磁波，使得社会发生了一次技术革命，由此人类的生活发生了极其巨大的变化。那么，引力波的发现会给我们带来什么呢？
讨论交流
广义相对论指出了时间和空间的量度与物体间的引力有关，因而与它们的质量有关。物体因具有质量而使其周围的时间和空间发生了“弯曲”。虽然这种弯曲是我们人体器官感觉不到的，但可以通过各种方法间接地加以确定，而引力正是这种“时空弯曲”的表现。“弯曲”的程度越高，对应的引力也就越强（图5-2-13）。
在广义相对论中，时空观念比狭义相对论更推进了一步。时间、空间不仅是相对的，组成一个密切联系、不可分割的整体，并且不能脱离整个物质世界而单独存在。
人类对客观世界的认识是不断扩展和深化的，不论多么伟大的人物都只能跑好这场超级马拉松接力中的一棒，经典时空观和相对论时空观就是其中的两棒。
探究讨论
1.说说你对狭义相对论两个基本假设的认识，为什么这两个观点不叫定律而叫假设？
2.一架飞机在上海杨浦大桥上空匀速飞过，飞机飞行方向与大桥平行，问飞机上的乘客看到的大桥长度与静止观察时相比有什么变化？
谢 谢