(共23张PPT)
第5章 科学进步无止境
第1节 初识相对论
必备知识·自主学习
一、经典力学时空观
(1)空间是与_____________无关的而永远相同和不动的(所谓绝对的空间)。
(2)时间自身在流逝着，而且由于其本性而_____地与_________________
无关地流逝着(所谓绝对时间)。
(3)空间和时间是_________、_________的。
(4)伽利略相对性原理
①惯性系：在经典力学中，_________________的参考系，就叫作惯性系。
相对于一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系，是_______。
②伽利略相对性原理：在不同的惯性系中，_____________都是相同的。
即各个惯性系都是等价的。
外界任何事物
均匀
任何其他外界事物
相互独立
互不干扰
牛顿运动定律成立
惯性系
一切力学规律
二、两个基本原理
1.相对性原理：
所有物理规律在一切___________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______________都一样。
由这两条假设所建立的理论叫作狭义相对论。
惯性参考系
真空中的光速c
【易错辨析】
(1)经典力学在任何情况下都适用。
(
)
(2)在惯性参考系中，观测真空中传播的光，其传播速度与光源或观察者的
运动有关。
(
)
(3)随着相对论、量子论的提出，经典力学已经失去了它的应用价值。
(
)
×
×
×
关键能力·合作学习
知识点 认识两个基本原理及其应用
两个基本原理
(1)相对性原理：表明在任何惯性系中研究某个物体的某一运动过程，其运动规律的形式不变。
(2)光速不变原理：表明经典时空观与相对论时空观的不同，比较如下：
比较项目
经典时空观
相对论时空观
运动情况
同一运动对不同参考系描述结果不同，即速度不同
光在一切惯性参考系中传向各个方向的速度不变
时间与空间关系
时间均匀流逝，空间不变化，与运动情况及外部条件无关
时间、空间都随运动情况而改变
【典例示范】
【典例】如图所示，强强乘坐速度为0.9c(c为光速)的宇宙飞船追赶正前方的壮壮，壮壮的飞行速度为0.5c，强强向壮壮发出一束光进行联络，则壮壮观测到该光束的传播速度为
( )
A.0.4c B.0.5c C.0.9c D.c
【解析】选D。由狭义相对论的基本假设——光速不变原理，可知真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，A、B、C错误，D正确。
【素养训练】
1.经过不断的努力，科学家终于探测到引力波的存在。引力波是实验验证爱因斯坦相对论的最后一块缺失的“拼图”，相对论在一定范围内弥补了经典力学的局限性。关于经典力学，下列说法正确的是
( )
A.经典力学完全适用于宏观低速运动
B.经典力学取得了巨大成就，是普遍适用的
C.随着物理学的发展，经典力学将逐渐成为过时的理论
D.随着相对论、量子论的提出，经典力学已经失去了它的应用价值
【解析】选A。经典力学适用于宏观低速运动的物体，宏观物体是相对于微观粒子而言的，故A正确；经典力学取得了巨大的成就，但它也具有一定的局限性，并不是普遍适用的，故B错误；在微观高速情况下，要用量子力学和相对论来解释，但是并不会因为相对论和量子力学的出现，就否定了经典力学，经典力学不会过时也不会失去价值，故C、D错误。
2.科学家预言，在遥远的将来，离子推进发动机驱动的宇宙飞船很可能会用于宇宙航行，这种飞船能以接近光速的速度飞行。设想在以0.9c飞行的飞船上打开一个光源，则下列说法正确的是
( )
A.飞船正前方的观察者看到的光速为1.9c
B.飞船正后方的观察者看到的光速为0.1c
C.在垂直飞船前进方向上的观察者看到的光速是
D.在任何地方的观察者看到的光速都是c
【解析】选D。根据光速不变原理知，在任何惯性系中测得的真空中的光速都相同，都为c，故D正确。
【加固训练】
如图所示，沿平直铁路线有间距相等的三座铁塔A、B和C。假想有一列车沿AC方向以接近光速行驶，当铁塔B发出一个闪光，列车上的观测者测得A、C两铁塔被照亮的顺序是
( )
A.同时被照亮
B.A先被照亮
C.C先被照亮
D.无法判断
【解析】选C。列车上的观测者看到的是由B发出后经过A和C反射的光，由于列车在这段时间内靠近C，而远离A，所以C的反射光先到达列车上的观测者，看到C先被照亮，故只有C正确。
【拓展例题】考查内容：两种时空观的发展史
【典例】(多选)物理学的发展丰富了人类对物质世界的认识，推动了科学技
术的创新和革命，促进了物质生产的繁荣与人类文明的进步。下列表述正确
的是( )
A.牛顿发现了万有引力定律
B.牛顿通过实验证实了万有引力定律
C.相对论的创立表明经典力学已不再适用
D.爱因斯坦建立了狭义相对论，把物理学推广到高速领域
【解析】选A、D。万有引力定律是牛顿发现的，但在实验室里加以验证是卡文迪许进行的，A对，B错；相对论并没有否定经典力学，经典力学对于低速、宏观物体的运动仍适用，C错；狭义相对论的建立，是人类取得的重大成就，从而把物理学推广到高速领域，D对。
【生活情境】
直升机在抢险救灾中能发挥特殊的作用，在某次抢险救灾中，飞行员凭借自己的经验，在抵达救灾地点前，调为以某一恒定的速度匀速飞行，在距离救灾地点一定距离时，将救灾物资自由释放，刚好落在救灾地点。
探究：(1)地面上的人看到该救灾物资的运动轨迹是怎样的？
(2)飞行员观察到救灾物资运动情况又是怎样呢？
情境·模型·素养
【解析】根据经典时空观的理论，同一运动时不同参考系描述结果不同。
(1)物资投放后，仅受重力作用，地面上的人看到物资做初速度不为零的平抛运动；
(2)飞行员看到物资是做初速度为零的自由落体运动。
【生产情境】
在高速行进的火车车厢正中的闪光灯发一次闪光向周围传播，闪光到达车厢后壁时，一只小猫在车厢后端出生，闪光到达车厢前壁时，一只小鸡在车厢前端出生。
探究：
(1)在火车上的人看来，小鸡和小猫谁先出生？
(2)在地面上的人看来，小鸡和小猫谁先出生？
【解析】(1)从火车中的人角度观察，车厢是个惯性系，光向前向后传播的速度相等，光源在车厢中央，闪光同时到达前后两壁，则在火车上的人看来，小猫和小鸡同时出生；
(2)地面上的人以地面作为一个惯性系，光向前向后传播的速度相等，向前传播的路程长些，到达前壁的时刻晚些，在地面上的人看来，
小猫先出生。
课堂检测·素养达标
1.关于经典力学和狭义相对论，下面说法中正确的是
( )
A.经典力学适用于宏观、高速运动的物体
B.光速不变原理是狭义相对论基本假设之一
C.狭义相对论和经典力学是相互对立，互不相容的两种理论
D.狭义相对论认为不同的惯性参考系中，一切物理规律形式不同
【解析】选B。经典力学的适用范围是低速、宏观的物体，在物体高速运动时，物体的运动规律服从狭义相对论，故A错误；光速不变原理是狭义相对论基本假设之一，故B正确；牛顿的经典力学是爱因斯坦相对论理论在低速条件下的近似，所以相对论的创立并不表明牛顿的经典力学已不再适用，故C错误；狭义相对论认为不同的惯性参考系中，一切物理规律形式是相同的，故D错误。
2.经典力学规律不适用于下列运动的是
( )
A.子弹的飞行
B.飞船绕地球的运行
C.列车的运行
D.粒子接近光速的运动
【解析】选D。经典力学适用于宏观物体的低速运动，子弹的飞行、飞船绕地球的运行及列车的运行都属低速，经典力学能适用。而粒子接近光速运动，则经典力学就不再适用，故A、B、C错误，D正确。
3.(多选)根据经典时空观的观点，下列说法中正确的是
( )
A.时间和空间是相互联系和影响的
B.某事件的发生对任何参考系都是同时的
C.在任何参考系中测量的时间间隔和空间距离都是相同的
D.物体的质量对不同的参考系是不同的
【解析】选B、C。经典时空观认为时间和空间互不关联，故选项A错误；经典时空观认为物体的质量是永恒不变的，与参考系选择无关，选项D错误。
4.在以0.4c匀速飞行的飞船中，激光炮向前和向后各发射一束强激光，
则
( )
A.向后发射的强激光相对地面的速率是0.6c
B.向前发射的强激光相对飞船的速率是0.6c
C.向后发射的强激光相对飞船的速率是c
D.向前发射的强激光相对地面的速率是1.4c
【解析】选C。由光速不变原理可以知道，激光的速率为c，故A、B、D错误，C正确。(共32张PPT)
第2节 相对论中的神奇时空
第3节 探索宇宙的奥秘
必备知识·自主学习
一、狭义相对论的结论
【情境思考】
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？
提示：变短了。
1.时间延缓效应：
对同一个物理事件，在相对静止的参考系中观测所经历的时间为τ0，
在高速运动的参考系中观测所经历的时间为τ，则有τ=____________。
2.长度收缩效应：
设静止物体长为l0，在此长度方向上运动的速度为v的惯性系中测量长度为l，
则由狭义相对论会得出如下关系式：l=___________。
3.质能关系：
爱因斯坦对质量和能量给出了如下关系式：_____或ΔE=_____。
E=mc2
Δmc2
4.质速关系：
经典力学中，物体的质量既不随位置的变化而变化，也不随速度的变化而
变化。
但是基于相对论和其他物理原理，可推出物质的质量是变化的，当物体相对
于所处的惯性参考系静止时，它具有最小的质量m0，这个质量叫作_________。
当物体以速度v相对某惯性系运动时，在这个惯性系观测它的质量为
m=___________。
静止质量
二、时空弯曲
1.爱因斯坦认为_________和_________对轨迹的弯曲是等效的。如果加速能
使光线弯曲，那么引力也能使光线弯曲。
2.按照广义相对论，光线在引力场中的弯曲可等效为_________被引力弯曲
了。引力不但影响空间，还影响_____，此影响可描述为时空弯曲。
加速运动
引力作用
空间本身
时间
【易错辨析】
(1)时间延缓效应是说时钟走得慢了。
(
)
(2)在垂直方向上不会发生长度收缩效应。
(
)
(3)爱因斯坦的质能方程E=mc2表明物体具有的能量与其质量成正比。
(
)
(4)由质速关系可知，物体的质量会随着它运动速度的增大而增大。
(
)
×
√
√
√
关键能力·合作学习
知识点一 认识两个效应
1.时间延缓效应：爱因斯坦曾预言，两个校准好的钟，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=
。由于vτ0，即运动的钟比静止的
钟走得慢。这种效应被称为时间延缓效应。
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，即对某物
体空间广延性的观测，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=
，由于v被称为长度收缩效应。
【典例示范】
【典例】一枚静止时长30
m的火箭以3
km/s的速度从观察者的身边掠过。
(1)观察者测得火箭的长度应为多少？
(2)如果火箭的速度为光速的二分之一，观察者测得的火箭长度应为多少？
(3)火箭上的钟表走过了1
h，观察者认为经历了多长时间？
【解析】(1)v=3
km/s?c，根据狭义相对论可知，地面上的观察者测得火箭
的长度：L=L0
≈L0=30
m；
(2)若火箭以0.5c的速度飞行，根据长度的相对性可知，地面上的观察者测
得火箭的长度为：L=L0
=30×
m≈26
m；
(3)火箭上的时间τ0=1
h，火箭的速度v=3
km/s，所以地面上观测到的时间
为：τ=
h≈1
h。
答案：(1)30
m (2)约26
m (3)约1
h
【素养训练】
如图所示，A、B、C是三个完全相同的时钟，A放在地面上，B、C分别放在以速度vB和vC朝同一方向飞行的两枚火箭上，且vB( )
A.A钟最快，C钟最慢
B.C钟最快，A钟最慢
C.C钟最快，B钟最慢
D.A钟最快，B钟最慢
【解析】选A。根据狭义相对论的时间延缓效应可知，速度越大，钟走得越慢，选项A正确。
【加固训练】
1.若一列火车以接近光速的速度在高速行驶，车上的人用望远镜来观察地面上的一只排球，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)
【解析】选C。根据狭义相对论，以观察者为参照系，则排球以接近光速的速度反向运动，根据长度收缩效应可知，观察者测得排球的水平宽度变短，竖直长度不变，因此观察的结果是像一只竖直放置的橄榄球。
2.如果飞船以0.75c的速度从你身边飞过，飞船上的人看飞船上的一个灯亮了10
min，你观测到这个灯亮的时间约为多少？
【解析】设观测灯亮的时间为τ，则
τ=
min≈15
min
答案：约15
min
3.有一艘太空船以0.8c的速度飞越“月球太空站”。一科学家在月球上测得
运动中的太空船长度为200
m，此太空船最后在月球上登陆，此科学家再度
测量静止的太空船的长度，他测量的结果如何？
【解析】设在月球上测得运动的太空船的长度为l，静止的太空船的长度
为l0，依据狭义相对论的长度收缩效应关系式，可知：l=l0
所以：l0=
≈333
m。
答案：他测量的结果是333
m。
知识点二 相对论中的质速关系和质能关系
1.质速关系：
(1)经典物理学的观点：
经典物理学认为物体的质量是物体的固有属性，由物体所含物质的多少决定，与物体所处的时空和运动状态无关。由牛顿第二定律F=ma可知，只要物体的受力足够大、作用时间足够长，物体将能加速到光速或超过光速。
(2)相对论的观点：
由狭义相对论和其他物理原理，可推知物体的质量是变化的。当物体相对所处
的惯性参考系静止时，它具有最小的质量m0，这个最小质量叫静止质量。当物
体以速度v相对某惯性参考系运动时，在这个惯性参考系观测到的质量为
m=
。
2.质能关系：
(1)经典物理学的观点：
在经典物理学中，质量和能量是两个独立的概念。
(2)相对论的观点：
由相对论及基本力学定律可推出质量和能量的关系为E=mc2或ΔE=Δmc2。
【典例示范】
【典例】太阳因核聚变释放出巨大的能量，同时其质量不断减少。太阳每秒钟辐射出的能量约为4×1026
J，根据爱因斯坦质能方程，太阳每秒钟减少的质量最接近
( )
A.1036
kg
B.
1018
kg
C.1013
kg
D.
109
kg
【解析】选D。根据质能关系ΔE=Δmc2得：Δm=
=4.4×109
kg。
【素养训练】
下列关于E=mc2的说法中正确的是
( )
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，就将产生Δmc2的能量
【解析】选B。由质能方程可知，能量与质量之间存在着一定的必然对应的关系，而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。只有在核反应过程中，对应着质量的减少，才有能量释放出来，即E=mc2说明能量与质量之间存在着正比关系，质量为m的物体，对应着mc2的能量，故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，但不能说产生Δmc2的能量，故C、D错误。
【拓展例题】考查内容：长度收缩效应的应用
【典例】如图所示，一根10
m长的梭镖以相对论速度穿过一根10
m长的管子，它们的长度都是在静止状态下测量的。以下哪种叙述最好地描述了梭镖穿过管子的情况( )
A.梭镖收缩变短，因此在某些位置上，管子能完全遮住梭镖
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。如果观察者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。然而当观察者和梭镖一起运动时，观察者看到的管子就缩短了；所以在某些位置，观察者可以看到梭镖两端都伸出管子。又如观察者在梭镖和管子之间运动，运动的速度是在梭镖运动的方向上，而大小是其一半；那么梭镖和管子都相对于观察者运动，且速度的大小一样；观察者看到这两样东西都缩短了，且缩短的量相同。所以观察者看到的一切都是相对的——依赖于观察者的参考系，故D正确。
牛顿的成就：
从地面上的物体到天体运动，都服从牛顿力学规律
局限：
1.微观粒子的运动不能够用牛顿定律解决。
2.只适用于低速运动物体，不适用于高速运动物体。
爱因斯坦两个假设：
1.在不同惯性参考系中，物理规律都相同
2.光速在不同的参考系中大小都一样
相对论
时间延缓效应：
长度收缩效应：
课堂检测·素养达标
1.日常生活中，我们并没发现物体的质量随物体运动的速度变化而变化，其原因是
( )
A.运动中的物体无法称量质量
B.物体的速度远小于光速，质量变化极小
C.物体的质量太大
D.物体的质量不随速度的变化而变化
【解析】选B。根据狭义相对论质速关系m=
，因为在宏观物体的运动中，v?c，所以m变化不大。而不是因为物体的质量太大或无法测量，也不是因为质量不随速度的变化而变化，正确选项为B。
2.一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经过地球，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
【解析】选B。飞船上的观测者测得该飞船的长度是静止时的长度，为30
m，
故A错误；地球上的观测者测得该飞船的长度是以0.6c的速度沿长度方向飞行
时的长度：l=l0
=30×
m=24
m<30
m，故B正确；根据狭义相
对论的光速不变原理，飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度等于c，
地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度也等于c，故C、D错误。
3.假设有一名考生用90分钟完成了一场考试，一艘飞船相对此考生以0.5c的速度匀速飞过(c为真空中的光速)，则飞船上的观察者认为此考生完成这场考试所用的时间
( )
A.小于90分钟
B.等于90分钟
C.大于90分钟
D.等于45分钟
【解析】选C。根据狭义相对论可知，飞船相对此考生以0.5c的速度匀速飞过
时，飞船上的观察者认为此考生完成这场考试所用的时间t=
>t0，
可知飞船上的观察者认为此考生完成这场考试所用的时间大于90分钟。
选项C正确。
4.质子、中子和氘核的质量分别为m1、m2和m3。当一个质子和一个中子结合成氘核时，释放的能量是(c表示真空中的光速)
( )
A.(m1+m2-m3)c
B.(m1-m2-m3)c
C.(m1+m2-m3)c2
D.(m1-m2-m3)c2
【解析】选C。根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2此核反应放出的能量ΔE=(m1+m2-m3)c2，所以C正确，A、B、D错误。
