高中物理粤教版 (2019)必修 第二册第二节 相对论时空观精品备课课件ppt

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一、狭义相对论的基本假设
19世纪后半叶，当人们运用牛顿力学解释光的传播等问题时，发现了一系列尖锐的矛盾。当时，光速的精确测定为光速的不变性提供了实验依据。与此同时，电磁理论也为光速的不变性提供了理论依据、然而，上述光速不变的结论却与牛顿力学的解释相抵触。
如图所示，假设一节车厢以速度v匀速前进，车厢后部有一个光源。根据牛顿力学中速度的合成的观点，对于站台上静止的观测者来说，她观测到的光的传播速度应为c+v。但是观测和实验事实表明：无论光源和观测者如何运动，光速只能为c。
为了解决上述矛盾，爱因斯坦在借鉴前人研究成果的基础上，以其独特的思考方式，于1905年提出了狭义相对论。狭义相对论以两个基本假设为前提：
相对性原理：在所有的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。
光速不变原理：在所有的惯性参考系中，测得的真空中的光速都相同。
在一个惯性参考系中同时发生的两个事件，在另一个惯性参考系看来是不同时的，这被称为同时性的相对性。
下面通过一个思想实验来讨论同时性的相对性、如图所示，一节做匀速直线运动的火乙同学车车厢中间顶部O处挂着一盏灯，前后门都有自动装置、使车门一接收到光信号便自动打开。车厢中部站着甲同学，站台上站着乙同学。
根据狭义相对论的两个基本假设，当火车匀速前进时，电灯一亮，由车厢里的甲同学所在的惯性参考系观测，前后门是否同时打开？由站台上的乙同学所在的惯性参考系观测，前后门是否同时打开？
在车厢里的甲同学观测到前后两门同时打开，因为在车厢这个惯性参考系中，光向前、向后传播的速度都是c，光源又在车厢的中央，所以光信号同时到达前后两个门。
站台上的乙同学则观测到后门先打开。因为她所在的站台也是一个惯性参考系，光信号相对地面向前、向后传播的速度都是c。但发出的光信号在传递到前后门的过程中，前门和后门都前行了一段距离，导致光信号传递到前门的距离大于传递到后门的距离（如图所示)。而光速不变，因此乙同学观测到光信号先抵达后门，再抵达前门。
可见，对车厢惯性参考系来说同时发生的事件，对站台惯性参考系来说却是不同时的。两个事件是否同时发生，与参考系的选择有关。这就是同时性的相对性。
牛顿力学认为，两个事件在不同的惯性参考系中观测，它们之间的时间间隔总是相同的。但是，从狭义相对论的两个基本假设出发，我们会发现，两个事件之间的时间间隔在不同的惯性参考系内观测有可能是不同的。
例如，一节做匀速直线运动的车厢，地板上A处有一盏灯，在灯的正上方车厢顶B处有一面镜子，AB间高为h.现在我们要完成一个光学思想实验；打开灯的开关，光信号从A处到B处，再由镜面反射回到A处。车厢里站着甲同学，站台上站着乙同学。
在车厢里的甲同学观测到，光信号走过的距离是2h[如图所示]，因此光信号往返时间:
这里用到了狭义相对论的第二个基本假设，即对站台惯性参考系来说光速大小都是c。以上两式消去h，可得：
这是一个令人吃惊的结论：站台上的乙同学和车厢里的甲同学对光信号往返时间的测量结果并不一样，地面上的人测得的时间△t要比车厢里的人测得的时间△t'长些。
严格的数学推导表明，上式具有普遍意义。它表明，在站台上将观测到火车上的时间进程变慢了，车上的一切物理过程、化学过程和生命过程都变慢了。而在运动参考系里的人认为一切正常，并不感到自己周围的事件变得呆滞。这就是时间间隔的相对性，也称为“时间延缓”、“时间膨胀”或“钟慢效应”。
我们继续设计一个思想实验来测量一个火车站站台的长度。我们没有尺，但有一个钟。
如图所示，假想有一个火车头即将匀速通过站台，已知它的速度为v。
假定有两名观测者：甲同学坐在火车头中，乙同学站在站台上，他们各有一个钟，分别用来测量站台AB的长度。
由于时间延缓效应，甲同学测得的时间△t'，比乙同学测得的时间△t要短，所以甲同学测出相对火车头运动的站台长度l'=v△t'，比乙同学测出相对地面静止的站台长度l=v△t要短。
通过严格的数学推导可以得到，l'和l有如下关系:
严格的数学推导表明，上式具有普遍意义。它表明，当物体相对于观测者运动时，在运动的方向上，观测者测量到该物体的长度要缩短，而垂直于运动方向的长度不会发生变化。这就是空间距离的相对性，也称为“长度收缩”或“尺缩效应”。
爱因斯坦的相对论时空观是时空观发展史上的一次大变革。牛顿力学认为时间和空间是脱离物质而存在的，时间和空间之间也是没有联系的。相对论则认为有物质才有时间和空间，时间和空间与物质的运动状态有关，因而时间与空间并不是相互独立的，这在时间延缓效应和长度收缩效应中已体现出来。
我们生活在低速运动（相对于光速而言）的世界里，自然而然地接受了牛顿的绝对时空观，过去谁都未曾考虑过时间和空间的性质，只有当新的实验结论与传统观念不一致时，人们才回过头来认真思考过去对时间和空间的认识并进行修正。人类对于自然界的认识就是这样一步一步地不断前进的。
根据广义相对论，物体的引力场会使光线弯曲，引力场越强，光线弯曲越厉害。下面以太阳的引力场为例。如图所示，由于太阳引力场的作用，远处一颗恒星发出的光经过太阳附近时，会由于太阳的引力而发生偏转。这样，在地球上看这颗恒星时，看到的位置与实际位置不符，它似乎来自另外一个方向。
由于物体的引力场通常比较弱，太阳是离我们最近而又能产生较强引力场的天体，再加上平常明亮的天空使我们无法观星，所以观测星光偏转现象的最好时机是发生日全食的时候。 1919年5月29日发生日全食的当天，英国两支考察队分别在几内亚湾和巴西进行观测。在日食过程中，考察队用天体照像仪拍下太阳附近的星光照片，用加权平均的方法计算星光的偏转角，证实了爱因斯坦的预言是正确的。
现在，通过射电望远镜可以直接观测宇宙中的射电信号在太阳引力场中的偏折，而不必等待日全食这种稀有的机会，高精度的测量结果进一步证实了广义相对论的结论。
根据广义相对论，当恒星发出的光在引力场（大质量天体和黑洞）附近经过时，光线会像通过透镜一样发生弯曲，如左图所示。此类引力透镜现象也普遍被天文学家观测到。当远处天体与观测者的连线和天体“透镜”与观测者的连线之间的偏角很小时，观测者会观测到一个环绕天体“透镜”的光环，称为爱因斯坦环，如右图所示。
在大尺度的宇观时空中存在许多大质量天体，如大恒星、球状星团、星系和星系团等，光线经过这些大质量天体附近时发生偏转，这说明整个空间不再是平直的，而变成弯曲的了、此外，广义相对论还告诉我们，引力场的存在使得空间不同位置的时间进程也存在差别，也可以说时间发生了弯曲。例如在大质量天体的强引力场附近，时间进程会变慢、就像思想实验中在高速运动的火车上的时间进程变慢了一样。
另一方面、在万有引力起主导作用的宇观世界中，弯曲时空也反过来决定物质的运动、这好比在山峦起伏的丘陵中，泉水总是从山间的间隙流下，汇集成小河、大江，向低洼地区奔流，然后注入大海。总而言之，物质决定时空的弯曲，时空决定物质的运动。
狭义相对论和广义相对论建立以来，经受住了历史和实践的考验。广义相对论所揭示的物质与时空的关系，比起狭义相对论更为深刻。同时，广义相对论对于研究天体和宇宙的结构及演化也有着重要的意义，是现代宇宙学理论的基础。
1.下列说法中正确的是（       ）A．牛顿发现了万有引力定律，他被称为“称量地球质量”第一人B．相对论时空观认为物体的长度会因物体的速度不同而不同C．所有行星的轨道半长轴的二次方跟公转周期的三次方的比值都相同D．丹麦天文学家第谷经过多年的天文观测和记录，提出了“日心说”的观点
2.以下说法正确的是（　　）A．卡文迪许测量出万有引力常量，并提出万有引力定律B．牛顿证明了地面上苹果受到的重力和地球对月亮的吸引力是同一种力C．开普勒提出日心说，并指出行星绕太阳转动其轨道为椭圆D．洲际导弹的速度有时可达到6000m/s，此速度在相对论中属于高速，导弹的质量会明显增大
3.下列说法中正确的是（　　）A．机械波和电磁波都能在真空中传播B．铁路，民航等安检口使用红外线对行李内物品进行检测C．根据狭义相对论的原理知，在不同的惯性参考系中，物理规律都是不相同的D．变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场
4.在物理学发展的过程中，有许多科学家做出了重要的贡献。下列说法正确的是（　　）A．卡文迪许利用扭秤装置比较精确地测出引力常量B．牛顿总结出万有引力定律并用实验测出引力常量C．爱因斯坦的相对论指出在不同的参照系中测量到的光速是不同的D．开普勒总结了行星运动的规律，并找出行星按照这些规律运动的原因
5.关于相对论时空观与牛顿力学的局限性，下列说法中正确的是（　　）A．相对论和量子力学更加深入地研究运动规律，彻底否认了经典力学B．相对论认为真空中的光速在不同的惯性参考系中是不同的C．牛顿定律不适用于研究中国空间站天和核心舱的高速发射D．经典力学是相对论及量子力学在一定条件下的特例
6.如图所示，一同学在教室上课，教室的长度为9m，教室中间位置有一光源。有一飞行器从前向后高速通过教室外侧，已知光速为c、飞行器中的飞行员认为（　　）A．教室中的时钟变快B．教室的长度大于9mC．从光源发出的光先到达教室后壁D．光源发出的光，向后的速度小于c
7.下列说法正确的是（　　）A．牛顿（N）是国际单位制的基本单位之一B．牛顿运动定律适用于一切参考系C．亚里士多德认为力是改变物体运动状态的原因D．探究加速度与力和质量关系的实验中应用了控制变量法
8.物理学的发展丰富了人类对动物世界的认识，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．开普勒发现了万有引力定律B．牛顿测出了万有引力常量C．相对论的创立表明经典力学失去存在价值D．爱因斯坦创立了狭义相对论，把物理学推进到高速发展领域
9.下列说法正确的是（　　）A．拍摄玻璃橱窗内的物品时，往往在镜头前加一个偏振片以增加透射光的强度B．当波源与观察者互相靠近时，观察者接收到的波的频率会变小C．X射线能够穿透物质，可以用来检查人体内部器官D．相对论理论认为空间和时间与物质的运动状态无关
10.在人类历史的长河中，许多物理学家的科学研究推动了人类文明的进程。以下关于几位物理学家所做科学贡献的叙述中，正确的是（　　）A．伽利略用“月一地检验”证实了万有引力定律的正确性B．爱因斯坦建立了相对论，相对论物理学否定了牛顿力学C．牛顿利用扭秤装置，第一次较准确地测出了引力常量G的值D．开普勒用20年的时间研究了第谷的行星观测记录，提出了开普勒行星运动定律
一、狭义相对论的基本假设：
1．相对性原理：在所有的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。2．光速不变原理：在所有的惯性参考系中，测得的真空中的光速都相同。
1．根据广义相对论，物体的引力场会使光线弯曲，引力场越强，光线弯曲越厉害。2．引力场的存在，也会使时间发生弯曲．例如，在大质量天体的强引力场附近，时间进程会变慢。3．弯曲的时空也会决定物质的运动，物质决定时空的弯曲，时空决定物质的运动。
1.下列说法中属于牛顿力学时空观的观点的是（　　）A．世界的过去、现在和将来都只有量的变化，而不会发生质的变化B．时间和空间不依赖人们的意识而存在C．时间和空间是绝对的D．时间和空间是紧密联系、不可分割的
2.在物理学发展历史中，许多物理学家做出了卓越贡献。以下关于物理学家所作科学贡献的叙述中，错误的是（　　）A．爱因斯坦在其相对论中指出，时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的B．胡克等人认为行星所受太阳的引力大小跟行星到太阳距离的二次方成反比。C．牛顿对引力常量G进行准确测定，并于1687年发表在其传世之作《自然哲学的数学原理》中D．卡文迪许进行了月-地检验，得出天上和地表的物体间的引力作用都遵从万有引力定律
3.下列说法正确的是（　　）A．日落时分，拍摄水面下的景物，在照相机镜头前装上滤光片，可以使景像更清晰，这是利用了光的偏振原理B．在双缝干涉实验中，保持入射光的频率不变，增大双缝间的距离，干涉条纹间距也增大C．用紫外线照射大额钞票上用荧光物质印刷的文字会发出可见光，这是利用紫外线的荧光效应D．以接近光速在竖直方向上做高速运动的球体，在水平方向上长度变短了
4.如图所示，地面上A、B两处的中点处有一点光源S，甲观察者站在光源旁，乙观察者乘坐速度为v（接近光速）的火箭沿AB方向飞行，两观察者身边各有一个事先在地面校准了的相同的时钟，下列对相关现象的描述中，正确的是（　　）A．甲测得的光速为c，乙测得的光速为c-vB．甲认为飞船中的钟变慢了，乙认为甲身边的钟变快了C．甲测得的AB间的距离大于乙测得的AB间的距离D．当光源S发生一次闪光后，甲认为A、B两处同时接收到闪光，乙则认为B先接收到闪光
5.假设一列100m长的火车以接近光速的速度穿过一根100m长的隧道，它们的长度都是在静止状态下测量的，下列关于看到的现象判断正确的是(   )A．相对隧道静止的观察者会看到，火车变短，在某些位置上，隧道能完全遮住它B．相对隧道静止的观察者会看到，隧道变短，在某些位置上，火车从隧道的两端伸出来C．相对火车静止的观察者会看到，火车变短，在某些位置上，隧道能完全遮住它D．相对火车静止的观察者会看到，隧道变短，在某些位置上，火车从隧道的两端伸出来