第5章 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（Word教参）-【优化指导】2023-2024学年新教材高中物理必修第二册（鲁科版2019）

第1节　初识相对论 第2节　相对论中的神奇时空 第3节　探索宇宙的奥秘 核心素养 物理观念 科学思维 科学探究 科学态度与责任 能初步了解相对论时空观的内涵，初步了解宇宙起源与演化的研究进展；能运用与相对论相关的初步知识解释高速世界的一些特点．尝试建立初步的相对论时空观． 知道研究高速世界需要建构物理模型；知道科学推理与大胆想象的重要性；能用与狭义相对论相关的证据尝试说明高速世界的一些特点；知道创新对科学进步的重要意义． 能提出与高速世界、宇宙起源与演化相关的问题；能收集与相对论时空观、宇宙起源和演化有关的信息；能用收集的信息说明高速世界的一些特点以及典型恒星的演化过程；能撰写与相对论初步知识相关的小论文，能陈述并交流关于高速世界的认识． 能体会人类对自然界的探索是不断深入的，能从牛顿力学的局限性体会科学理论既具有相对持久性和稳定性，也存在局限性，人类对自然的探索永无止境；具有探索自然、造福人类的志趣，有关注宇宙起源与演化研究进展的意愿；能体会科学·技术·社会存在相互联系，需要协调发展． [对应学生用书P112] 知识点一 初识相对论 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． 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c❶都一样． 基于这两条基本原理所建立的理论叫作狭义相对论． 1．经典力学在任何情况下都适用．(×) 2．光的传播介质是“以太”．(×) 3．按照狭义相对论，一切惯性系中，测得真空中的光速都相同．(√) 知识点二 相对论中的神奇时空 1.时间延缓效应❷ 对同一个物理事件，在与之相对静止的参考系中观测所经历的时间为τ0，在与之有相对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❸ 设若一把刻度尺，相对它静止的观测者测量其长度为l0(静止长度，又称固有长度)，沿它长度方向相对运动速度为v的观测者测量其长度则是l，由狭义相对论会得出它们的关系式为l＝l0. 3．质能关系❹ 爱因斯坦对质量和能量给出了如下关系式： E＝mc2或ΔE＝Δmc2. 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． 1．时间延缓效应是说时钟走得慢了．(×) 2．任何情况下测量物体的长度都是相同的．(×) 3．在相对论力学中，物体静止时的质量最小．(√) 知识点三 探索宇宙的奥秘 1.宇宙的起源 美国科学家伽莫夫提出了描述宇宙起源和演化的大爆炸宇宙模型，认为宇宙从一个温度无限高、物质密度无限大的“奇点”爆炸而成． 2．宇宙的演化 通过观测遥远的超新星，发现宇宙正在加速膨胀，并证明了暗能量的存在．宇宙的大部分都是由暗物质和暗能量组成的． 3．永不停息的探索 (1)2016年，我国落成启用的世界上最大单口径、最灵敏的射电望远镜——“中国天眼”． (2)引力波开启了探索宇宙的新窗口． 1．“大爆炸”理论指出宇宙起源于一个“奇点”．(√) 2．根据现有的天文观测资料，人们已经能确定宇宙的未来将走向何处．(×) 3．引力波只是一种猜想，并不存在．(×) 批注❶：迈克尔孙—莫雷实验证明了光速是不变的，这与传统的速度合成法则是矛盾的． 批注❷： (1)经典的时空观：某两个事件，在不同的惯性系中观察，它们的时间间隔总是相同的． (2)相对论的时空观：某两个事件，在不同的惯性参考系中观察，它们的时间间隔是不同的，惯性系速度越大，惯性系中的时间进程进行得越慢．非但如此，惯性系中的一切物理、化学过程和生命过程都变慢了． 批注❸：(1)经典的时空观：一把刻度尺的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同． (2)相对论的时空观：“长度”也具有相对性，一把沿自身长度方向运动的刻度尺，其长度总比静止长度小． 批注❹：(1)经典力学：物体的质量与运动无关． (2)狭义相对论：物体的质量随物体速度的增加而增大，物体以速度v运动时的质量m与静止时的质量m0之间的关系是：m＝ . [对应学生用书P114] 探究点一　对相对论的理解　(科学思维之提升) ►探究归纳 1．两个基本原理 (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．也就是说，物理学定律与惯性系的选择无关． (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．也就是说，不管光源与观察者的相对运动如何，在任一惯性系中的观察者所观测到的真空中的光速都是相等的． 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，运动时钟时间与静止时钟时间的关系：τ＝.由于v＜c，所以τ＞τ0，即运