第5章 第1节 初识相对论-第3节 探索宇宙的奥秘（Word教参）-【优化指导】2024-2025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，即运动的钟比静止的钟走得慢．这种效应被称为时间延缓． (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＝l0，由于v＜c，所以l＜l0.这种长度观测效应被称为长度收缩． ►对点例练 (2021·全国高三专题练习)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 D　解析：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．假如你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你运动，且速度的大小一样；你看到这两样东西都缩短了，且缩短的量相同，所以你看到的一切都是相对的，依赖于你的参考系． A．梭镖收缩变短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它，与结论不相符，A错误； 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，与结论不相符，B错误； 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，与结论不相符，C错误； D．所有这些都与观察者的运动情况有关，与结论相符，D正确．故选D． [训练1] (2021·江苏省镇江中学高一月考)如图所示，a、b、c为三个完全相同的时钟，a放在水平地面上，b、c分别放在以速度vb、vc向同一方向飞行的两枚火箭上，且vb大于vc，则地面上的观察者认为走得最慢的钟为(　　 ) A．a　　　　　　　　　 B．b C．c D．无法确定 B　解析：根据Δt＝可知，相对观察者的速度越大，其上的时间越慢，a放在水平地面上，在地面上的人看来，a钟没有变化，b、c均变慢，且vb大于vc，b钟比c钟更慢，则地面上的观察者认为走得最慢的钟为b，B正确．故选B． [特别提醒]　理解相对论效应的两点注意 (1)时间延缓效应是一种观测效应，不是时钟走快了或走慢了，也不是被观测过程的节奏变化了． (2)长度收缩效应也是一种观测效应，不是物体本身发生了收缩．另外，在垂直于运动方向上不会发生收缩效应． 探究点二　对相对论中两个关系的理解　(科学思维之提升) ►探究归纳 1．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. 根据爱因斯坦的质能关系，人们利用重核裂变反应前后质量亏损释放大量能量发电及制造原子弹． 2．质速关系 (1)经典物理学的观点 经典力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 由狭义相对论和基本力学定律，可推知物体的质量是变化的．当物体相对某惯性参考系静止时，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＝ . ►对点例练 (多选)对于公式m＝，下列说法中正确的是(　　) A．公式中的m是物体以速度v运动时的质量 B．当物体的运动速度v>0时，物体的质量m>m0，即物体的质量改变了，故这种情况下，经典力学不再适用 C．当物体以较小速度运动时，质量变化十分微弱，经典力学理论仍然适用，只有当物体以接近光速运动时，质量变化才明显，故经典力学适用于低速运动，而不适用于高速运动 D．通常由于物体的运动速度太小，质量的变化引不起我们的感觉，故在分析地球上物体的运动时，不必考虑质量的变化 ACD　解析：公式中m0是静止质量，m是物体以速度v运动时的质量，A正确；由公式知，只有当v的大小与光速具有可比性时，物体的质量变化才明显，一般情况下物体的质量变化十分微小，故经典力学仍然适用，B错误，C、D正确． [训练2] 利用现代高能物理研究所用的粒子加速器对电子进行加速，当把电子的速度加速到c时，设电子的静止质量是m0.则： (1)加速之后，电子的质量增加多少？ (2)加速之后，电子的能量和动能各多大？ (1)m0　(2)m0c2　m0c2 解析：(1)设电子加速后的质量为m，由相对论质速关系m＝可得电子加速后的质量m＝m0 故电子质量的增量Δm＝m－m0＝m0. (2)由质能关系可知电子静止时的能量E0＝m0c2 电子加速后的能量E＝mc2＝m0c2 加速后电子的动能等于加速后的能量与静止的能量之差，所以Ek＝E－E0＝m0c2. [特别提醒]　相对论关系中的两点注意 (1)相对论中，质量与能量是物质不可分离的属性． (2)任何质量m都对应一定的能量mc2，即任何静止时质量不为零的物体，都贮存着巨大的能量． 探究点三　解决实际问题　(科学态度与责任) [训练3] (高速乘车情境)(2020·江苏淮安市·淮阴中学高二期末)如图所示，观察者乙乘坐速度为0.8c(c为光在真空中的速度)的列车追赶其正前方的观察者甲，甲乘坐的飞行器速度为0.5C．乙用列车车厢里的光源发出一束光和甲进行联络，由狭义相对论，甲和乙观测到该光束的传播速度分别为(　　 ) A．0.2c，c　　　　　　　 B．0.3c，0.2c C．c，c D．1.3c，0.3c C　解析：根据爱因斯坦相对论，在任何参考系中，光速不变，即光速不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变．所以甲和乙观测到该光束的传播速度为c，所以ABD错误，C正确．故选C． [训练4] (高速情境)(2021·江苏徐州市·高一期末)如图所示，一同学在教室上课，教室的长度为9 m，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9 m C．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 C　解析：AB．根据爱因斯坦的相对论，可知飞行器中的飞行员认为看到教室中的时钟变慢，教室的长度变短，即长度小于9 m，选项AB错误； C．教室中的人认为，光向前向后传播的速度相等，光源在教室中央，光同时到达前后两壁．飞行器中的飞行员是一个惯性系，光向前向后传播的速度相等，向后壁传播的路程短些，到达后壁的时刻早些，选项C正确． D．根据光速不变原理，不论光源与观察者之间做怎样的相对运动，光速都是一样的，选项D错误；故选C． [训练5] (高速情境)(2021·全国高一课时练习)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，如果观察的很清晰，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) C　解析：根据长度收缩效应可知，排球的水平方向的线度变短，在竖直方向线度不变，因此观察的结果是像一只竖直放置的橄榄球，故应选C． 学科网（北京）股份有限公司 $$