第五章 第二节 相对论时空观 第三节 宇宙起源和演化-（课件PPT+Word教案）【步步高】2024-2025学年高一物理必修第二册教师用书（粤教版2019）

DIWUZHANG 第五章 第二节　相对论时空观　 第三节　宇宙起源和演化 1 1.了解狭义相对论的基本假设，了解时空相对性和时空弯曲。 2.了解古代和近现代宇宙模型，了解宇宙学的新进展。 学习目标 2 一、狭义相对论 二、时空相对性　时空弯曲 内容索引 三、宇宙起源和演化 3 狭义相对论 一 4 1.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 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 相同 2.牛顿力学与狭义相对论比较 牛顿力学 狭义相对论 形成时期 物理学形成的初期阶段，理论较片面 物理学充分发展的现代，理论较完善、科学 适用范围 低速运动、宏观世界 任何惯性系中都适用 速度的合成 时间与空间互不相干，关系式v船岸=v船水+v水岸成立 速度与位移、时间的测量有关，v船岸=v船水+v水岸不成立 　(多选)对狭义相对论的理解正确的是 A.在不同惯性系中，基本的物理规律可能是不同的 B.在不同惯性系中，光在真空中的传播速度均相同 C.狭义相对论适合于任何惯性系，即适合于一切物体 D.狭义相对论只涉及惯性系 例1 √ √ 根据相对论的观点，在不同的惯性系中，一切物理规律都是相同的，A错误； 在一切惯性系中，光在真空中的传播速度都相等，B正确； 狭义相对论适合于无加速度的惯性系，并不是适合于一切物体，C错误； 狭义相对论只涉及惯性系，D正确。 　设某人在速度为0.5c的飞船上打开一个光源，(c为真空中传播的光速)则下列说法正确的是 A.飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为1.5c B.飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为0.5c C.在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是c D.在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c 例2 √ 根据爱因斯坦的光速不变原理可知，光在真空中不同的惯性参考系中传播速度都是c，则观察者在地面上任何地方和在飞船中观测光的速度均为c，故选D。 返回 时空相对性　时空弯曲 二 10 (1)一对孪生兄弟，其中一个在坐了长时间的宇宙旅行之后归来，发现留在地球上的兄弟变得比自己要老——这就是爱因斯坦相对论中的“孪生子悖论”。这说明地球上的人在观测高速运动的物体时，时间发生了什么变化？ 答案　时间变慢了　 (2)一个球体相对于我们加速运动时，其高度不变，但我们观测到其长度发生了变化，试总结其变化规律。 答案　速度越大，长度越短 1.时空相对性 (1)同时性的相对性：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 。 (2)时间延缓：①经典的时空观：某两个事件，在不同的惯性参考系中观察，它们之间的时间间隔总是 的。 ②狭义相对论认为“动钟变慢”：时间间隔的相对性公式为Δt'= _____________。 梳理与总结 不同时的 相同 Δt (3)长度收缩：①经典的时空观：一条杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同。 ②狭义相对论认为“动尺变短”：狭义相对论中的长度公式为l'= ___________，但在垂直于杆的运动方向上，杆的长度 。 (4)牛顿力学时空观和相对论时空观的区别 牛顿力学认为时间和空间是 物质而存在的，时间和空间之间也是 联系的。相对论则认为 才有时间和空间，时间和空间与 有关，因而时间与空间并 (填“是”或“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。 l 不变 脱离 没有 有物质 物质的运动状态 不是 2.时空弯曲 (1)根据广义相对论，物体的引力场会使光线 ，引力场越 ，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 。 (3)物质决定时空的 ， 决定物质的运动。 弯曲 强 变慢 弯曲 时空 　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<vc，则地面的观察者认为走得最慢的钟为 A.a B.b C.c D.无法确定 例3 √ 根据公式Δt=可知，钟表相对于地面观察者的速度v越大，其上的时间进程越慢，a放在地面上，在地面上的人看来，a钟走的快慢没有变化。b、c两钟放在两个火箭上，根据爱因斯坦相对论可知，b、c变慢，由于vb<vc，c钟比b钟更慢，所以a钟最快，c钟最慢。故选C。 　惯性系S中有一边长为l的正方形，从相对S系沿y方向以接近光速匀速飞行的飞行器上测得该正方形的图像是(如图所示) 例4 从相对S系沿y方向以接近光速匀速飞行的飞行器上测正方形，根据相对论长度收缩效应可知，沿y轴方向正方形边长缩短，而沿x轴方向正方形边长没有改变，故选B。 返回 √ 宇宙起源和演化 三 19 1.古代宇宙模型 (1)在古代中国：“盖天说”认为“天圆如张盖，地方如棋局”。 (2)地心说：亚里士多德认识到地球是一个球体，其理论经托勒密等学者的进一步发展形成了“ ”。 (3)日心说：1543年，哥白尼提出了“ ”，把宇宙的中心从地球挪向太阳，是人类宇宙观念的一大飞跃。 地心说 日心说 2.近现代宇宙模型 (1)广义相对论宇宙模型 由弯曲空间构成，没有 、没有 ，但在整体上是 、______ 宇宙。 (2)动态的宇宙模型 ①宇宙中的物质从宇观大尺度来说其分布是 的，从各个方向看都是 的。随着时间的变化，宇宙在不断 。 ② 通过观测发现遥远的星系在彼此远离，说明宇宙正在膨胀，这为动态宇宙模型的观点提供了有力的证据。 边界 中心 有限的 静态的 均匀 一样 膨胀 哈勃 (3)两种对立的理论： ①稳恒态宇宙模型：随着宇宙膨胀，新的物质会不断产生，使宇宙总密度不变，从而令宇宙在任何时候看上去都基本不变化。 ②大爆炸理论：宇宙起源于约138亿年前一个体积无限 、密度无限 、温度无限 、时空曲率无限 的奇点。宇宙“爆炸”之后不断 ，导致温度和密度迅速 。随着温度降低，逐步形成电子、质子、中子、原子核、原子和分子，并复合成为气体。气体逐渐凝聚成星云，星云进一步形成各种各样的 和 ，最终形成我们如今所看到的宇宙。 小 大 高 大 膨胀 下降 恒星 星系 3.宇宙学的新进展 科学家们观测到的宇宙 ，被誉为20世纪60年代的四大发现之一，该发现荣获1978年诺贝尔物理学奖。 天文学家在研究宇宙减速因子时意外发现宇宙在 膨胀，宇宙主要由_______和 组成，该发现荣获2011年诺贝尔物理学奖。 2016年激光干涉引力波天文台科学合作组织宣布探测到 ，更是打开了宇宙研究的新窗口。 2017年，中国暗物质粒子探测卫星“ ”获得高精度的高能电子宇宙线能谱，为暗物质研究提供了新的观测资料。 返回 微波背景辐射 加速 暗物质 暗能量 引力波 悟空 BENKEJIESHU 本课结束 $$ 第二节　相对论时空观 第三节　宇宙起源和演化 ［学习目标］　1.了解狭义相对论的基本假设，了解时空相对性和时空弯曲。2.了解古代和近现代宇宙模型，了解宇宙学的新进展。 一、狭义相对论 1.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。 2.牛顿力学与狭义相对论比较 牛顿力学 狭义相对论 形成时期 物理学形成的初期阶段，理论较片面 物理学充分发展的现代，理论较完善、科学 适用范围 低速运动、宏观世界 任何惯性系中都适用 速度的合成 时间与空间互不相干，关系式v船岸=v船水+v水岸成立 速度与位移、时间的测量有关，v船岸=v船水+v水岸不成立 例1　(多选)对狭义相对论的理解正确的是(　　) A.在不同惯性系中，基本的物理规律可能是不同的 B.在不同惯性系中，光在真空中的传播速度均相同 C.狭义相对论适合于任何惯性系，即适合于一切物体 D.狭义相对论只涉及惯性系 答案　BD 解析　根据相对论的观点，在不同的惯性系中，一切物理规律都是相同的，A错误；在一切惯性系中，光在真空中的传播速度都相等，B正确；狭义相对论适合于无加速度的惯性系，并不是适合于一切物体，C错误；狭义相对论只涉及惯性系，D正确。 例2　设某人在速度为0.5c的飞船上打开一个光源，(c为真空中传播的光速)则下列说法正确的是(　　) A.飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为1.5c B.飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为0.5c C.在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是c D.在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c 答案　D 解析　根据爱因斯坦的光速不变原理可知，光在真空中不同的惯性参考系中传播速度都是c，则观察者在地面上任何地方和在飞船中观测光的速度均为c，故选D。 二、时空相对性　时空弯曲 (1)一对孪生兄弟，其中一个在坐了长时间的宇宙旅行之后归来，发现留在地球上的兄弟变得比自己要老——这就是爱因斯坦相对论中的“孪生子悖论”。这说明地球上的人在观测高速运动的物体时，时间发生了什么变化？ (2)一个球体相对于我们加速运动时，其高度不变，但我们观测到其长度发生了变化，试总结其变化规律。 答案　(1)时间变慢了　(2)速度越大，长度越短 1.时空相对性 (1)同时性的相对性：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。 (2)时间延缓：①经典的时空观：某两个事件，在不同的惯性参考系中观察，它们之间的时间间隔总是相同的。 ②狭义相对论认为“动钟变慢”：时间间隔的相对性公式为Δt'=Δt。 (3)长度收缩：①经典的时空观：一条杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同。 ②狭义相对论认为“动尺变短”：狭义相对论中的长度公式为l'=l，但在垂直于杆的运动方向上，杆的长度不变。 (4)牛顿力学时空观和相对论时空观的区别 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(填“是”或“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。 2.时空弯曲 (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)物质决定时空的弯曲，时空决定物质的运动。 例3　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<vc，则地面的观察者认为走得最慢的钟为(　　) A.a B.b C.c D.无法确定 答案　C 解析　根据公式Δt=可知，钟表相对于地面观察者的速度v越大，其上的时间进程越慢，a放在地面上，在地面上的人看来，a钟走的快慢没有变化。b、c两钟放在两个火箭上，根据爱因斯坦相对论可知，b、c变慢，由于vb<vc，c钟比b钟更慢，所以a钟最快，c钟最慢。故选C。 例4　惯性系S中有一边长为l的正方形，从相对S系沿y方向以接近光速匀速飞行的飞行器上测得该正方形的图像是(如图所示)(　　) 答案　B 解析　从相对S系沿y方向以接近光速匀速飞行的飞行器上测正方形，根据相对论长度收缩效应可知，沿y轴方向正方形边长缩短，而沿x轴方向正方形边长没有改变，故选B。 三、宇宙起源和演化 1.古代宇宙模型 (1)在古代中国：“盖天说”认为“天圆如张盖，地方如棋局”。 (2)地心说：亚里士多德认识到地球是一个球体，其理论经托勒密等学者的进一步发展形成了“地心说”。 (3)日心说：1543年，哥白尼提出了“日心说”，把宇宙的中心从地球挪向太阳，是人类宇宙观念的一大飞跃。 2.近现代宇宙模型 (1)广义相对论宇宙模型 由弯曲空间构成，没有边界、没有中心，但在整体上是有限的、静态的宇宙。 (2)动态的宇宙模型 ①宇宙中的物质从宇观大尺度来说其分布是均匀的，从各个方向看都是一样的。随着时间的变化，宇宙在不断膨胀。 ②哈勃通过观测发现遥远的星系在彼此远离，说明宇宙正在膨胀，这为动态宇宙模型的观点提供了有力的证据。 (3)两种对立的理论： ①稳恒态宇宙模型：随着宇宙膨胀，新的物质会不断产生，使宇宙总密度不变，从而令宇宙在任何时候看上去都基本不变化。 ②大爆炸理论：宇宙起源于约138亿年前一个体积无限小、密度无限大、温度无限高、时空曲率无限大的奇点。宇宙“爆炸”之后不断膨胀，导致温度和密度迅速下降。随着温度降低，逐步形成电子、质子、中子、原子核、原子和分子，并复合成为气体。气体逐渐凝聚成星云，星云进一步形成各种各样的恒星和星系，最终形成我们如今所看到的宇宙。 3.宇宙学的新进展 科学家们观测到的宇宙微波背景辐射，被誉为20世纪60年代的四大发现之一，该发现荣获1978年诺贝尔物理学奖。 天文学家在研究宇宙减速因子时意外发现宇宙在加速膨胀，宇宙主要由暗物质和暗能量组成，该发现荣获2011年诺贝尔物理学奖。 2016年激光干涉引力波天文台科学合作组织宣布探测到引力波，更是打开了宇宙研究的新窗口。 2017年，中国暗物质粒子探测卫星“悟空”获得高精度的高能电子宇宙线能谱，为暗物质研究提供了新的观测资料。 学科网（北京）股份有限公司 $$