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-【金版新学案】2025-2026学年高中物理必修第二册同步课堂高效讲义教师用书（鲁科版）

本讲义聚焦相对论与宇宙探索核心知识点，系统梳理狭义相对论的相对性原理和光速不变原理，深入讲解时间延缓、长度收缩效应及质能、质速关系，进而延伸至宇宙起源的大爆炸模型和演化探索，构建从基础原理到时空效应再到宇宙应用的递进式学习支架。 该资料通过对比经典与相对论速度合成的问题设计（如小球和光源速度观测）培养科学推理能力，结合“中国天眼”等案例渗透科学态度与责任，配套判断正误、针对练等环节强化科学思维。课中助力教师高效授课，课后帮助学生回顾知识、查漏补缺，提升学习效果。

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 【素养目标】 物理观念 知道狭义相对论关于时空相对性的主要结论，初步了解时空弯曲现象，关注宇宙的起源和演化的过程。 科学思维 了解时间延缓效应和长度收缩效应的主要内容，会应用相对论的几个主要结论进行简单的计算，体会科学推理与大胆想象的重要性。 科学态度与责任 通过学习，体会科学理论既具有相对稳定性，又是不断发展完善的。培养学生关注宇宙、关注地球、关注人类的科学观念。 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c都一样(c＝3×108 m/s)。基于这两条基本原理所建立的理论叫作狭义相对论。 二、相对论中的神奇时空 1.时间延缓效应 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 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 爱因斯坦对质量和能量给出了如下关系式：E＝mc2或ΔE＝Δmc2。 4.质速关系 经典物理学中，物体的质量与运动无关。从相对论的角度看，物质的质量则是变化的。当物体相对于某惯性参考系静止时，它具有最小的质量m0，这个质量叫作静止质量。当物体以速度v相对该惯性参考系运动时，在该惯性参考系观测它的质量m＝ 。 5.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。 学生用书⬇第107页 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。 判断正误 (1)经典物理学认为，时间和空间与物质及其运动无关，并且时间和空间是完全独立的。 (√) (2)在不同的惯性系中，在不同的方向上，光的传播速度大小是不同的。 (×) (3)在高速世界中，运动的时钟会变慢，而在低速世界中这种效应可以忽略。 (√) (4)大爆炸宇宙模型认为宇宙起源于一个“奇点”。 (√) (5)科学家还没有证据证明黑洞的存在 (×) 知识点一　经典的相对性原理与狭义相对论 (1)如图所示，小球相对于参考系O以速度v0向右抛出，人相对于参考系O'静止，当参考系O'相对于参考系O静止、以速度v向右运动和以速度v向左运动时，人观察到小球的速度分别为多大？ (2)如图所示，光源相对于参考系O静止，人相对于参考系O'静止，当参考系O'相对于参考系O静止、以速度v向右运动和以速度v向左运动时，人观察到的光源发出光的传播速度分别为多大？ 提示：(1)分别为v0、v0－v、v0＋v (2)人观察到的光速都是c 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。 学生用书⬇第108页 2.惯性系与非惯性系的确定：我们通常选取大地为惯性系，相对于地面静止或做匀速运动的物体都是惯性系，相对于地面做变速运动的物体都是非惯性系。 3.光的传播速度与惯性系的选取无关。在任何情况下，真空中的光速都是c。 关于狭义相对论，下列说法不正确的是(　　) A.狭义相对论认为在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的 B.狭义相对论认为在一切惯性系中，光在真空中的速度都等于c，与光源的运动无关 C.狭义相对论只涉及无加速运动的惯性系 D.狭义相对论任何情况下都适用 答案：D 解析：根据狭义相对论的基本假设可知，故A、B正确；狭义相对论只涉及惯性参考系，不涉及非惯性参考系，故D错误，C正确。 针对练.以下说法中正确的是(　　) A.经典物理中的速度合成公式在任何情况下都是适用的 B.经典物理规律也适用于高速运动的物体 C.力学规律在一个静止的参考系和一个匀速运动的参考系中是不等价的 D.力学规律在任何惯性系里都是等价的 答案：D 解析：在所有惯性系中，一切力学规律都是等价的，故D正确，C错误；经典物理规律是狭义相对论在低速状态下的一个近似，所以经典物理规律只适用于低速运动的物体，而经典物理中的速度合成公式也只适用于低速情况，故A、B均错误。 知识点二　相对论的时空观 (1)运动物体的长度(空间距离)和物理过程的快慢(时间进程)都跟物体的运动状态有关。实际上物体长度和时间的长度真的变化了吗？ (2)如果你使一个物体加速、加速、再加速，它的速度会增加到等于光速甚至大于光速吗？ 提示：(1)没有，这只是一种观测效果 (2)不能。因为物体的质量随速度的增大而增大，假若物体的速度趋近于光速，这时物体的质量会趋近于无穷大，故不可能把物体的速度增大到等于光速，当然更不可能大于光速，因为光速是速度的最大值。 1.两个效应 (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，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l之间的关系：l'＝l，由于v＜c，所以l'＜l。这种长度观测效应被称为长度收缩。 2.两种关系 (1)质速关系 ①在经典力学中，物体的质量与物体的运动无关，但在相对论中，运动物体的质量随其运动速度的变化而变化。 ②关系式：m＝其中m为物体的运动质量，m0为静止质量，v为物体相对惯性系的运动速度。 学生用书⬇第109页 (2)质能关系 ①按照相对论及基本力学定律可推出质量和能量有如下关系：E＝mc2，这就是著名的质能关系式。 ②质量和能量是物质不可分离的属性，当物质的质量减少或增加时，必然伴随着能量的减少或增加，其关系为ΔE＝Δmc2。 两种“效应” 一支静止时30 m的火箭以3 km/s的速度从观察者的身边飞过。 (1)观察者测得火箭的长度应为多少？ (2)火箭上的人测得火箭的长度应为多少？ (3)如果火箭的速度为光速的二分之一，观察者测得火箭的长度应为多少？ (4)火箭内完好的手表走过了1 min ，地面上的人认为经过了多少时间？ 思路点拨：解此题的关键是理解公式l＝l0、τ＝中各符号的意义。 答案：(1)约30 m　(2)30 m　(3)约26 m　(4)约1 min 解析：火箭上的人相对火箭永远是静止的，无论火箭速度是多少，火箭上的人测得火箭长度与静止时测得的火箭的长度均是l0＝30 m，而火箭外面的观察者看火箭时，有相对速度v，则它的测量值要缩短，即l＜l0，由l＝l0，当v＝3×103 m/s时，l＝30× m≈30 m，当v＝时，l≈26 m。火箭上时间τ0＝1 min ，火箭的速度v＝3 km/s，所以地面上观测到的时间τ＝＝ min≈1 min。 两种“关系” 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？ 答案：(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。 针对练1.(多选)接近光速飞行的飞船和地球上各有一只相同的铯原子钟，飞船和地球上的人观测这两只钟的快慢，下列说法正确的有(　　) A.飞船上的人观测到飞船上的钟较快 B.飞船上的人观测到飞船上的钟较慢 C.地球上的人观测到地球上的钟较快 D.地球上的人观测到地球上的钟较慢 答案：AC 解析：由狭义相对论“动钟变慢”原理可知，飞船上的人认为地球上的钟是运动的，而飞船上的钟是静止的，所以飞船上的人观测到飞船上的钟较快，地球上的钟较慢，A正确，B错误；地球上的人认为地球上的钟是静止的，而飞船上的钟是运动的，所以地球上的人认为飞船上的钟较慢，地球上的钟较快，C正确，D错误。 针对练2.(多选)甲在接近光速的火车上看乙手中沿火车前进方向放置的尺子，同时乙在地面上看甲手中沿火车前进方向放置的尺子，则下列说法正确的是(　　) A.甲看到乙手中的尺子长度比乙看到自己手中的尺子长度大 B.甲看到乙手中的尺子长度比乙看到自己手中的尺子长度小 C.乙看到甲手中的尺子长度比甲看到自己手中的尺子长度大 D.乙看到甲手中的尺子长度比甲看到自己手中的尺子长度小 答案：BD 解析：对甲来说，他看到火车内的尺子是静止的，故长度为公式中的l，他观察到乙手中的尺子是运动的，看到的长度相当于公式中的l'，由l'＝l，得l'＜l，故甲看到乙手中的尺子长度比乙看到自己手中的尺子长度小，故A错误，B正确；同理，乙看到自己手中的尺子是静止的，长度为l，他观察到甲手中的尺子是运动的，看到的长度为l'，由l'＝l 得l'＜l，故乙看到甲手中的尺子长度比甲看到自己手中尺子长度小，故C错误，D正确。 针对练3.设宇宙射线粒子的能量是其静止能量的k倍。则粒子运动时的质量等于其静止质量的　　　　倍，粒子运动速度是光速的　　　　倍。 答案：k　 解析：由E＝mc2得＝，所以m＝km0。 由m＝＝＝k， 得v＝c。 学生用书⬇第110页 1.(多选)一列很长的火车在沿平直车道飞快地匀速行驶，车厢中央有一个光源发出了一个闪光，闪光照到车厢的前壁和后壁。对这两个事件说法正确的是(　　) A.车上的观察者认为两个事件是同时的 B.车上的观察者认为光先到达后壁 C.地面上的观察者认为两个事件是同时的 D.地面上的观察者认为光到达前壁的时刻晚些 答案：AD 解析：因为车厢是个惯性系，光向前、后传播的速度相同，光源又在车厢的中央，闪光当然会同时到达前、后两壁，A对。地面上的观察者认为地面是一个惯性系，闪光向前、后传播的速度相对地面也是相同的，但闪光飞向两壁的过程中，车厢向前行进了一段距离，所以向前的光传播的路程长些，到达前壁的时间也就晚些，故D也正确。 2.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 答案：D 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。所以壮壮观测到该光束的传播速度为c，所以A、B、C错误，D正确。 3.惯性系S中有一边长为l的正方形，从相对惯性系S沿x方向以接近光速匀速飞行的飞行器上测得此正方形的图形是(　　) 答案：C 解析：根据相对性原理，在飞行器上观察，正方形沿x方向上会出现长度收缩效应，而在垂直于运动方向上则不会出现长度收缩效应，故C正确。 4.在一个飞船上测得飞船的长度为100 m，高度为10 m，当飞船以0.6c的速度从你身边经过时，按你的测量，飞船的高度和长度各为多少？ 答案：10 m　80 m 解析：因为长度收缩只发生在运动的方向上，在垂直于运动的方向上的长度没有这种效应，故飞船的高度仍为10 m， 若测得飞船的长度为l，由长度收缩效应知 l＝l0＝100× m＝80 m。 学科网（北京）股份有限公司 $