第5章 第1～3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）-【新课程学案】2025-2026学年高中物理必修第二册（鲁科版 福建专用）

本高中物理讲义聚焦相对论初步及宇宙探索核心知识点，从经典时空观局限出发，通过迈克尔孙—莫雷实验引入狭义相对论基本假设，系统梳理时间延缓、长度收缩效应及质能、质速关系，最终扩展到广义相对论时空弯曲与宇宙起源演化，构建从基础概念到应用的学习支架。 该资料以“逐点清”结构整合多维度理解、典例分析与分层练习，通过对比经典与相对论时空观帮助学生形成物理观念，结合火箭长度测量等实例培养科学推理能力，融入宇宙探索内容渗透科学态度与责任。课中辅助教师系统授课，课后助力学生巩固知识、查漏补缺。

　第5章　科学进步无止境 第1~3节　初识相对论 相对论中的神奇时空 探索宇宙的奥秘 (强基课逐点理清物理观念) 课标要求 层级达标 1.初步了解相对性原理和光速不变原理。 2.知道牛顿力学的局限性，体会人类对自然界的探索是不断深入的。 3.初步了解相对论时空观。 4.关注宇宙起源和演化的研究进展。 学考 层级 1.初步了解相对论时空观的内涵，尝试建立初步的相对论时空观。 2.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。 选考 层级 1.知道研究高速世界需要构建物理模型；知道科学推理与大胆想象的重要性；知道创新对科学进步的重要意义。 2.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。 逐点清(一) 初识相对论 [多维度理解] 1.迈克尔孙—莫雷实验 (1)经典物理学家曾认为，“以太”是光波的传播介质，这种介质绝对静止、密度极小、硬度极大、完全透明，充满宇宙空间，渗透于一切物体。 (2)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。 2.狭义相对论的两个基本假设 (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)。 　　[微点拨] 1.经典时空观 经典时空观又叫绝对时空观，认为绝对的时间自身在流逝着，因其本性而在均匀地、与任何外界无关地流逝着；绝对的空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关的，永远是相同和不动的。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.相对论时空观 狭义相对论中的两个基本假设包含了不同于经典力学的新时空观，即相对论时空观，这种时空观认为绝对的时间和绝对的空间是不存在的，时间、空间与物质及其运动都有密切的联系；同时，时间和空间之间也有着紧密的联系。 [全方位练明] 1.判断下列说法是否正确。 (1)经典的物理学中，速度的合成与分解应用平行四边形定则。 (√) (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。 (√) 2.经典力学的基础是牛顿运动定律，但它也有自己的局限性，以下说法正确的是 (　 ) A.经典力学适用于研究接近光速运行的物体的规律 B.经典力学一般不适用于微观粒子 C.经典力学和相对论是完全对立的 D.研究在高速公路上行驶的汽车的运动规律不适用牛顿运动定律 解析：选B　经典力学适用于研究宏观低速物体的运动，而不适用研究接近光速运行的物体的规律，选项A错误；经典力学适用于研究宏观低速物体的运动，一般不适用于微观粒子，选项B正确；相对论是在经典力学的基础上发展起来的，不是对经典力学的全面否定，选项C错误；研究在高速公路上行驶的汽车的运动规律适用牛顿运动定律，选项D错误。 3.地面上的观察者测得真空中的光速为v1，在匀速直线运动的列车内，观察者测得真空中的光速为v2，根据狭义相对论，下列判断正确的是 (　 ) A.v1>v2　　　　　　　　 B.v1<v2 C.v1=v2 D.无法确定 解析：选C　根据狭义相对论光速不变原理，光在真空中总是以确定的速度传播，速度的大小同光源的运动状态无关，在真空中的各个方向上，光信号传播速度的大小均相同，光速同光源的运动状态和观察者所处的惯性系无关，可知v1=v2。故选C。 逐点清(二) 时间延缓效应和长度收缩效应 [多维度理解] 1.时间延缓效应 对同一个物理事件，在相对静止的参考系中观测所经历的时间为τ0，在高速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 若一把刻度尺，相对它静止的观测者测量其长度为l0，沿它长度方向以速度v相对运动的观测者测量其长度为l，则有l=l0。 　　[典例]　一支静止时长度为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? [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与静止时测得的火箭的长均是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'=30×≈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。 [答案]　(1)约30 m　(2)30 m　(3)约26 m (4)约1 min 　　[易错提醒] 相对时空观的“相对性” (1)长度的相对性(动尺缩短)，是“同时”的相对性带来的一个普遍的时空属性，它与物体的具体组成和结构无关，当物体运动速度越接近光速，这种收缩效应就变得越显著。 (2)“动钟变慢”(时间膨胀)是两个不同惯性系进行时间比较的一种效应，不要误认为是时钟的结构或精度因运动而发生了变化。 “动尺缩短”“动钟变慢”是相对的，由于两个惯性参考系是平等的，在它们上面的观测者都将发现对方的“尺缩”或“钟慢”了。 [全方位练明] 1.(双选)A、B两架飞机沿地面上一足球场的长度方向在其上空高速飞过，且vA>vB，对于在飞机上的人观察的结果，下列说法正确的是 (　 ) A.A飞机上的人观察到足球场的长度比B飞机上的人观察到的大 B.A飞机上的人观察到足球场的长度比B飞机上的人观察到的小 C.两飞机上的人观察到足球场的长度相同 D.两飞机上的人观察到足球场的宽度相同 解析：选BD　因为当一个惯性参考系的速度比较大时，根据l=l0知，沿飞行方向长度减小，而且速度越大，长度越小，故A、C错误，B正确；而垂直于运动方向上，宽度是不随速度而变化的，故D正确。 2.如果飞船以0.75c的速度从你身边飞过，飞船上的人看飞船上的一个灯亮了10 min，你观测到这个灯亮的时间约为多少? 解析：设观测灯亮的时间为τ，则 τ== min≈15 min。 答案：约15 min 逐点清(三) 质能关系和质速关系 [多维度理解] 1.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。 2.质速关系 在经典物理学中，物体的质量与运动无关。但是基于相对论和其他物理原理，可推出物质的质量是变化的，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为m=。 　　[典例]　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，当把电子加速到c时，设电子的静止质量是m0。求： (1)加速之后，电子的质量增加多少； (2)加速之后，电子的能量多大。 [解析]　(1)设电子加速之后的质量为m。 由相对论的质速关系m=，当v=c时，得电子加速之后的质量m=m0，则加速之后电子的质量增加量Δm=m-m0=m0。 (2)加速之后，电子的动能等于电子加速之后的能量与静止的能量之差。 电子静止时的能量E0=m0c2，由m=m0得电子加速之后的能量E=m0c2。 [答案]　(1)m0　(2)m0c2 　　[思维建模] 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。 [全方位练明] 1.对于公式m= ，下列说法中不正确的是 (　 ) 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 解析：选B　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。 2.为了直接验证爱因斯坦狭义相对论中著名的质能方程E=mc2，科学家用中子轰击铀原子，分别测出原子捕获中子前后质量的变化以及核反应过程中放出的能量，然后进行比较，精确验证了质能方程的正确性。设捕获中子前的原子质量为m1，捕获中子后的原子质量为m2，被捕获的中子质量为m3，核反应过程放出的能量为ΔE，则这一实验要验证的关系式是 (　 ) A.ΔE=(m1-m2-m3)c2 B.ΔE=(m1+m3-m2)c2 C.ΔE=(m2-m1-m3)c2 D.ΔE=(m2-m1+m3)c2 解析：选B　核反应过程：释放能量，质量一定减少，质量的减少量Δm=m1+m3-m2，由质能关系式得ΔE=(m1+m3-m2)c2。 逐点清(四) 时空弯曲　宇宙的起源与演化 [多维度理解] 1.时空弯曲 (1)爱因斯坦认为加速运动和动力作用对轨迹的弯曲是等效的。如果加速能使光线弯曲，那么引力也能使光线弯曲。 (2)按照广义相对论，光线在引力场中的弯曲可等效为空间本身被引力弯曲了。引力不但影响空间，还影响时间，此影响可描述为时空弯曲。 2.探索宇宙的奥秘 (1)宇宙的起源 “大爆炸”宇宙模型认为，宇宙起源于一个“奇点”，在该奇点，温度为无限高，物质密度为无限大，即发生宇宙大爆炸之后，宇宙不断膨胀，温度不断降低。 (2)宇宙的演化 通过观测和理论分析，科学家推测宇宙的大部分都是由暗物质和暗能量组成的，但是人类对暗物质和暗能量的本质至今仍不了解，现有的天文观测资料不能确定宇宙的未来将走向何处，这有待于人类的进一步探索。 3.永不停息的探索 (1)2016年，我国落成启用了世界上最大单口径、最灵敏、具有我国自主知识产权的射电望远镜——“中国天眼”。 (2)宇宙茫茫无际，人类的探索也不会停止，为了摆脱大气层对天文观测的影响，人类先后发射了许多人造卫星及宇宙飞行器用于天文观测。 (3)引力波开启了探索宇宙的新窗口，它可让我们倾听宇宙，了解宇宙。 [全方位练明] 1.判断下列说法是否正确。 (1)爱因斯坦认为引力可使光线发生弯曲。 (√) (2)“大爆炸”宇宙模型是描述宇宙起源与演化的一种学说。 (√) (3)爱因斯坦预言了“引力波”的存在，2015年人类观测到两个黑洞合并为一个黑洞时产生的引力波信号。 (√) 2.几年前，全球多国科学家同步举行新闻发布会，宣布人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波，并同时“看到”这一壮观宇宙事件发出的电磁信号。在物理学中，引力波是指时空弯曲中的涟漪，通过波的形式从辐射源向外传播，这种波以引力辐射的形式传输能量。这一重大发现验证的科学理论是 (　 ) A.经典力学　　　　　　　 B.量子理论 C.狭义相对论 D.广义相对论 解析：选D　经典力学、量子理论和狭义相对论的内容与材料内容不符，选项A、B、C错误；从材料中的“引力波”和“时空弯曲”等内容可知，材料反映的科学理论是爱因斯坦的广义相对论，选项D正确。 3.如今关于宇宙起源的主流理论是宇宙大爆炸论(宇宙是由一个致密炽热的奇点于138亿年前一次大爆炸后膨胀形成的。大爆炸论认为宇宙曾有一段从热到冷的演化史：在这个时期里，宇宙体系在不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化)。支持宇宙大爆炸论的三个主要证据：星系红移；氦元素丰度；宇宙背景微波辐射。这三个证据都是被现代科学证明了的。对此，下列认识正确的是 (　 ) ①宇宙的存在与发展是客观的 ②可论证、可证明是物质的唯一特性 ③宇宙大爆炸论从一个角度说明自然是物质的 ④宇宙大爆炸论是第一性的，宇宙存在是第二性的 A.①② B.①③ C.②④ D.③④ 解析：选B　支持宇宙大爆炸论的三个主要证据：星系红移；氦元素丰度；宇宙背景微波辐射。这三个证据都是被现代科学证明了的，这表明宇宙的存在与发展是客观的，宇宙大爆炸论从一个角度说明自然是物质的，①③正确；客观实在性是物质的唯一特性，②错误；宇宙大爆炸论是第二性的，宇宙存在是第一性的，④错误。 学科网（北京）股份有限公司 $