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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　　　　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　　　　。
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
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
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。
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'=　　　　　　　　。
(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。
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。
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vbA.a B.b
C.c D.无法确定
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)(　　)
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“　　　　”。
(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。
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。
(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。
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。
答案精析
一、
1.(1)相同　(2)相同
例1　BD　[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　D　[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、
(1)时间变慢了　(2)速度越大，长度越短
梳理总结
1.(1)不同时的　(2)①相同　②Δt
(3)②l　不变　(4)脱离　没有　有物质　物质的运动状态　不是
2.(1)弯曲　强　(2)变慢　(3)弯曲　时空
例3　C　[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例4　B　[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、
1.(2)地心说　(3)日心说
2.(1)边界　中心　有限的　静态的　(2)①均匀　一样
膨胀　②哈勃　(3)②小　大　高　大　膨胀　下降　恒星　星系
3.微波背景辐射　加速　暗物质　暗能量　引力波　悟空(共23张PPT)
DIWUZHANG
第五章
第二节　相对论时空观　
第三节　宇宙起源和演化
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
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
狭义相对论
一
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。
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时空相对性　时空弯曲
二
(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vbA.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　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。
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√
宇宙起源和演化
三
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。
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