资源简介

5.4-5.5 走近广义相对论 无穷的宇宙
[学习目标定位]　1.了解广义相对论的两个基本原理.2.初步了解广义相对论的几个结论及主要观测证据.3.了解宇宙的演化．
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1．超重：在一个具有向上的加速度的系统中，物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)大于物体所受重力的现象．
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2．广义相对论的两条基本原理
(1)广义相对性原理：在任何参考系中(包括惯性参考系)，物理过程和规律都是相同的．
(2)等效原理：一个均匀引力场与一个做加速运动的参考系等价．
3．广义相对论的预言与证实
天体间的引力作用使时空弯曲，引力场存 ( http: / / www.21cnjy.com )在时，光线弯曲、光在传播时频率变低(引力红移)，这些结论通过宇宙中观测到的一些现象(比如：行星轨道不是严格封闭的，宇宙中的“海市蜃楼”、太阳光谱中的钠谱线的引力红移等)得到证实．
4．无穷的宇宙
关于宇宙的起源，目前比较 ( http: / / www.21cnjy.com )有影响的理论是物理学家伽莫夫的宇宙大爆炸学说．该理论认为，宇宙从最初的温度极高、密度极大、体积极小开始，随着爆炸的发生，不断地向各个方向迅速膨胀．
宇宙演化的过程是：从粒子到恒星到黑洞.
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一、广义相对论的两个基本原理
[问题设计]
乘电梯时，当电梯开始启动上升时，你有什么感受？如果电梯一直加速上升，你又会有什么感受？
答案　电梯启动实际上是一 ( http: / / www.21cnjy.com )个加速过程，正是这个加速度使你感到被向下压，产生沉重的感觉，即出现超重．也就是说，在电梯加速上升时，好像地球对你的引力增加了，因此，我们完全可以认为，电梯这个加速参考系就相当于给你加上了一个均匀向下的引力．
[要点提炼]
　广义相对论的两个基本原理
1．广义相对性原理：在任何参考系中(包括惯性参考系)，物理过程和规律都是相同的．
2．等效原理：一个均匀引力场与一个做加速运动的参考系等价．
INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\左括.TIF" \* MERGEFORMATINET 例1 INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\右括.TIF" \* MERGEFORMATINET 　假如宇宙飞船是全封闭的，航天员与外界没有任何联系．但是航天员观察到，飞船内没有支撑的物体都以某一加速度落向舱底．根据这一现象航天员能判断飞船处于某一星球表面吗？
解析　飞船内没有支撑的物体都以某一加 ( http: / / www.21cnjy.com )速度落向舱底的原因可能是飞船正在向远离任意天体的空间加速飞行，也可能是由于飞船处于某个星球的引力场中．实际上飞船内部的任何物理过程都不能告诉我们飞船到底是加速运动还是停泊在某个行星的表面．
答案　不能
二、广义相对论的预言与证实
[问题设计]
你知道广义相对论的一些有趣的结论吗？
答案　时空弯曲、光线弯曲、引力红移
[要点提炼]
　广义相对论的几个结论
1．时空弯曲：广义相对论认为，时空不是 ( http: / / www.21cnjy.com )平直的，而是弯曲或“扭曲”的，扭曲的根本原因在于时空中物质的质量或能量的分布．如果质量越大，时空弯曲的程度也就越大．
2．光线弯曲：在引力场存在的情况下，光线是沿弯曲的路径传播的．
3．引力红移：在强引力场中，时钟要走得慢些．因此，光在引力场中传播时，它的频率会变低，波长会变长．
INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\左括.TIF" \* MERGEFORMATINET 例2 INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\右括.TIF" \* MERGEFORMATINET 　按照爱因斯坦的广义相对论，下列说法中正确的是(　　)
A．天体之间的引力作用是时空弯曲的原因
B．光线经过太阳附近时会发生弯曲
C．氢原子发射的光从太阳传播到地球时，它的频率要比地球上氢原子发射的光的频率低
D．光在真空中是沿直线传播的
解析　根据广义相对论，物质的引力会使光线 ( http: / / www.21cnjy.com )弯曲，引力越强，弯曲越厉害，因此在地球上看到的星体位置与实际位置不符．在强引力的星球附近时间进程会变慢，光线的波长变长，频率变小，故A、B、C正确，D错误．
答案　ABC
三、无穷的宇宙
[问题设计]
关于宇宙起源，目前比较有影响的理论是什么？
答案　比较有影响的理论是宇宙大爆炸学说 ( http: / / www.21cnjy.com )，即我们的宇宙是从一个尺度极小的状态发展演化出来的.1929年美国天文学家哈勃发现银河系以外的大多数星系都在远离我们而去，距离越远，离开的速度越大，后来的分析表明，这是由于我们所处的宇宙正在膨胀，因此星系间距离在不断增大，在任何地方看起来，其他星系都在远离自己．
[要点提炼]
1．宇宙的起源
(1)关于宇宙起源，目前最有影响的理论是宇宙的大爆炸学说．
(2)宇宙大爆炸的证据：宇宙空间存在当时产生的微波辐射．
2．宇宙的演化
(1)天文学家哈勃用望远镜对远距离星云观测时 ( http: / / www.21cnjy.com )发现遥远的恒星发出的光谱线普遍存在“红移”现象．这一现象表明：那些恒星正离我们远去，也说明星系系统处于一种膨胀状态．
(2)在宇宙演化过程中，黑洞是恒星演化的结果．
(3)黑洞本身不能发出光线，所以不可能直接显示它的存在．但是，可以观察到它巨大的引力场对周围物质产生的效应．
INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\左括.TIF" \* MERGEFORMATINET 例3 INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\右括.TIF" \* MERGEFORMATINET 　观察遥远的恒星发出的光谱会出现“引力红移”说明什么？
答案　根据多普勒效应，如果恒星 ( http: / / www.21cnjy.com )向着我们运动，光的颜色偏蓝；如果恒星离我们而去，光的颜色偏红．遥远的恒星发出的光谱与地球上同种物质的光谱相比，其波长变长，即向红色的一端移动，这说明：不管往哪个方向看，远处的星系正急速地远离我们而去．
INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\课堂要点小结.TIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\课堂要点小结.TIF" \* MERGEFORMATINET
( http: / / www.21cnjy.com )
INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\自我检测区.TIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\自我检测区.TIF" \* MERGEFORMATINET
1．宇宙的大爆炸学说是俄裔美国物理学家______提出的．
答案　伽莫夫
2．黑洞是________演化的结果．
答案　恒星
3．广义相对论的两个基本原理是指(　　)
A．光速不变原理
B．广义相对性原理
C．等效原理
D．同时的相对性
答案　BC
解析　根据广义相对论基本原理内容．
4．下列说法中正确的是(　　)
A．物质的引力使光线弯曲
B．光线弯曲的原因是由于介质不均匀而非引力作用
C．在强引力的星球附近，时间进程会变慢
D．广义相对论可以解释引力红移现象
答案　ACD
解析　由广义相对论的几个结论可知A、C、D正确．第5章 新时空观的确立
( http: / / www.21cnjy.com )
一、时空的相对性
1．同时的相对性
在经典物理学中，如果两个事件在一个参考系中认为是同时的，在另一个参考系中一定也是同时的；而根据狭义相对论的时空观，同时是相对的．
2．时间间隔的相对性
与运动的惯性系相对静止的人认为两个事件时间间隔为Δt′，地面观察者测得的时间间隔为Δt，则两者之间关系为Δt＝.
3．长度的相对性
(1)如果与杆相对静止的人认为杆长是l′，与杆相对运动的人认为杆长是l，则两者之间的关系为l＝l′.
(2)一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度短．
例1　如图1所示，你站在一条长木杆的中央附近，看到木杆落在地上时是两头同时着地．所以，你认为这木杆是平着落到了地上．而此时飞飞小姐正以接近光速的速度沿AB方向从木杆前面掠过，她看到B端比A端先落到地上，因而她认为木杆是向右倾斜着落地的．她的看法是否正确？
图1
解析　在静止的参考系中，A、B两端同时落地，而飞飞是运动的参考系，在她看来，沿运动方向靠前的事件先发生．因此B端先落地．
答案　正确
例2　某列长为100 m的火车，若以v＝2.7×108 m/s的速度做匀速直线运动，则对地面上的观察者来说其长度缩短了多少？
解析　根据公式l＝l′知，
长度缩短了
Δl＝l′－l＝l′，
代入数据可得
Δl＝56.4 m.
答案　56.4 m
二、相对论速度变换公式
设参考系对地面的运动速度为v，参考系中的物体以速度u′沿参考系运动的方向相对参考系运动，那么物体相对地面的速度u为：u＝.
(1)当物体运动方向与参考系相对地面的运动方向相反时，公式中的u′取负值．
(2)若物体运动方向与参考系运动方向不共线，此式不可用．
(3)由上式可知：u一定比u′＋v小，但当u′ c时，可认为u＝u′＋v，这就是低速下的近似，即经典力学中的速度叠加．
(4)当u′＝v＝c时，u＝c，证明了光速是速度的极限，也反证了光速不变原理．
例3　设想地球上有一观察者测得一宇宙飞船以0.60c的速率向东飞行，5.0 s后该飞船将与一个以0.80c的速率向西飞行的彗星相碰撞．试问：
(1)飞船中的人测得彗星将以多大的速率向它运动？
(2)从飞船中的时钟来看，还有多少时间允许它离开航线，以避免与彗星碰撞？
解析　(1)取地球为S系， ( http: / / www.21cnjy.com )飞船为S′系，向东为x轴正向．则S系相对S′系的速度v＝－0.60c，彗星相对S系的速度ux＝－0.80c.由相对论速度变换公式可求得慧星相对飞船的速率ux′＝＝－0.946c，即彗星以0.946c的速率向飞船靠近．
(2)把t0＝t0′＝0时的飞船状态 ( http: / / www.21cnjy.com )视为一个事件，把飞船与彗星相碰视为第二个事件．这两个事件都发生在S′系中的同一地点(即飞船上)，地球上的观察者测得这两个事件的时间间隔Δt＝5.0 s，根据时钟延缓效应可求出Δt′，由Δt＝＝5.0 s，解得Δt′＝4.0 s，即从飞船上的时钟来看，还有4.0 s的时间允许它离开原来的航线．
答案　(1)0.946c　(2)4.0 s
三、质速关系和质能关系
1．质速关系
物体的质量会随物体的速度的增大而增加，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m＝.
(1)v c时，()2＝0此时有m＝m0，也就是说：低速运动的物体，可认为其质量与物体的运动状态无关．
(2)物体的运动速率无限接近光速时，其相对论质量也将无限增大，其惯性也将无限增大．其运动状态的改变也就越难，所以超光速是不可能的．
2．质能关系
(1)相对于一个惯性参考系，以速度v运动的物体其具有的能量
E＝mc2＝＝.
其中E0＝m0c2为物体相对于参考系静止时的能量．
(2)物体的能量变化ΔE与质量变化Δm的对应关系为ΔE＝Δmc2.
例4　一被加速器加速的电子，其能量为3.00×109 eV，试问
(1)这个电子的动质量是其静质量的多少倍？
(2)这个电子的速率是多少？(m0＝9.1×10－31 kg，c＝3×108 m/s)
解析　(1)由相对论质能关系E＝mc2和E0＝m0c2
可得电子的动质量m与静质量m0之比为
＝＝≈5.86×103.
(2)由相对论质速关系m＝可得
v＝[1－()2]c＝0.999 999 985c.
答案　(1)5.86×103　(2)0.999 999 985c
1．关于质量和长度，下列说法中正确的是(　　)
A．物体的质量与位置、运动状态无任何关系，是物体本身的属性
B．物体的质量与位置、运动状态有关，只是在速度较小的情况下，其影响可忽略不计
C．物体的长度与运动状态无关，是物体本身的属性
D．物体的长度与运动状态有关，只是在速度较小的情况下，其影响可忽略不计
答案　BD
解析　由相对论原理可知B、D正确．
2．如图2所示，假设一辆由超强力电池供电 ( http: / / www.21cnjy.com )的摩托车和一辆普通有轨电车，都被加速到接近光速；在我们的静止参考系中进行测量，哪辆车的质量将增大(　　)
图2
A．摩托车 B．有轨电车
C．两者都增加 D．都不增加
答案　B
解析　在相对论中普遍存在一种误解， ( http: / / www.21cnjy.com )即认为运动物体的质量总是随速度增加而增大；当速度接近光速时，质量要趋于无穷大．其实物体质量增大只是发生在给它不断输入能量的时候，而不一定是增加速度的时候．对有轨电车，能量通过导线从发电厂源源不断输入，而摩托车的能源却是它自己带的．有能量不断从外界输入有轨电车，但没有能量从外界输给摩托车．能量对应于质量，所以有轨电车的质量将随速度增加而增大，而摩托车的质量不会随速度增加而增大．
3．火箭以c的速度飞离地球，在火 ( http: / / www.21cnjy.com )箭上向地球发射一束高能粒子，粒子相对地球的速度为c，其运动方向与火箭的运动方向相反．则粒子相对火箭的速度大小为(　　)
A.c B.
C.c D.
答案　C
解析　由u＝，可得－c＝
解得u′＝－c，负号说明与v方向相反．
4．一个以2×108 m/s的速度运动着的球，半径为a，试分析静止着的人观察球会是什么样的形状？
答案　长轴为2a，短轴为1.49a的椭球体
解析　由长度的相对公式，有l ( http: / / www.21cnjy.com )＝l′，v一定，球沿运动方向上的长度减小，l＝2a·＝2a·＝1.49a，垂直于球运动方向，球的长度不变为2a.因此静止的人观察球的形状会是长轴为2a，短轴为1.49a的椭球体．
5．电子的静止质量m0＝9.11×10－31 kg.
(1)试用焦耳和电子伏为单位来表示电子的静质能．
(2)静止电子经过106 V电压加速后，其质量和速率各是多少？
答案　(1)8.2×10－14 J　0.51 MeV　(2)2.95m0　0.94c
解析　(1)由质能关系得
E0＝m0c2＝9.11×10－31×(3×108)2 J
＝8.2×10－14 J＝ eV＝0.51 MeV.
(2)由能量关系得eU＝(m－m ( http: / / www.21cnjy.com )0)c2，解得m＝＋m0＝ kg＋9.11×10－31 kg＝2.69×10－30 kg＝2.95m0.
结果表明速度已非常大，所以由m＝解得
v＝c＝0.94c.(共35张PPT)
第5章 新时空观的确立
章末总结
网络构建区
新时空观的确立
电磁场理论引发的怪异问题
相
对
论
狭
义
相
对
论
两条公设
(1)爱因斯坦相对性原理
(2) 原理
几个
重要
结论
光速不变
同时的相对性
相对论速度变换公式u＝
时间是相对的Δt＝
新时空观的确立
相
对
论
狭
义
相
对
论
几个
重要
结论
相对长度公式l＝
相对质量公式m＝
质能关系
E＝mc2
相
对
论
广义相对论
两个基本原理
广义相对性原理
等效原理
预言与证实
时空弯曲
光线弯曲
引力 移
无穷的宇宙：宇宙的起源、宇宙的演化
红
专题整合区
一、时空的相对性
二、相对论速度变换公式
三、质速关系和质能关系
一、时空的相对性
1.同时的相对性
在经典物理学中，如果两个事件在一个参考系中认为是同时的，在另一个参考系中一定也是同时的；而根据狭义相对论的时空观，同时是相对的.
2.时间间隔的相对性
与运动的惯性系相对静止的人认为两个事件时间间隔为Δt′，地面观察者测得的时间间隔为Δt，则两者之间
关系为Δt＝ .
3.长度的相对性
(1)如果与杆相对静止的人认为杆长是l′，与杆相对运
动的人认为杆长是l，则两者之间的关系为l＝l′ .
(2)一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度短.
例1　如图1所示，你站在一条长木杆
的中央附近，看到木杆落在地上时是
两头同时着地.所以，你认为这木杆是
平着落到了地上.而此时飞飞小姐正以接近光速的速度沿AB方向从木杆前面掠过，她看到B端比A端先落到地上，因而她认为木杆是向右倾斜着落地的.她的看法是否正确？
图1
解析　在静止的参考系中，A、B两端同时落地，而飞飞是运动的参考系，在她看来，沿运动方向靠前的事件先发生.因此B端先落地.
答案　正确
例2　某列长为100 m的火车，若以v＝2.7×108 m/s的速度做匀速直线运动，则对地面上的观察者来说其长度缩短了多少？
解析　根据公式l＝l′ 知，
长度缩短了Δl＝l′－l＝l′ ，
代入数据可得Δl＝56.4 m.
答案　56.4 m
二、相对论速度变换公式
设参考系对地面的运动速度为v，参考系中的物体以速度u′沿参考系运动的方向相对参考系运动，那么物体相对地面的速度u为：u＝ .
(1)当物体运动方向与参考系相对地面的运动方向相反时，公式中的u′取负值.
(2)若物体运动方向与参考系运动方向不共线，此式不可用.
(3)由上式可知：u一定比u′＋v小，但当u′ c时，可认为u＝u′＋v，这就是低速下的近似，即经典力学中的速度叠加.
(4)当u′＝v＝c时，u＝c，证明了光速是速度的极限，也反证了光速不变原理.
例3　设想地球上有一观察者测得一宇宙飞船以0.60c的速率向东飞行，5.0 s后该飞船将与一个以0.80c的速率向西飞行的彗星相碰撞.试问：
(1)飞船中的人测得彗星将以多大的速率向它运动？
解析　取地球为S系，飞船为S′系，向东为x轴正向.则S系相对S′系的速度v＝－0.60c，彗星相对S系的速度ux＝－0.80c.由相对论速度变换公式可求得慧星相对飞船的速率ux′＝ ＝－0.946c，即彗星以0.946c的速率向飞船靠近.
答案　0.946c
(2)从飞船中的时钟来看，还有多少时间允许它离开航线，以避免与彗星碰撞？
解析　把t0＝t0′＝0时的飞船状态视为一个事件，把飞船与彗星相碰视为第二个事件.这两个事件都发生在S′系中的同一地点(即飞船上)，地球上的观察者测得这两个事件的时间间隔Δt＝5.0 s，根据时钟延缓效应可求出
Δt′，由Δt＝ ＝5.0 s，解得Δt′＝4.0 s，即从
飞船上的时钟来看，还有4.0 s的时间允许它离开原来的航线.
答案　4.0 s
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三、质速关系和质能关系
1.质速关系
物体的质量会随物体的速度的增大而增加，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
m＝ .
(1)v c时，( )2＝0此时有m＝m0，也就是说：低速运动的物体，可认为其质量与物体的运动状态无关.
(2)物体的运动速率无限接近光速时，其相对论质量也将无限增大，其惯性也将无限增大.其运动状态的改变也就越难，所以超光速是不可能的.
2.质能关系
(1)相对于一个惯性参考系，以速度v运动的物体其具有的能量
E＝mc2＝ .
其中E0＝m0c2为物体相对于参考系静止时的能量.
(2)物体的能量变化ΔE与质量变化Δm的对应关系为ΔE＝Δmc2.
例4　一被加速器加速的电子，其能量为3.00×109 eV，试问
(1)这个电子的动质量是其静质量的多少倍？
解析　由相对论质能关系E＝mc2和E0＝m0c2
可得电子的动质量m与静质量m0之比为
≈5.86×103.
答案　5.86×103
(2)这个电子的速率是多少？(m0＝9.1×10－31 kg，c＝3×108 m/s)
解析　由相对论质速关系m＝ 可得
v＝[1－( )2] c＝0.999 999 985c.
答案　0.999 999 985c
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1.关于质量和长度，下列说法中正确的是(　　)
A.物体的质量与位置、运动状态无任何关系，是物体本身的属性
B.物体的质量与位置、运动状态有关，只是在速度较小的情况下，
其影响可忽略不计
C.物体的长度与运动状态无关，是物体本身的属性
D.物体的长度与运动状态有关，只是在速度较小的情况下，其影
响可忽略不计
解析　由相对论原理可知B、D正确.
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2.如图2所示，假设一辆由超强力电池供电的摩托车和一辆普通有轨电车，都被加速到接近光速；在我们的静止参考系中进行测量，哪辆车的质量将增大(　　)
图2
A.摩托车 B.有轨电车
C.两者都增加 D.都不增加
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解析　在相对论中普遍存在一种误解，即认为运动物体的质量总是随速度增加而增大；当速度接近光速时，质量要趋于无穷大.其实物体质量增大只是发生在给它不断输入能量的时候，而不一定是增加速度的时候.对有轨电车，能量通过导线从发电厂源源不断输入，而摩托车的能源却是它自己带的.有能量不断从外界输入有轨电车，但没有能量从外界输给摩托车.能量对应于质量，所以有轨电车的质量将随速度增加而增大，而摩托车的质量不会随速度增加而增大.
答案　B
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3.火箭以 c的速度飞离地球，在火箭上向地球发射一束高能粒子，粒子相对地球的速度为 c，其运动方向与火箭的运动方向相反.则粒子相对火箭的速度大小为(　　)
A. c B. C. c D.
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解析　由u＝ ，可得－ c＝
解得u′＝－ c，负号说明与v方向相反.
答案　C
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4.一个以2×108 m/s的速度运动着的球，半径为a，试分析静止着的人观察球会是什么样的形状？
解析　由长度的相对公式，有l＝l′ ，v一定，
球沿运动方向上的长度减小，l＝2a· ＝
2a· ＝1.49a，垂直于球运动方向，球的
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长度不变为2a.因此静止的人观察球的形状会是长轴为2a，短轴为1.49a的椭球体.
答案　长轴为2a，短轴为1.49a的椭球体
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5.电子的静止质量m0＝9.11×10－31 kg.
(1)试用焦耳和电子伏为单位来表示电子的静质能.
解析　由质能关系得
E0＝m0c2＝9.11×10－31×(3×108)2 J
＝8.2×10－14 J＝ eV＝0.51 MeV.
答案　8.2×10－14 J　0.51 MeV
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(2)静止电子经过106 V电压加速后，其质量和速率各是多少？
解析　由能量关系得eU＝(m－m0)c2，解得m＝ ＋m0
＝ kg＋9.11×10－31 kg＝2.69×10－30 kg＝2.95m0.
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结果表明速度已非常大，所以由m＝
解得v＝c ＝0.94c.
答案　2.95m0　0.94c(共36张PPT)
第5章
新时空观的确立
5.1-5.2 电磁场理论引发的怪异问题 狭义相对论的基本原理
1.理解伽利略相对性原理.
2.了解狭义相对论的两条基本公设.
3.由伽利略变换和洛伦兹变换体会经典物理学的时空观和狭义相对论的时空观的不同.
4.了解同时的相对性和相对论速度变换公式.
学习目标定位
知识储备区
知识链接
1.牛顿运动 匀速直线
知识储备区
2.相同 不变 3.力学 4.相对性 不变
5.绝对 相对 同时
6.
新知呈现
学习探究区
一、电磁场理论引发的怪异问题
二、狭义相对论的两条公设
三、洛伦兹变换、同时的相对性
四、相对论速度变换公式
一、电磁场理论引发的怪异问题
问题设计
1.举例说明电磁场理论与经典物理学存在着尖锐的矛盾.
答案　一辆车对地做匀速直线运动速度为v，若自车厢后壁发出一个闪光，按照经典物理速度合成公式，这个闪光对地的速度为V＝c＋v.但电磁场理论中光在真空中的传播速度为c，并不涉及参考系问题.
2.迈克耳孙—莫雷实验说明了什么？
答案　说明光速c是不变的.
要点提炼
1.按经典物理速度合成公式，一个人在相对地面以速度v运动的车或船上，向前进方向掷出一个相对于自己以速度u运动的球，则球相对地面的速度应为V＝ .
2.对光的传播应用了经典的物理速度合成公式后，得出的结果与电磁场理论中“ ”产生了矛盾.即经典的速度合成公式对电磁学不适用.
u＋v
光在真空中的传播速度为c
3.迈克耳孙—莫雷实验说明：光在任何方向上传播时，相对地球的速度都是 的.也就是说，地球相对于“以太”的速度v实际上为零，或者说“以太”根本 .光速c是 的.
4.伽利略相对性原理：对于 规律来说，一切惯性系都是等价的.
相同
不存在
不变
力学
例1　如图1所示，在列车车厢的光滑水
平底面上有一个质量为m＝5 kg的小球，
正随车厢一起以20 m/s的速度匀速前进.
现在给小球一个水平向前的F＝5 N的拉力作用，求经10 s时，车厢里的观察者和地面上的观察者看到小球的速度分别是多少？
图1
解析　对车厢里的观察者
物体的初速度为0，加速度a＝ ＝1 m/s2
经10 s时，速度v1＝at＝10 m/s.
对地面上的观察者
解法一
物体初速度v0＝20 m/s
加速度相同a＝ ＝1 m/s2
经10 s时，速度v2＝v0＋at＝30 m/s.
解法二
根据速度合成法则
v2＝v1＋v0＝(10＋20) m/s＝30 m/s.
答案　10 m/s　30 m/s
问题设计
二、狭义相对论的两条公设
1.在伽利略变换中，时间和空间是否有关系，它们与物体的运动有无关系？
答案　时间和空间是分离的.时间尺度和空间尺度跟物体运动无关，都是绝对的.
2.面对电磁场理论与经典物理学之间出现的矛盾，爱因斯坦对时间和空间又是怎样理解的？
答案　爱因斯坦认为，空间和时间在本质上是统一的，空间和时间不是分离的.
要点提炼
狭义相对论的两个基本公设
1.爱因斯坦相对性原理：在所有相互做匀速直线运动的惯性参考系中， 都是相同的.
2.光速不变原理：在所有相互做匀速直线运动的惯性参考系中，光在真空中的速度都是相等的.
物理规律
例2　考虑以下几个问题：
图2
(1)如图2所示，参考系O′相对于参考系O静止时，人看到的光速应是多少？
(2)参考系O′相对于参考系O以速度v向右运动时，人看到的光速应是多少？
(3)参考系O′相对于参考系O以速度v向左运动时，人看到的光速又是多少？
解析　光速不变原理指的是真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的.故三种情况下人看到的光速都是c.
答案　(1)c　(2)c　(3)c
返回
问题设计
三、洛伦兹变换、同时的相对性
如图3所示，一列火车沿平直轨道飞快地匀速行驶，车厢中央的光源发出了一个闪光，闪光照亮了车厢的前壁和后壁.车上的人观察到闪光同时照亮了前后壁吗？地上的人怎么认为？
图3
答案　车上的人认为闪光同时照亮了前后壁，地上的人认为先照亮后壁.
要点提炼
1.洛伦兹变换
2.同时的相对性
(1)经典物理学家认为：如果两个事件在一个参考系中是同时发生的，那么在另一个参考系中观察也一定是 发生的.即同时是绝对的，与所在的惯性参考系 .
(2)狭义相对论的时空观认为：同时是 的，即在一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中不一定是同时的，跟观察者所选取的参考系有关.
同时
无关
相对
延伸思考
你能够在v c时，由洛伦兹变换得到伽利略变换吗？
答案　当v c时，公式x＝ 中的 很小近似为
零，故x＝x′＋vt′；公式t＝ 中 也近似为零，则t＝t′.
例3　如图4所示，沿平直铁路线有间距
相等的三座铁塔A、B和C.假想有一列车
沿AC方向以接近光速行驶，当铁塔B发
出一个闪光，列车上的观测者测得A、
C两铁塔被照亮的顺序是(　　)
图4
A.同时被照亮　　　　　　 B.A先被照亮
C.C先被照亮 D.无法判断
解析　列车上的观察者看到的是由B发出后经过A和C反射的光，由于列车在这段时间内向C运动，靠近C而远离A，所以列车上的观察者看到C先被照亮，故只有C正确.
答案　C
返回
问题设计
四、相对论速度变换公式
一列火车正以v＝50 m/s的速度高速行驶，列车内一乘客以相对列车u′＝5 m/s的速度向前跑，站台上的观察者测得该乘客的速度是u＝v＋u′＝55 m/s.若列车的速度是0.9c，乘客的速度是0.5c，那么站台上的观察者测得该乘客的速度为0.9c＋0.5c＝1.4c吗？
答案　不是
要点提炼
相对论速度变换公式
1.公式：设高速行驶的火车的速度为v，车上的人相对火车以速度u′运动，人相对地面的速度为u，则
2.结论：光速c是物体运动速度的 ，且相对任何参考系，光速都是 的.
3.理解：若v c，u′ c时， 可忽略不计，即1±
≈1，相对论速度合成公式可近似变为u＝v±u′.
极限
不变
例4　地球上一观察者，看见一飞船A以速度2.5×108 m/s从他身边飞过，另一飞船B以速度2.0×108 m/s跟随A飞行.求：
(1)A上的乘客看到B的相对速度；
解析　A上的乘客看地面上的人以－2.5×108 m/s向后运动.
地面上的人看B以2.0×108 m/s向前运动，则A上的乘客看到B的相对速度为u＝ ×108 m/s
≈－1.125×108 m/s.
答案　－1.125×108 m/s
(2)B上的乘客看到A的相对速度.
解析　B上的乘客看到A的相对速度为1.125×108 m/s.
答案　1.125×108 m/s
返回
课堂要点小结
1.电磁场
理论引
发的怪
异问题
问题：光在真空中的速度为c，与参考系无关
迈克耳孙—
莫雷实验
目的：证明以太是否存在
结论：以太不存在，光速不变
电磁理论的“缺陷”
伽利略相对性原理
爱因斯坦的观点
课堂要点小结
2.狭义
相对
论的
基本
原理
狭义相对论的两条公设
爱因斯坦相对性原理
光速不变原理
洛伦兹变换
同时的相对性：“同时”是相对的，跟观察者所
选取的参考系有关
相对论速度变换公式：u＝
返回
自我检测区
1
2
3
4
1
2
3
4
1.通常我们把地球和相对于地面静止或匀速运动的参考系看成惯性系，若以下列系统为参考系，则其中属于非惯性系的有(　　)
A.停在地面上的汽车
B.绕地球做匀速圆周运动的飞船
C.在大海上匀速直线航行的轮船
D.以较大速度匀速运动的磁悬浮列车
解析　由惯性系和非惯性系的概念可知选B.
B
1
2
3
4
2.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度运动的惯性系
D.狭义相对论任何情况下都适用
解析　由狭义相对论原理可知D错误.
D
1
2
3
4
3.下列关于经典力学的时空观，正确的是(　　)
A.经典力学的时空观中，同时是绝对的，即在一个参考
系中的观察者在某一时刻观察到的两个事件，对另一
参考系中的观察者来说也是同时发生的
B.在经典力学的时空观中，时间间隔是绝对的，即任何
事件(或物体的运动)所经历的时间，在不同的参考系
中测量都是相同的，而与参考系的选取无关
1
2
3
4
C.在经典力学的时空观中，空间距离是绝对的，即如果
各个参考系中用来测量长度的标准相同，那么空间两
点距离是绝对不变的量值，而与参考系的选取无关
D.经典力学的时空观就是一个绝对的时空观，时间、空
间与物体的运动无关
解析　由经典力学时空观内容可知A、B、C、D正确.
答案　ABCD
1
2
3
4
4.设想有一艘飞船以v＝0.8c的速度在地球上空飞行，如果这时从飞船上沿其运动方向抛出一物体，该物体相对于飞船的速度为0.9c，从地面上的人看来，物体的速度为(　　)
A.1.7c B.0.1c C.0.99c D.无法确定
解析　根据相对论速度变换公式：u＝ ，得u＝
＝0.99c，故选项C正确.
CINCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\第5章.tif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\第5章.tif" \* MERGEFORMATINET
5.1-5.2 电磁场理论引发的怪异问题 狭义相对论的基本原理
[学习目标定位]　1.理解伽利略相对性原 ( http: / / www.21cnjy.com )理.2.了解狭义相对论的两条基本公设.3.由伽利略变换和洛伦兹变换体会经典物理学的时空观和狭义相对论的时空观的不同.4.了解同时的相对性和相对论速度变换公式．
INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\知识储备区.tif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\知识储备区.tif" \* MERGEFORMATINET
INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\知识链接.TIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\知识链接.TIF" \* MERGEFORMATINET
1．惯性系：如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系就叫惯性系，相对一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系．
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2．迈克耳孙—莫雷实验说明，光在任何方向上传播时，相对于地球的速度都是相同的．即光速c是不变的．
3．伽利略相对性原理：对于力学规律来说，一切惯性系都是等价的．
4．狭义相对论的两条公设为：爱因斯坦相对性原理和光速不变原理．
5．同时的相对性
经典物理学家认为同时是绝对的，与参考系无关 ( http: / / www.21cnjy.com )，狭义相对论的时空观认为同时是相对的，即在一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中不一定是同时的．
6．相对论速度变换公式
若高速运动的飞船相对于地球的速度为v，飞船上的某物体以速度u′沿着飞船前进的方向相对飞船运动，那么物体相对于地球的速度u＝.
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一、电磁场理论引发的怪异问题
[问题设计]
1．举例说明电磁场理论与经典物理学存在着尖锐的矛盾．
答案　一辆车对地做匀速直线运动速度为v，若 ( http: / / www.21cnjy.com )自车厢后壁发出一个闪光，按照经典物理速度合成公式，这个闪光对地的速度为V＝c＋v.但电磁场理论中光在真空中的传播速度为c，并不涉及参考系问题．
2．迈克耳孙—莫雷实验说明了什么？
答案　说明光速c是不变的．
[要点提炼]
1．按经典物理速度合成公式 ( http: / / www.21cnjy.com )，一个人在相对地面以速度v运动的车或船上，向前进方向掷出一个相对于自己以速度u运动的球，则球相对地面的速度应为V＝u＋v.
2．对光的传播应用了经典的物理速度合成 ( http: / / www.21cnjy.com )公式后，得出的结果与电磁场理论中“光在真空中的传播速度为c”产生了矛盾．即经典的速度合成公式对电磁学不适用．
3．迈克耳孙—莫雷实验说明：光在任 ( http: / / www.21cnjy.com )何方向上传播时，相对地球的速度都是相同的．也就是说，地球相对于“以太”的速度v实际上为零，或者说“以太”根本不存在．光速c是不变的．
4．伽利略相对性原理：对于力学规律来说，一切惯性系都是等价的．
INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\左括.TIF" \* MERGEFORMATINET 例1 INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\右括.TIF" \* MERGEFORMATINET 　如图1所示，在列车车厢的光滑水平底面上有一个质量为m＝5 kg的小球，正随车厢一起以20 m/s的速度匀速前进．现在给小球一个水平向前的F＝5 N的拉力作用，求经10 s时，车厢里的观察者和地面上的观察者看到小球的速度分别是多少？
INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\s184a.TIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\s184a.TIF" \* MERGEFORMATINET
图1
解析　对车厢里的观察者
物体的初速度为0，加速度a＝＝1 m/s2
经10 s时，速度v1＝at＝10 m/s.
对地面上的观察者
解法一
物体初速度v0＝20 m/s
加速度相同a＝＝1 m/s2
经10 s时，速度v2＝v0＋at＝30 m/s.
解法二
根据速度合成法则
v2＝v1＋v0＝(10＋20) m/s＝30 m/s.
答案　10 m/s　30 m/s
二、狭义相对论的两条公设
[问题设计]
1．在伽利略变换中，时间和空间是否有关系，它们与物体的运动有无关系？
答案　时间和空间是分离的．时间尺度和空间尺度跟物体运动无关，都是绝对的．
2．面对电磁场理论与经典物理学之间出现的矛盾，爱因斯坦对时间和空间又是怎样理解的？
答案　爱因斯坦认为，空间和时间在本质上是统一的，空间和时间不是分离的．
[要点提炼]
狭义相对论的两个基本公设
1．爱因斯坦相对性原理：在所有相互做匀速直线运动的惯性参考系中，物理规律都是相同的．
2．光速不变原理：在所有相互做匀速直线运动的惯性参考系中，光在真空中的速度都是相等的．
INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\左括.TIF" \* MERGEFORMATINET 例2 INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\右括.TIF" \* MERGEFORMATINET 　考虑以下几个问题：
INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\s184.TIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\s184.TIF" \* MERGEFORMATINET
图2
(1)如图2所示，参考系O′相对于参考系O静止时，人看到的光速应是多少？
(2)参考系O′相对于参考系O以速度v向右运动时，人看到的光速应是多少？
(3)参考系O′相对于参考系O以速度v向左运动时，人看到的光速又是多少？
解析　光速不变原理指的是真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的．故三种情况下人看到的光速都是c.
答案　(1)c　(2)c　(3)c
三、洛伦兹变换、同时的相对性
[问题设计]
如图3所示，一列火车沿平直轨道飞快 ( http: / / www.21cnjy.com )地匀速行驶，车厢中央的光源发出了一个闪光，闪光照亮了车厢的前壁和后壁．车上的人观察到闪光同时照亮了前后壁吗？地上的人怎么认为？
INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\S185.TIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\S185.TIF" \* MERGEFORMATINET
图3
答案　车上的人认为闪光同时照亮了前后壁，地上的人认为先照亮后壁．
[要点提炼]
1．洛伦兹变换
2．同时的相对性
(1)经典物理学家认为：如果两个事件在一个参 ( http: / / www.21cnjy.com )考系中是同时发生的，那么在另一个参考系中观察也一定是同时发生的．即同时是绝对的，与所在的惯性参考系无关．
(2)狭义相对论的时空观认 ( http: / / www.21cnjy.com )为：同时是相对的，即在一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中不一定是同时的，跟观察者所选取的参考系有关．
[延伸思考]
你能够在v c时，由洛伦兹变换得到伽利略变换吗？
答案　当v c时，公式x＝中的很小近似为零，故x＝x′＋vt′；公式t＝中也近似为零，则t＝t′.
INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\左括.TIF" \* MERGEFORMATINET 例3 INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\右括.TIF" \* MERGEFORMATINET 　如图4所示，沿平直铁路线有间距相等的三座铁塔A、B和C.假想有一列车沿AC方向以接近光速行驶，当铁塔B发出一个闪光，列车上的观测者测得A、C两铁塔被照亮的顺序是(　　)
INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\S187.TIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\S187.TIF" \* MERGEFORMATINET
图4
A．同时被照亮　　　　　　 B．A先被照亮
C．C先被照亮 D．无法判断
解析　列车上的观察者看到 ( http: / / www.21cnjy.com )的是由B发出后经过A和C反射的光，由于列车在这段时间内向C运动，靠近C而远离A，所以列车上的观察者看到C先被照亮，故只有C正确．
答案　C
四、相对论速度变换公式
[问题设计]
一列火车正以v＝50 m/s的速度高速 ( http: / / www.21cnjy.com )行驶，列车内一乘客以相对列车u′＝5 m/s的速度向前跑，站台上的观察者测得该乘客的速度是u＝v＋u′＝55 m/s.若列车的速度是0.9c，乘客的速度是0.5c，那么站台上的观察者测得该乘客的速度为0.9c＋0.5c＝1.4c吗？
答案　不是
[要点提炼]
相对论速度变换公式
1．公式：设高速行驶的火车的速度为v，车上的人相对火车以速度u′运动，人相对地面的速度为u，则
2．结论：光速c是物体运动速度的极限，且相对任何参考系，光速都是不变的．
3．理解：若v c，u′ c时，可忽略不计，即1±≈1，相对论速度合成公式可近似变为u＝v±u′.
INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\左括.TIF" \* MERGEFORMATINET 例4 INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\右括.TIF" \* MERGEFORMATINET 　地球上一观察者，看见一飞船A以速度2.5×108 m/s从他身边飞过，另一飞船B以速度2.0×108 m/s跟随A飞行．求：
(1)A上的乘客看到B的相对速度；
(2)B上的乘客看到A的相对速度．
解析　(1)A上的乘客看地面上的人以－2.5×108 m/s向后运动．
地面上的人看B以2.0×108 m/s向前运动，则A上的乘客看到B的相对速度为u＝＝×108 m/s≈－1.125×108 m/s.
(2)B上的乘客看到A的相对速度为1.125×108 m/s.
答案　(1)－1.125×108 m/s　(2)1.125×108 m/s
INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\课堂要点小结.TIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\课堂要点小结.TIF" \* MERGEFORMATINET
( http: / / www.21cnjy.com )
2．狭义相对论的基本原理
INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\自我检测区.TIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\自我检测区.TIF" \* MERGEFORMATINET
1．通常我们把地球和相对于地面静止或匀速运动的参考系看成惯性系，若以下列系统为参考系，则其中属于非惯性系的有(　　)
A．停在地面上的汽车
B．绕地球做匀速圆周运动的飞船
C．在大海上匀速直线航行的轮船
D．以较大速度匀速运动的磁悬浮列车
答案　B
解析　由惯性系和非惯性系的概念可知选B.
2．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度运动的惯性系
D．狭义相对论任何情况下都适用
答案　D
解析　由狭义相对论原理可知D错误．
3．下列关于经典力学的时空观，正确的是(　　)
A．经典力学的时空观中，同时是绝对的，即在一个参考系中的观察者在某一时刻观察到的两个事件，对另一参考系中的观察者来说也是同时发生的
B．在经典力学的时空观中，时间间隔是绝对的，即任何事件(或物体的运动)所经历的时间，在不同的参考系中测量都是相同的，而与参考系的选取无关
C．在经典力学的时空观中，空间距离是绝 ( http: / / www.21cnjy.com )对的，即如果各个参考系中用来测量长度的标准相同，那么空间两点距离是绝对不变的量值，而与参考系的选取无关
D．经典力学的时空观就是一个绝对的时空观，时间、空间与物体的运动无关
答案　ABCD
解析　由经典力学时空观内容可知A、B、C、D正确．
4．设想有一艘飞船以v＝0.8c的 ( http: / / www.21cnjy.com )速度在地球上空飞行，如果这时从飞船上沿其运动方向抛出一物体，该物体相对于飞船的速度为0.9c，从地面上的人看来，物体的速度为(　　)
A．1.7c B．0.1c C．0.99c D．无法确定
答案　C
解析　根据相对论速度变换公式：u＝，得u＝＝0.99c，故选项C正确．(共23张PPT)
第5章
新时空观的确立
学案3　走近广义相对论　无穷的宇宙
1.了解广义相对论的两个基本原理.
2.初步了解广义相对论的几个结论及主要观测证据.
3.了解宇宙的演化.
学习目标定位
知识储备区
知识链接
1.大于
2.(1)过程和规律 (2)加速
3.时空 光线 变低 海市蜃楼
4.伽莫夫 宇宙大爆炸 极高 极大 极小 膨胀 黑洞
新知呈现
学习探究区
一、广义相对论的两个基本原理
二、广义相对论的预言与证实
三、无穷的宇宙
一、广义相对论的两个基本原理
问题设计
乘电梯时，当电梯开始启动上升时，你有什么感受？如果电梯一直加速上升，你又会有什么感受？
答案　电梯启动实际上是一个加速过程，正是这个加速度使你感到被向下压，产生沉重的感觉，即出现超重.也就是说，在电梯加速上升时，好像地球对你的引力增加了，因此，我们完全可以认为，电梯这个加速参考系就相当于给你加上了一个均匀向下的引力.
要点提炼
广义相对论的两个基本原理
1.广义相对性原理：在 中(包括惯性参考系)，物理过程和规律都是 的.
2.等效原理：一个均匀 场与 的参考系等价.
任何参考系
引力
一个做加速运动
相同
例1　假如宇宙飞船是全封闭的，航天员与外界没有任何联系.但是航天员观察到，飞船内没有支撑的物体都以某一加速度落向舱底.根据这一现象航天员能判断飞船处于某一星球表面吗？
解析　飞船内没有支撑的物体都以某一加速度落向舱底的原因可能是飞船正在向远离任意天体的空间加速飞行，也可能是由于飞船处于某个星球的引力场中.实际上飞船内部的任何物理过程都不能告诉我们飞船到底是加速运动还是停泊在某个行星的表面.
答案　不能
问题设计
二、广义相对论的预言与证实
你知道广义相对论的一些有趣的结论吗？
答案　时空弯曲、光线弯曲、引力红移
要点提炼
广义相对论的几个结论
1.时空弯曲：广义相对论认为，时空不是平直的，而是
的，扭曲的根本原因在于时空中物质的
或 的分布.如果质量越大，时空弯曲的程度也就越大.
弯曲或“扭曲”
质量
能量
2.光线弯曲：在 场存在的情况下，光线是沿 的路径传播的.
3.引力红移：在强引力场中，时钟要走得 些.因此，光在引力场中传播时，它的频率会 ，波长会 .
引力
弯曲
慢
变低
变长
例2　按照爱因斯坦的广义相对论，下列说法中正确的是(　　)
A.天体之间的引力作用是时空弯曲的原因
B.光线经过太阳附近时会发生弯曲
C.氢原子发射的光从太阳传播到地球时，它的频率要比
地球上氢原子发射的光的频率低
D.光在真空中是沿直线传播的
解析　根据广义相对论，物质的引力会使光线弯曲，引力越强，弯曲越厉害，因此在地球上看到的星体位置与实际位置不符.在强引力的星球附近时间进程会变慢，光线的波长变长，频率变小，故A、B、C正确，D错误.
答案　ABC
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问题设计
三、无穷的宇宙
关于宇宙起源，目前比较有影响的理论是什么？
答案　比较有影响的理论是宇宙大爆炸学说，即我们的宇宙是从一个尺度极小的状态发展演化出来的.1929年美国天文学家哈勃发现银河系以外的大多数星系都在远离我们而去，距离越远，离开的速度越大，后来的分析表明，这是由于我们所处的宇宙正在膨胀，因此星系间距离在不断增大，在任何地方看起来，其他星系都在远离自己.
1.宇宙的起源
(1)关于宇宙起源，目前最有影响的理论是宇宙的
.
(2)宇宙大爆炸的证据：宇宙空间存在当时产生的
辐射.
要点提炼
大爆
炸学说
微波
2.宇宙的演化
(1)天文学家哈勃用望远镜对远距离星云观测时发现遥远的恒星发出的光谱线普遍存在“红移”现象.这一现象表明：那些恒星正离我们 ，也说明星系系统处于一种膨胀状态.
(2)在宇宙演化过程中， 是恒星演化的结果.
(3)黑洞本身不能发出光线，所以不可能直接显示它的存在.但是，可以观察到它巨大的引力场对周围物质产生的效应.
远去
黑洞
例3　观察遥远的恒星发出的光谱会出现“引力红移”说明什么？
答案　根据多普勒效应，如果恒星向着我们运动，光的颜色偏蓝；如果恒星离我们而去，光的颜色偏红.遥远的恒星发出的光谱与地球上同种物质的光谱相比，其波长变长，即向红色的一端移动，这说明：不管往哪个方向看，远处的星系正急速地远离我们而去.
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课堂要点小结
1.走近广义相对论
两个基本原理
广义相对性原理
等效原理
广义相对论的几个结论
时空弯曲
光线弯曲
引力红移
课堂要点小结
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2.无穷的宇宙
宇宙的起源
大爆炸学说
大爆炸的证据：微波辐射
宇宙的演化
膨胀状态
黑洞是恒星演化的结果
自我检测区
1
2
3
4
1
2
3
4
1.宇宙的大爆炸学说是俄裔美国物理学家 提出的.
伽莫夫
1
2
3
4
2.黑洞是 演化的结果.
恒星
1
2
3
4
3.广义相对论的两个基本原理是指(　　)
A.光速不变原理
B.广义相对性原理
C.等效原理
D.同时的相对性
解析　根据广义相对论基本原理内容.
BC
1
2
3
4
4.下列说法中正确的是(　　)
A.物质的引力使光线弯曲
B.光线弯曲的原因是由于介质不均匀而非引力作用
C.在强引力的星球附近，时间进程会变慢
D.广义相对论可以解释引力红移现象
解析　由广义相对论的几个结论可知A、C、D正确.
ACD5.2　奇特的相对论效应
[学习目标定位]　1.了解运动时钟 ( http: / / www.21cnjy.com )延缓效应和运动长度收缩效应.2.知道爱因斯坦质量公式和质能关系.3.了解经典时空观与相对论时空观的重要区别，体会相对论的建立对人类认识世界的影响．
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1．由牛顿第二定律可知，物体所受的外力F与物体的质量m、物体产生的加速度a之间的关系为F＝ma.
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2．运动时钟延缓
事件发生在运动惯性系中，地球上测量的 ( http: / / www.21cnjy.com )时间间隔Δt，在以速度v相对于地球飞行的飞船上测量的时间间隔为Δt′，两者的关系为Δt＝，这种效应叫做时钟延缓，也叫做“动钟变慢”．
3．运动长度收缩
在一以速度v相对于地球飞行的飞船上，有 ( http: / / www.21cnjy.com )一根沿运动方向放置且静止的棒，在地球上测量它的长度为l，在飞船上测量的长度为l′，两者的关系为l＝l′.在静止惯性参考系中测得的长度总是比运动惯性系中的要短一些，这种效应叫做运动长度收缩或尺缩效应，也叫做“动尺缩短”．
尺缩效应只发生在运动的方向上．
4．爱因斯坦质量公式
物体静止时的质量为m0，运动时的质量为m，两者之间的关系为m＝.
5．质能关系
(1)任何质量的物体都对应着一定的能量：E＝mc2.
(2)如果质量发生了变化，其能量也相应发生变化：ΔE＝Δmc2.
6．时空观的深刻变革
牛顿物理学的绝对时空观：物理学的空间与时间是绝对分离、没有联系的，脱离物质而单独存在，与物质的运动无关．
而相对论认为：有物质才有时间和空间，空间和时间与物体的运动状态有关．
人类对于空间、时间更进一步地 ( http: / / www.21cnjy.com )认识而形成的新的时空观，是建立在新的实验事实和相关结论与传统观念不一致的矛盾基础上，是不断发展、不断完善起来的.
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一、运动时钟延缓
[问题设计]
一列火车沿平直轨道飞快匀速行驶，某人在这列火车上拍了两下桌子，车上的人观测的两次拍桌子的时间间隔与地上人观测的拍两下桌子的时间间隔相同吗？
答案　不同
[要点提炼]
时间间隔的相对性(时钟延缓)
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，惯性系相对运动速度越大，惯性系中的时间进程越慢．
3．相对时间间隔公式：设Δ ( http: / / www.21cnjy.com )t′表示与运动的惯性系相对静止的观察者观测的时间间隔，Δt表示地面上的观察者观测同样两事件的时间间隔，则它们的关系是Δt＝.
INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\左括.TIF" \* MERGEFORMATINET 例1 INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\右括.TIF" \* MERGEFORMATINET 　远方的一颗星以0.8c的速度离开地球，测得它辐射出来的闪光按5昼夜的周期变化，求在此星球上测其闪光周期为多大？
解析　5昼夜是地球上测得的，即Δt＝5 d
由Δt＝得Δt′＝Δt
Δt′＝3 d
答案　3昼夜
二、运动长度收缩
[问题设计]
假设杆MN沿着车厢的运动方向固定在火车上，且与火车一起运动，火车上的人测得杆的长度与地面上的人测得杆的长度相同吗？
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图1
答案　不同
[要点提炼]
长度的相对性(尺缩效应)
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．相对论的时空观：长度也具有相对性，一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比静止长度短，但在垂直于杆的运动方向上，杆的长度不变．
3．相对长度公式：设相对于杆静止的观察者认 ( http: / / www.21cnjy.com )为杆的长度为l′，与杆有相对运动的人认为杆的长度为l，杆相对于观察者的速度为v，则l、l′、v的关系是l＝l′.
INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\左括.TIF" \* MERGEFORMATINET 例2 INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\右括.TIF" \* MERGEFORMATINET 　一观察者测得运动着的米尺长为0.5 m，该米尺静止时长为1 m，求此米尺以多大的速度移动．
解析　以观察者为一参考系测得的长度为l，米尺为另一参考系，测得米尺的长度为l′，根据公式l＝l′，可得：v＝c
代入数据c＝3×108 m/s，l′＝1 m，l＝0.5 m
所以v＝0.866 c＝2.6×108 m/s.
答案　2.6×108 m/s
三、爱因斯坦质量公式和质能关系
[问题设计]
一个恒力作用在物体上产生一恒定加速度，由v＝at可知，经过足够长的时间，物体可以达到任意速度，甚至超过光速吗？
答案　不会超过光速
[要点提炼]
1．相对论质量
(1)经典力学：物体的质量是不变的，一定的力作用在物体上产生一定的加速度，经过足够长时间后物体可以达到任意的速度．
(2)相对论：物体的质量随物体速度的增大而增加．
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＝，因为总有v2．质能关系
爱因斯坦质能关系式：E＝mc2.
理解这个公式应注意：
(1)质能方程表达了物体的质量和它所具有的能量的关系：一定的质量总是和一定的能量相对应．
(2)静止物体的能量为E0＝m0c2，这种能量叫做物体的静质能．每个有静质量的物体都具有静质能．
(3)物体的总能量E为动能与静质能之和
即E＝Ek＋E0＝mc2(m为动质量)．
(4)由质能关系式可知ΔE＝Δmc2.
[延伸思考]
有人根据E＝mc2得出结论：质量可以转化为能量，能量可以转化为质量，这种说法对吗？
答案　不对．E＝mc2表明质量与能量之间存在 ( http: / / www.21cnjy.com )一一对应的关系，物体吸收或放出能量，则对应的质量会增加或减少，质量与能量并没有相互转化．对一个封闭的系统，质量是守恒的，能量也是守恒的．
INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\左括.TIF" \* MERGEFORMATINET 例3 INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\右括.TIF" \* MERGEFORMATINET 　已知电子的静止能量为0.511 MeV，若电子的动能为0.25 MeV，则它所增加的质量Δm与静止质量m0的比值近似为(　　)
A．0.1 B．0.2
C．0.5 D．0.9
解析　设电子运动时的速度为v
由题意知E0＝m0c2＝0.511 MeV①
电子运动时的能量E＝E0＋Ek＝0.761 MeV②
又因为E＝mc2③
m＝④
④代入③得E＝＝⑤
由④⑤可知＝
所以＝＝≈0.5，故选项C正确．
答案　C
针对训练　下列关于爱因斯坦质能方程的说法中，正确的是(　　)
A．只有运动的物体才具有质能，静止的物体没有质能
B．一定的质量总是和一定的能量相对应
C．E＝mc2中能量E其实就是物体的内能
D．由ΔE＝Δmc2知质量与能量可以相互转化
答案　B
解析　物体具有的质量与质量对应的能量称为质能 ( http: / / www.21cnjy.com )，E＝mc2表明质量与能量之间存在一一对应的关系，物体吸收或放出能量，则对应的质量会增加或减少，质量与能量并没有相互转化．故选项D错误，B正确；静止的物体也具有能量，称为静质能E0，E0＝m0c2，m0叫做静质量；E＝mc2中的能量E包括静质能E0和动能Ek，而非物体的内能，故选项A、C错误．
INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\课堂要点小结.TIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\课堂要点小结.TIF" \* MERGEFORMATINET
奇特的相对论效应 INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\自我检测区.TIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "\\\\莫成程\\本地磁盘 (f)\\复邻\\2014\\同步\\物理\\沪科3-4\\自我检测区.TIF" \* MERGEFORMATINET
1．关于物体的质量，下列说法正确的是(　　)
A．在牛顿力学中，物体的质量是保持不变的
B．在牛顿力学中，物体的质量随物体的速度变化而变化
C．在相对论力学中，物体静止时的质量最小
D．在相对论力学中，物体的质量随物体速度的增大而增加
答案　ACD
解析　在牛顿力学中，物体的质 ( http: / / www.21cnjy.com )量是保持不变的，故选项A正确，B错误；在相对论力学中，由于物体的速度v不可能达到光速c，所以v2．下列说法中正确的是(　　)
A．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，这是经典物理学的观点
B．一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度小
C．一条杆的长度静止时为l0，不管杆如何运动，杆的长度均小于l0
D．如果两条平行的杆在沿自己的长度方向上做相对运动，与它们一起运动的两位观察者都会认为对方的杆缩短了
答案　ABD
解析　根据经典物理学可知，选项A ( http: / / www.21cnjy.com )正确；根据“运动长度收缩”效应知，选项B、D正确；只有在运动方向上才有“长度收缩”效应，若杆沿垂直杆的方向运动，则杆的长度不变，故选项C错误．
3．一个物体静止时质量为m0，能量为E0，速度为v时，质量为m，能量为E，动能为Ek，下列说法正确的是(　　)
A．物体速度为v时的能量E＝mc2
B．物体速度为v时的动能Ek＝mc2
C．物体速度为v时的动能Ek＝mv2
D．物体速度为v时的动能Ek＝(m－m0)c2
答案　AD
解析　物体具有的质量与质量对应的能量称为质 ( http: / / www.21cnjy.com )能，E＝mc2表明质量与能量之间存在一一对应的关系，物体吸收或放出能量，则对应的质量会增加或减少，故选项A、D正确，B、C错误．

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