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(共53张PPT)
第2节　相对论中的神奇时空
第3节　探索宇宙的奥秘　　　　　　　
一、时间延缓效应
任务驱动　
“天上一天,地上一年”可信吗
提示:可信,人坐在接近光速的列车中度过一天,在地球上的人度过一年,在理论上是可以的。
1.时间延缓效应是时空的一种属性:在运动参考系中的
时间节奏变_____了。一切物理过程、化学过程、乃至
观察者自己的生命节奏都变慢了。
2.运动的相对性:在某个参考系中,同一地点先后发生
了两个事件,用固定在该参考系中的钟来测定两事件的
时间间隔称为_________。日常生活中的时间延缓效应
可以忽略,在运动速度接近光速时,则变得特别重要。
缓慢
时间延缓
3.时间间隔的相对性:运动的列车上的乘客测得的列车
上的时间为τ0,地面观察者测得的时间为τ,则两者之
间关系为τ=________。
二、长度收缩效应
1.经典物理学认为,一根杆的长度不会因为观察者是否
与杆做相对运动而不同,但在相对论时空观中,杆的长
度将发生变化。如果与杆相对静止的人认为杆长是l0,
与杆相对运动的人认为杆长是l,则两者之间的关系
为:l=________。
l0
2.一根沿自身长度方向运动的杆,其长度总比其静止时
的长度要___,这种长度观测效应被称为_________。
短
长度收缩
三、质能关系和质速关系
1.爱因斯坦质能方程为E=mc2,物质的质量减少或增加
时,必然伴随着_____的减少或增加,当物体的质量发生
变化时,其质能关系可写成ΔE=_____。
能量
Δmc2
2.质速关系:物体以速度v运动时的质量m与静止时质量
m0之间的关系式为m=________。物体的质量随速度的增
大而_____。在低速运动中,质量的变化可以_________。
增大
忽略不计
四、奇妙的时空弯曲
1.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_____。
2.天体之间的_____作用是时空弯曲的结果。_________
是广义相对论的时空弯曲理论在弱引力场的近似表述。
3.广义相对论的实验验证是光线在引力场中_____。
弯曲
引力
万有引力
弯曲
五、宇宙探索的奥秘
1.1929年美国天文学家哈勃的观测说明星系都在互相远离。哈勃定律说明了距离地球越远的星系运动速度越快。
2.关于宇宙的起源和演化,下列说法中正确的是_______。
①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爱因斯坦利用广义相对论预言:如果宇宙物质平均密
度大于某个临界值,星系间的引力将最终使膨胀停止并
使宇宙开始重新收缩。
①②③
③爱因斯坦利用广义相对论预言:如果宇宙物质的平均密度小于该临界值,宇宙将会继续膨胀。
④暗物质的存在理论上没有认同。
主题一　时间和空间的相对性
【生活情境】
一架航天飞机在旧金山湾上的金门大桥上空匀速飞过,飞机飞行方向与大桥平行。
【问题探究】
(1)飞机上的乘客看到的大桥长度与静止观察时相比有什么变化
提示:变短了。
(2)飞机上的乘客做了一个实验用了30分钟,站在桥头的人测得该实验花费的时间有什么变化
提示:时间变长了。
(3)运动的时钟变慢是不是因为时钟的构造因运动而发生了改变
提示:运动的时钟变慢是在两个不同的惯性系中进行时间比较的一种效应,不是因为时钟的结构或精度因运动而发生了改变。
(4)尺子沿任何方向运动其长度都缩短吗
提示:尺子沿其长度方向运动时长度缩短,在垂直于长度方向运动长度不变。
(5)经典力学的时空观与相对论的时空观有什么不同
提示:在同时性、空间距离和时间间隔方面都不同。
【结论生成】
1.“动尺变短”(物理观念)
狭义相对论中的长度公式:l=l0 中,l0是相对于杆
静止的观察者测出的杆的长度,而l可以认为是杆沿自
身的长度方向以速度v运动时,静止的观察者测量的长
度。还可以认为是杆不动,而观察者沿杆的长度方向的
反方向以速度v运动时测出的杆的长度。
2.“动钟变慢”(物理观念)
时间间隔的相对性公式:τ= 中,τ0是相对事件
发生地静止的观察者测量同一地点的两个事件发生的
时间间隔,而τ是相对于事件发生地以速度v高速运动
的观察者测量同一地点的同样两个事件发生的时间间
隔。也就是说:在相对运动的参考系中观测,事件变化
过程的时间间隔变大了,这叫作狭义相对论中的时间膨胀。
3.分析时间间隔和长度变化时注意的问题(科学思维)
(1)时间间隔、长度的变化,都是由于物质的相对运动引起的一种观测效应,它与所选取的参考系有关,物质本身的结构并没有变化。
(2)两个事件的时间间隔和物体的长度,必须与所选取的参考系相联系,如果在没有选取参考系的情况下讨论时间的长短及空间的尺寸,是没有任何意义的。
4.经典时空观和狭义相对论时空观(物理观念)
(1)经典时空观:空间和时间脱离物质而存在,是绝对的,空间和时间没有联系,即与物质的运动无关。
(2)狭义相对论时空观:空间和时间与物质运动状态有关。
【典例示范】
地面上长100 km的铁路上空有一火箭沿铁路方向以
100 km/s的速度掠过,则火箭上的人看到铁路的长度应该为多少 如果火箭的速度达到0.8c,则火箭上的人看到的铁路的长度又是多少
【解题指南】解答本题时应注意两点:
(1)动尺变短在接近光速运动的情况下才能明显发生。
(2)火箭上的人看到铁路向相反的方向同速运动。
【解析】当火箭速度较低时,看到的铁路的长度基本不
变,还是100 km。当火箭的速度达到0.8c时,由相对论
长度公式l=l0 代入相应的数据解得:l=100
× km=60 km。
答案:100 km　60 km
【规律方法】应用相对论“效应”解题的一般步骤
(1)应该通过审题确定研究对象及研究对象的运动速度。
(2)明确求解的问题,即明确求解静止参考系中的观察结果,还是运动参考系中的观察结果。
(3)应用“长度收缩效应公式”或“时间延缓效应公式”进行计算。
【探究训练】
(多选)假设甲在接近光速的火车上看地面上乙手中沿火车前进方向放置的直尺,同时地面上的乙看甲手中沿火车前进方向放置的直尺,则下列说法中正确的是
(　　)
A.甲看到乙手中的直尺长度比乙看到自己手中的直尺长度大
B.甲看到乙手中的直尺长度比乙看到自己手中的直尺长度小
C.乙看到甲手中的直尺长度比甲看到自己手中的直尺长度大
D.乙看到甲手中的直尺长度比甲看到自己手中的直尺长度小
【解析】选B、D。由l=l0 可知,运动的观察者观
察静止的尺子和静止的观察者观察运动的尺子时,都出
现尺缩效应,即对方看自己手中的尺子比自己看自己手
中的尺子短,故B、D正确。
【补偿训练】
　　1.某宇航员要到离地球5光年的星球上去旅行,如果希望把这段路程缩短为3光年,则他所乘飞船相对地球的速度为 (　　)
A.0.5c　　　B.0.6c　　　C.0.8c　　　D.0.9c
【解析】选C。由l=l0 ,且 ,可得v= c=
0.8c,故选项C正确。
2.π0介子是一种不稳定粒子,其寿命是0.84×10-16秒 (在自己的参考系中测得)。
(1)如果此粒子相对于实验室以0.8c的速度运动,那么在实验室参考系中测量的π0介子寿命多长
(2)π0介子在衰变前运动了多长距离
【解析】(1)在实验室参考系中测得π0介子的寿命为
Δt= s=1.4×10-16 s
(2)该粒子在衰变前运动的距离为
x=vΔt=0.8×3×108×1.4×10-16 m=3.36×10-8 m。
答案:(1)1.4×10-16 s　(2)3.36×10-8 m
主题二　质能关系和质速关系
【科技情境】
地球的第二宇宙速度是11.2 km/s;设在美国伊利诺伊州费米实验室的圆形粒子加速器可以把电子加速到0.999 999 999 987 倍光速的速度。
【问题探究】
(1)地球的第二宇宙速度在狭义相对论中属于低速还是高速 被加速器加速后的电子的速度呢
提示:地球第一宇宙速度在狭义相对论中属于低速,被加速器加速后的电子速度属于高速。
(2)加速后电子的质量比电子的静止质量增大了还是减小了
提示:加速后电子的质量增大了。
【结论生成】
1.低速与高速的概念(物理观念)
(1)低速:远小于光速的速度为低速,通常所见物体的运动,如行驶的汽车、发射的导弹、人造地球卫星及宇宙飞船等物体的运动皆为低速运动。
(2)高速:有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近,这样的速度称为高速。
2.速度对质量的影响(物理观念)
(1)在经典力学中,物体的质量不随速度而变。
(2)爱因斯坦的狭义相对论指出,物体的质量随速度的
增大而增大,即m= ,其中m0为物体静止时的质
量,m是物体速度为v时的质量,c是真空中的光速。在高
速运动时,质量的测量是与运动状态密切相关的。
(3)速度对物理规律的影响:对于低速运动问题,一般用经典力学规律来处理。对于高速运动问题,经典力学已不再适用,需要用狭义相对论知识来处理。
3.质能关系(物理观念)
(1)经典物理学的观点
在经典物理学中,质量和能量是两个独立的概念。
(2)相对论的观点
由相对论及基本力学定律可推出质量和能量的关系为E=mc2或ΔE=Δmc2。
【典例示范】
太阳内部不停地发生着剧烈的热核反应,在不断地辐射能量。因而其质量也不断地减少。若太阳每秒钟辐射的总能量为4×1026 J,试计算太阳在1 s内失去的质量是多少
【解题指南】质量和能量的两点注意
(1)质量和能量是物质不可分离的属性。
(2)任何静止质量不为零的物体都贮存着巨大的能量。
【解析】由太阳每秒钟辐射的能量ΔE可得,其每秒内
失去的质量为Δm= ×1010 kg≈4.4×
109 kg。
答案:4.4×109 kg
【探究训练】
1.(多选)为纪念爱因斯坦对物理学的巨大贡献,联合国将2005年定为“国际物理年”。对于爱因斯坦提出的质能方程E=mc2,下列说法中正确的是 (　　)
A.E=mc2表明物体具有的能量与其质量成正比
B.根据ΔE=Δmc2可计算核反应的能量
C.一个质子和一个中子结合成一个氘核时释放能量,表明此过程质量减少了
D.E=mc2中的E是指在发生核反应过程中释放的核能
【解析】选A、B、C。质能方程说明一定的质量总是跟一定的能量相联系,这里的能量是指各种能量的总和,质能方程中c为常数,所以A选项正确;当物体的质量减少时,物体会释放出一定能量,释放出的能量多少可用ΔE=Δmc2计算,反之,某个过程释放出了能量,则此过程质量一定会减少,所以B、C选项正确,D选项错误。
2.日常生活中,我们并没发现物体的质量随物体运动的速度变化而变化,其原因是 (　　)
A.运动中物体无法称量质量
B.物体的速度远小于光速时,质量变化极小
C.物体的质量太大
D.物体的质量不随速度的变化而变化
【解析】选B。根据狭义相对论m= 可知,在宏观
物体的运动中,v c,所以m变化不大,而不是因为物体
的质量太大或无法测量,也不是因为质量不随速度的变
化而变化,正确选项为B。
【补偿训练】
　　1.在粒子对撞机中,有一个电子经过高压加速,速度达到光速的0.5倍。试求此时电子的质量变为静止时的多少倍。
【解析】由爱因斯坦狭义相对论中运动质量与静止质
量的关系得m= ≈1.155m0,即此时电
子的质量变为静止时的1.155倍。
答案:1.155
2.如果真空中的光速为c=3×108 m/s,当一个物体的运动速度为v1=2.4×108 m/s时,质量为3 kg,当它的速度为v2=1.8×108 m/s时,质量为多少
【解析】根据m= 得 ,代入数据得m2=
2.25 kg。
答案:2.25 kg

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