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(共29张PPT)
第二节 相对论中的神奇时空
高中物理鲁科版（2019）必修第二册
教学课件
Teaching Courseware
20XX.XX.XX
第五章 科学进步无止境
PART.1
PART.2
PART.3
PART.4
素养目标
新课讲解
新课导入
经典例题
目录
CONTENTS
PART.2
PART.4
课堂练习
课堂小结
1.知道狭义相对论关于时空相对性的主要结论。
2.了解时间延缓效应和长度收缩效应的主要内容及推理的思维过程。
3.初步了解时空弯曲现象，知道牛顿经典力学的适用范围及原因。
素养目标
新课导入
在日常生活和生产中，为了研究物体的运动，必须选定适当的参考系，对于不同的参考系，长度和时间的测量结果是否是一样的？
对上述问题的讨论，物理学家进行了长期的探索。于是，物理学经历了一场关于时空观的根本性变革，从牛顿时代的经典力学跨越到爱因斯坦的相对论。
爱因斯坦的狭义相对论告诉我们：运动的时钟变慢、运动的尺子在运动的方向上缩短。这到底是为什么？这些结论是如何从狭义相对论的两个基本假设得出的呢？
新课讲解
New lesson explanation
新课讲解
相对论的时空观念与人们固有的时空观念差别很大，很难被普通人所理解。人们都称赞爱因斯坦伟大，但又常常弄不懂这伟大的内容。这使人们想起英国诗人波谱的诗句:
自然和自然的法则在黑暗中隐藏；上帝说，让牛顿去吧！于是一切都被照亮。魔鬼说，让爱因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。
世人的疑惑
新课讲解
思考讨论：在经典物理学中，如果两个事件在一个参考系中是同时的，在另一个参考系中一定也是同时的。但是，如果按照爱因斯坦的两个假设，结论还是这样吗？
假设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，闪光照到了车厢的前壁和后壁。
车上的观察者将会看到什么现象，地面上的观察者又会看到什么现象？
新课讲解
根据爱因斯坦假设：真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的，两个事件在一个参考系中是同时的，在另一个参考系中不一定也是同时的。
车上的观察者以车厢为参考系，闪光到达前后两壁的时间相同吗？
如图甲所示：因为车厢是个惯性系，闪光向前、后传播的速率相同，光源又在车厢的中央，闪光当然会同时到达前后两壁。
新课讲解
对车下的观察者来说，以地面为参考系，闪光到达前后两壁的时间相同吗？
在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即：闪光先到达后壁，后到达前壁因此，这两个事件不是同时发生的。
根据爱因斯坦的假设：真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的，所以他以地面为参考系，闪光向前、后传播的速率对地面也是相同的。
车上的观察者:闪光同时到达车厢的前后两壁
地面上的观察者:闪光先到达车厢后壁，后到达前壁
同时性是相对的
新课讲解
一、时间延缓效应
经典时空观认为，时间是绝对时间，就像一条长河，源源不断地从过去到现在直至将来，与运动无关。而相对论时空观则认为，当时钟相对于观测者静止时，时钟走得快些； 当时钟相对于观测者高速运动时，观测者则认为时钟变慢了。
如果相对于地面以v运动的惯性参考系上的人观察到与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为Δτ，地面上的人观察到该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为Δt，那么两者之间的关系是
由此可见，时间不再是绝对的，而是相对的，这种情况被称为时间延缓效应。
新课讲解
事实上，上述例子中的火车在运动的速度相比于光速，是很小的，由此引起的时间延缓效应不明显，如果火车的运动速度很大，我们就可以在上面放置时钟，那么就会出现这样的现象：
火车上的人看时钟，没有什么异常；
地面的人看时钟，由于时间延缓效应，时钟变慢了。
这样的现象称为动钟变慢
新课讲解
二、长度收缩效应
如果有一根杆，与杆相对静止的人测得杆长是l0，沿着杆的方向，以速度v相对杆运动的人测得杆长是l，那么l0与l两者之间的关系是：
由此可见，空间距离也不再是绝对的，而是相对的，这种情况被称为长度收缩效应。
新课讲解
同样上述例子中的火车，如果火车的运动速度很大，我们就可以在上面放置直尺，那么就会出现这样的现象：
火车上的人看直尺，没有什么异常；
地面的人看直尺，由于长度收缩效应，直尺变短了。
这样的现象称为动尺变短
特别注意：
长度缩短效应只发生在相对运动的方向上，如上例中的 x 轴方向上，在y 轴方向上无长度缩短效应。
思考：为什么我们平时观察不到这种长度收缩效应？
因为我们生活在比光速低很多的低速世界里，长度收缩效应可忽略不计。
新课讲解
三、质能方程
在经典力学中，质量和能量和物体的运动无关，是两个独立概念。按照相对论及基本力学定律可以推出，质量和能量具有这样关系：
能量
质量
光速
随着物体质量的减少，它会释放出一定的能量。
在经典力学中质量是不变的，和物体的运动无关，从相对论角度看质量是变化的。
m0——物体的静止质量。
m(v)——相对于观察者以速度v运动时的质量，即相对论质量。
新课讲解
在微观粒子的实验中，粒子的速率会达到接近光速的程度，这时质量随速率的改变就很明显了。例如v=0.98c时，此时电子的质量是m=5.03m0 ，这时质量的变化就不能忽略。
当v<新课讲解
四、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。万有引力是广义相对论的时空弯曲理论在弱引力场的近似表述。
当遥远的恒星发出的光经过太阳表面时太阳周围的空间弯曲，致使光线发生弯曲。
新课讲解
太阳
地球上重力太弱，光线弯曲难以测量！
太阳质量大，它的引力足以使从遥远恒星发出的光线经过太阳附近时，产生能够测量到的弯曲！
课堂练习
Classroom Practice
课堂练习
1.物理学的发展丰富了人类对物质世界的认识，推动了科学技术的创新和革命，促进了物质生产的繁荣与人类文明的进步，根据狭义相对论下列说法正确的是( )
A.真空中的光速是不变的
B.运动的时钟变慢与运动的尺子缩短
C.物体的质量取决于物体所含物质的多少，与物体的运动速度无关
D.质量、长度、时间的测量结果都是随物体与观测者的相对运动状态而改变
课堂练习
1.答案：ABD
解析：A.真空中的光速是不变的，故A正确；
B.狭义相对论的几个基本结论：①钟慢效应：运动的钟比静止的钟走得慢，而且，运动速度越快，钟走的越慢，接近光速时，钟就几乎停止了；②尺缩效应：在尺子长度方向上运动的尺子比静止的尺子短，当速度接近光速时，尺子缩成一个点.故B正确；
C.由相对论质量公式可知，当物体的速度很大时，其运动时的质量明显大于静止时的质量，故C错误；
D.质量、长度、时间的测量结果都是随物体与观测者的相对运动状态而改变，故D正确。
故选ABD。
课堂练习
2.在1905年爱因斯坦提出了狭义相对论理论，此理论建立的前提有两个假设条件以及在相对论理论下观察到的不同现象，如果有接近光速运动下的物体时间和空间都会发生相应的变化，下列说法中正确的是( )
A.在不同的惯性参考系中，一切物体的规律是不同的
B.真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的
C.物体在接近光速运动时，它沿运动方向上的长度会变大
D.狭义相对论只适用于高速运动的物体，不适用于低速运动的物体
课堂练习
2.答案：B
解析：根据相对论的两个基本假设可知，在不同的惯性参考系中，一切物体的规律是相同的，故A错误；
根据相对论的两个基本假设可知，在不同的惯性参考系中，真空中的光速是相同的，故B正确；
根据长度相对论关系 可知，当物体在接近光速运动时，它沿运动方向上的长度会变小，故C错误；
狭义相对论即适用于高速运动的物体，也适用于低速运动的物体，经典力学是狭义相对论在低速（ ）条件下的近似，故D错误。
故选B。
课堂练习
3.某考生现在正在完成100分钟的期末物理考试，假设一艘飞船相对该考生以0.3c的速度匀速飞过（c为真空中的光速），则飞船上的观察者根据相对论认为该考生考完这场考试所用时间( )
A.大于100分钟 B.等于100分钟 C.小于100分钟 D.不能确定
课堂练习
3.答案：A
解析：根据狭义相对论可知，飞船相对该考生以0.3c的速度匀速飞过时，飞船上的观察者认为该考生考完这场考试所用的时间
，可知飞船上的观察者认为该考生考完这场考试所用的时间大于100分钟，选项A正确.
课堂练习
4.一辆轿车在山区的高速公路上以接近光速的速度行驶，穿过众多隧道，已知隧道口为圆形，在将要抵达隧道口时，下列说法正确的是( )
A.司机观察到的隧道口为椭圆形，隧道的总长度变短
B.司机观察到的隧道口为圆形，隧道的总长度不变
C.司机观察到的隧道口为椭圆形，隧道的总长度不变
D.司机观察到的隧道口为圆形，隧道的总长度变短
课堂练习
4.答案：D
解析：根据狭义相对论，在运动方向上长度变短，故隧道长度变短，在垂直运动方向上长度不变，故隧道口为圆形，D正确.
课堂小结
Class Summary
课堂小结
一、时间延缓效应
二、长度收缩效应
三、质能方程
四、奇妙的时空弯曲
当遥远的恒星发出的光经过太阳表面时太阳周围的空间弯曲，致使光线发生弯曲。
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