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(共30张PPT)
第二节　相对论时空观
第三节　宇宙起源和演化
第五章　牛顿力学的局限性与相对论初步
1.知道爱因斯坦狭义相对论的两条假设。
2.了解时间延缓和长度收缩效应、时空弯曲。
3.学习宇宙起源和演化。
学习目标
目 录
CONTENTS
知识点
01
随堂对点自测
02
知识点
1
知识点二　时空相对性　时空弯曲
知识点一　狭义相对论的基本假设
知识点三　宇宙起源和演化
知识点一　狭义相对论的基本假设
科学家爱因斯坦提出了认知宇宙的全新理论，他为我们展现了一个更加奇妙的宇宙，那里不仅有着多维时空，而且还拥有着虫洞和弯曲时空。你知道这是什么理论吗？
提示　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，一切物理规律都是相同的。
(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。
2.牛顿力学与狭义相对论比较
比较项目 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 任何情况都适用
速度的合成 时间与空间互不相干 速度与位移、时间的测量有关
BD
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
解析　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；狭义相对论只涉及惯性系，C错误，D正确。
知识点二　时空相对性　时空弯曲
(1)一对孪生兄弟，其中一个在做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。
提示　(1)时间变慢了　(2)速度越大，长度越短
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，在不同的惯性系中观测，它们的时间间隔总是______的。
不同时的
相同
3.长度收缩
(1)经典的时空观：一个物体的长度不会因为观测者是否与物体做__________而不同。
相对运动
缩短
4.时间弯曲
(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)物体决定时空的______，______决定物质的运动。
弯曲
强
变慢
弯曲
时空
【思考】
经典时空观认为时间、空间是脱离物质而存在的。相对论则认为有物质才有时间和空间。“尺缩钟慢”效应说明哪种说法才是正确的。
提示　相对论时空观才是正确的。
例2 A、B两火箭沿同一方向高速飞过地面上的某处，vA>vB，在地面上的人观察到的结果正确的是(　　)
A.火箭A上的时钟走得最快 B.地面上的时钟走得最快
C.火箭B上的时钟走得最快 D.火箭B上的时钟走得最慢
B
例3 一艘太空飞船静止时的长度为30 m，他以0.6c(c为光速)的速度沿长度方向飞行越过地球，下列说法正确的是(　　)
A.飞船上的观测者测得该飞船的长度小于30 m
B.地球上的观测者测得该飞船的长度小于30 m
C.飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度小于c
D.地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度小于c
B
狭义相对论有两个显著的效应，即时间延缓和长度收缩。可以通俗地理解为：运动的钟比静止的钟走得慢，而且运动速度越快，钟走得越慢，这就是所谓的时间延缓效应，当速度接近光速时，钟就几乎停止了；在尺子长度方向上运动的尺子比静止时短，这就是所谓的长度收缩效应，当速度接近光速时，尺子缩成一个点。　　
训练 如图所示，惯性系S中有一边长为L的立方体，从相对S系沿x方向以接近光速匀速飞行的飞行器上观察该立方体的形状是(　　)
解析　根据相对论效应可知，沿x轴方向正方形边长缩短，沿y轴方向正方形边长不变，故D正确。
D
知识点三　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，其理论经托勒密发展形成了“________”。
(3)日心说：1543年，哥白尼提出了“日心说”，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
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哈勃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
(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。
微波背景辐射
加速
暗物质
暗能量
引力波
悟空
随堂对点自测
2
AB
1.(狭义相对论)(多选)关于狭义相对论的说法，正确的是(　　)
A.在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的
B.在一切惯性参考系中，光在真空中的速度都等于c，与光源的运动无关
C.在牛顿力学时空观中认为同时发生的事件，在相对论时空观中也是同时发生的
D.时间和空间是永恒不变的
解析　相对论时空观中，在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的，选项A正确；在一切惯性参考系中，光在真空中的速度都等于c，与光源的运动无关，选项B正确；相对论时空观中，时间和空间具有相对性，故选项C、D错误。
BC
2.(时间延缓)(多选)接近光速飞行的飞船和地球上各有一只相同的铯原子钟，飞船和地球上的人观测这两只钟的快慢，下列说法正确的有(　　)
A.飞船上的人观测到飞船上的钟较慢
B.飞船上的人观测到飞船上的钟较快
C.地球上的人观测到地球上的钟较快
D.地球上的人观测到地球上的钟较慢
解析　飞船上的人是以飞船为参考系，故地球是高速运动的，飞船上的人观测到地球上的钟较慢，即飞船上的人观测到飞船上的钟较快，A错误，B正确；地球上的人以地球为参考系，认为飞船高速运动，飞船上的钟较慢，故地球上的人观测到地球上的钟较快，C正确，D错误。
D
3.(长度收缩)假设地面上有一火车以接近光速的速度运行，其内站立着一个中等身材的人，站在路旁的人观察车里的人，观察的结果是(　　)
A.这个人是一个矮胖子 B.这个人是一个瘦高个子
C.这个人矮但不胖 D.这个人瘦但不高
解析　取路旁的人为惯性系，车上的人相对于路旁的人高速运动，根据长度收缩效应，人在运动方向上将变窄，但在垂直于运动方向上没有发生变化，故D正确。
A
4.(长度收缩)如图所示，假设一根10 cm长的梭镖以接近光速的速度穿过一根10 cm长的静止的管子，它们的长度都是在静止状态下测量的。以下叙述中最好地描述了梭镖穿过管子情况的是(　　)
A.静止的观察者看到梭镖收缩变短，因此在某个位置，管子能完全遮住梭镖
B.静止的观察者看到梭镖变长，因此在某个位置，梭镖从管子的两端伸出来
C.静止的观察者看到两者的收缩量相等，因此在某个位置，管子仍恰好遮住梭镖
D.如果梭镖和管子都以光速c相向运动，则二者的相对速度是2c
解析　梭镖相对于静止的观察者高速运动，根据相对论的长度收缩效应可知，梭镖长度收缩变短，而管子相对于观察者是静止的，同理知管子长度不变，所以静止的观察者看到梭镖长度收缩变短，因此在某个位置，管子能完全遮住梭镖，故A正确，B、C错误；如果梭镖和管子都以光速c相向运动，根据光速不变原理知，二者的相对速度是c，故D错误。第二节　相对论时空观
第三节　宇宙起源和演化
学习目标　1.知道爱因斯坦狭义相对论的两条假设。2.了解时间延缓和长度收缩效应、时空弯曲。3.学习宇宙起源和演化。
知识点一　狭义相对论的基本假设
科学家爱因斯坦提出了认知宇宙的全新理论，他为我们展现了一个更加奇妙的宇宙，那里不仅有着多维时空，而且还拥有着虫洞和弯曲时空。你知道这是什么理论吗？
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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，一切物理规律都是相同的。
(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。
2.牛顿力学与狭义相对论比较
比较项目 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 任何情况都适用
速度的合成 时间与空间互不相干 速度与位移、时间的测量有关
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
知识点二　时空相对性　时空弯曲
(1)一对孪生兄弟，其中一个在做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.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，在不同的惯性系中观测，它们的时间间隔总是________的。
(2)时间间隔的相对性：时间间隔的相对性公式为Δt′＝Δt。
3.长度收缩
(1)经典的时空观：一个物体的长度不会因为观测者是否与物体做____________而不同。
(2)空间距离的相对性：狭义相对论中的长度公式为l′＝l，当物体相对于观测者运动时，在运动方向上，观测者测量到该物体的长度要________，而垂直于运动方向的长度不会发生变化。
4.时间弯曲
(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)物体决定时空的________，________决定物质的运动。
思考
经典时空观认为时间、空间是脱离物质而存在的。相对论则认为有物质才有时间和空间。“尺缩钟慢”效应说明哪种说法才是正确的。
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
例2 A、B两火箭沿同一方向高速飞过地面上的某处，vA>vB，在地面上的人观察到的结果正确的是(　　)
A.火箭A上的时钟走得最快
B.地面上的时钟走得最快
C.火箭B上的时钟走得最快
D.火箭B上的时钟走得最慢
例3 一艘太空飞船静止时的长度为30 m，他以0.6c(c为光速)的速度沿长度方向飞行越过地球，下列说法正确的是(　　)
A.飞船上的观测者测得该飞船的长度小于30 m
B.地球上的观测者测得该飞船的长度小于30 m
C.飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度小于c
D.地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度小于c
狭义相对论有两个显著的效应，即时间延缓和长度收缩。可以通俗地理解为：运动的钟比静止的钟走得慢，而且运动速度越快，钟走得越慢，这就是所谓的时间延缓效应，当速度接近光速时，钟就几乎停止了；在尺子长度方向上运动的尺子比静止时短，这就是所谓的长度收缩效应，当速度接近光速时，尺子缩成一个点。　　
训练 如图所示，惯性系S中有一边长为L的立方体，从相对S系沿x方向以接近光速匀速飞行的飞行器上观察该立方体的形状是(　　)
知识点三　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，其理论经托勒密发展形成了“________”。
(3)日心说：1543年，哥白尼提出了“日心说”，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。
随堂对点自测
1.(狭义相对论)(多选)关于狭义相对论的说法，正确的是(　　)
A.在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的
B.在一切惯性参考系中，光在真空中的速度都等于c，与光源的运动无关
C.在牛顿力学时空观中认为同时发生的事件，在相对论时空观中也是同时发生的
D.时间和空间是永恒不变的
2.(时间延缓)(多选)接近光速飞行的飞船和地球上各有一只相同的铯原子钟，飞船和地球上的人观测这两只钟的快慢，下列说法正确的有(　　)
A.飞船上的人观测到飞船上的钟较慢
B.飞船上的人观测到飞船上的钟较快
C.地球上的人观测到地球上的钟较快
D.地球上的人观测到地球上的钟较慢
3.(长度收缩)假设地面上有一火车以接近光速的速度运行，其内站立着一个中等身材的人，站在路旁的人观察车里的人，观察的结果是(　　)
A.这个人是一个矮胖子
B.这个人是一个瘦高个子
C.这个人矮但不胖
D.这个人瘦但不高
4.(长度收缩)如图所示，假设一根10 cm长的梭镖以接近光速的速度穿过一根10 cm长的静止的管子，它们的长度都是在静止状态下测量的。以下叙述中最好地描述了梭镖穿过管子情况的是(　　)
A.静止的观察者看到梭镖收缩变短，因此在某个位置，管子能完全遮住梭镖
B.静止的观察者看到梭镖变长，因此在某个位置，梭镖从管子的两端伸出来
C.静止的观察者看到两者的收缩量相等，因此在某个位置，管子仍恰好遮住梭镖
D.如果梭镖和管子都以光速c相向运动，则二者的相对速度是2c
第二节　相对论时空观
第三节　宇宙起源和演化
知识点一
导学　提示　相对论
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；狭义相对论只涉及惯性系，C错误，D正确。]
知识点二
导学　提示　(1)时间变慢了　(2)速度越大，长度越短
知识梳理
1．不同时的　2.(1)相同　3.(1)相对运动　(2)缩短　4.(1)弯曲　强　(2)变慢　(3)弯曲　时空
[思考] 提示　相对论时空观才是正确的。
例2 B　[由Δt′＝Δt知，地面上的人观察到的结果为A、B两火箭上的时钟都变慢了。又vA＞vB，则A火箭上的时钟走得最慢，地面上的时钟走得最快，因此B正确，A、C、D错误。]
例3 B　[由l′＝l知A错误，B正确；由相对论时空观的基本假设知光信号的速度都等于c，C、D错误。]
训练 D　[根据相对论效应可知，沿x轴方向正方形边长缩短，沿y轴方向正方形边长不变，故D正确。]
知识点三
1．(2)地心说　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
随堂对点自测
1．AB　[相对论时空观中，在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的，选项A正确；在一切惯性参考系中，光在真空中的速度都等于c，与光源的运动无关，选项B正确；相对论时空观中，时间和空间具有相对性，故选项C、D错误。]
2．BC　[飞船上的人是以飞船为参考系，故地球是高速运动的，飞船上的人观测到地球上的钟较慢，即飞船上的人观测到飞船上的钟较快，A错误，B正确；地球上的人以地球为参考系，认为飞船高速运动，飞船上的钟较慢，故地球上的人观测到地球上的钟较快，C正确，D错误。]
3．D　[取路旁的人为惯性系，车上的人相对于路旁的人高速运动，根据长度收缩效应，人在运动方向上将变窄，但在垂直于运动方向上没有发生变化，故D正确。]
4．A　[梭镖相对于静止的观察者高速运动，根据相对论的长度收缩效应可知，梭镖长度收缩变短，而管子相对于观察者是静止的，同理知管子长度不变，所以静止的观察者看到梭镖长度收缩变短，因此在某个位置，管子能完全遮住梭镖，故A正确，B、C错误；如果梭镖和管子都以光速c相向运动，根据光速不变原理知，二者的相对速度是c，故D错误。]

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