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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．了解狭义相对论的基本假设、同时性的相对性、时间延缓、长度收缩。　
2．认识牛顿力学时空观和相对论时空观的区别。　
3．知道时空弯曲。　
4．了解科学理论的相对性，体会科学理论是不断发展和完善的。　
5．了解古、近现代宇宙模型。
素养目标
知识点一　狭义相对论的基本假设
情境导入　伟大的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
自主学习
教材梳理　(阅读教材P123完成下列填空)
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
师生互动　任务1.当物体的运动速度远小于光速时，相对论物理学与牛顿力学的结论有没有区别？
提示：没有区别
任务2.相对论有没有否定牛顿力学？学习牛顿力学还有没有意义？
提示：相对论并没有否定牛顿力学，牛顿力学是相对论在一定条件下的特殊情形。
课堂探究
　 　(多选)对狭义相对论的理解下列正确的是
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。
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知识点二　时空相对性　时空弯曲
情境导入　(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？
提示：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。
提示：速度越大，长度越短
自主学习
不同时的
相同
相对运动
不变
4．时空弯曲
(1)根据广义相对论，物质的引力场会使光线______，引力场越强，光线弯曲越厉害。
(2)广义相对论告诉我们，引力场的存在使得空间不同位置的时间进程也存在差别，也可以说______发生了弯曲。
弯曲
时间
师生互动　牛顿力学认为时间、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
课堂探究
　 　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2
√

探究归纳
钟慢效应
时钟相对于观察者运动时，观察者会看到它变慢(与时钟相对于观察者静止时比较)了，运动速度越快，效果越明显，即运动着的时钟要变慢。
1．时间延缓效应的理论依据是光速不变原理。
2．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缓慢了。
3．日常生活中的时间延缓效应可以忽略，但在运动速度接近光速时，其影响比较大。
　 　惯性系S中有一边长为l的正方形，从相对S系沿x方向以接近光速飞行的飞行器上测得该正方形的图像是
例3
√
由相对论知识可知运动方向上的边长变短，即x轴方向的边长变短；垂直运动方向的边长不变，即y轴方向的边长不变，故C正确。
探究归纳
尺缩效应
一个物体相对于观察者运动时，观察者在运动方向上观测，它的长度要缩短(与物体相对于观察者静止时的长度比较)，速度越快，缩得越短，即运动着的尺子要缩短。
1．同一物体的长度在不同的参考系内测量，会得到不同的结果。
2．速度v越大，长度缩短得越多。
拓展变式1.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
√
根据相对论效应可知，沿x轴方向正方形边长缩短，沿y轴方向和z轴正方向正方形边长不变。故选D。

针对练．(2024·广州市高一统考期末)根据爱因斯坦提出的相对论，以下说法正确的是
A．牛顿力学理论普遍适用，大到天体，小到微观粒子均适用
B．在运动的参考系中测得的光速与其运动的速度有关
C．一个真实的物体，其运动速度有可能达到甚至超过真空中的光速
D．长度和时间的测量结果都与观测者的相对运动状态有关
√
牛顿力学只适用于宏观、低速运动的物体，对微观粒子不适用，A错误；根据光速不变原理可知，在所有惯性参考系中光速是恒定的，B错误；光速是速度的极限，一个真实的物体，其运动速度不可能达到甚至超过真空中的光速，C错误；根据爱因斯坦的相对论可知，长度和时间都是相对的，它们的测量结果都是随物体与观测者的相对运动状态而改变的，D正确。故选D。
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知识点三　宇宙的起源和演化
教材梳理　(阅读教材P130—P133完成下列填空)
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进一步发展形成了“________”。
(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了太阳，这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，并且随着时间的变化，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__________________，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。
宇宙微波背景辐射
加速
暗物质
暗能量
引力波
悟空
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随堂演练　对点落实
1．(教材P137T4改编)如图所示，强强乘坐速度为0.9c(c为光速)的宇宙飞船追赶正前方的壮壮，壮壮的飞行速度为0.5c，强强向壮壮发出一束光进行联络，则壮壮观测到该光速的传播速度为
A．0.4c B．0.5c
C．0.9c D．1.0c
√
根据光速不变原理，在一切惯性参考系中测量到的真空中的光速一样，都为c，选项D正确。
2．(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
√
√
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．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
√
取路旁的人为惯性参考系，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，故选D。
4．一艘太空飞船静止时的长度为30 m，它以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
√

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【素养目标】　1.了解狭义相对论的基本假设、同时性的相对性、时间延缓、长度收缩。　2.认识牛顿力学时空观和相对论时空观的区别。　3.知道时空弯曲。　4.了解科学理论的相对性，体会科学理论是不断发展和完善的。　5.了解古、近现代宇宙模型。
知识点一　狭义相对论的基本假设
【情境导入】　伟大的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
【教材梳理】(阅读教材P123完成下列填空)
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。
【师生互动】　任务1. 当物体的运动速度远小于光速时，相对论物理学与牛顿力学的结论有没有区别？
任务2. 相对论有没有否定牛顿力学？学习牛顿力学还有没有意义？
提示：任务1. 没有区别
任务2. 相对论并没有否定牛顿力学，牛顿力学是相对论在一定条件下的特殊情形。
(多选)对狭义相对论的理解下列正确的是(　　)
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
答案：BD
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。
知识点二　时空相对性　时空弯曲
【情境导入】　(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
【教材梳理】(阅读教材P124—P128完成下列填空)
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不同时的。
2．时间延缓(时间膨胀或钟慢效应)
(1)牛顿力学时空观：某两个事件，在不同的惯性系中观测，它们的时间间隔总是相同的。
(2)时间间隔的相对性公式为Δt′＝Δt。
3．长度收缩(尺缩效应)
(1)牛顿力学时空观：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)狭义相对论中的长度公式为l′＝l，但垂直于运动方向上的长度不变。
4．时空弯曲
(1)根据广义相对论，物质的引力场会使光线弯曲，引力场越强，光线弯曲越厉害。
(2)广义相对论告诉我们，引力场的存在使得空间不同位置的时间进程也存在差别，也可以说时间发生了弯曲。
【师生互动】　牛顿力学认为时间、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
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
答案：B
解析：由Δt′＝Δt可知，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。
钟慢效应
时钟相对于观察者运动时，观察者会看到它变慢(与时钟相对于观察者静止时比较)了，运动速度越快，效果越明显，即运动着的时钟要变慢。
1．时间延缓效应的理论依据是光速不变原理。
2．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缓慢了。
3．日常生活中的时间延缓效应可以忽略，但在运动速度接近光速时，其影响比较大。
惯性系S中有一边长为l的正方形，从相对S系沿x方向以接近光速飞行的飞行器上测得该正方形的图像是(　　)
答案：C
解析：由相对论知识可知运动方向上的边长变短，即x轴方向的边长变短；垂直运动方向的边长不变，即y轴方向的边长不变，故C正确。
尺缩效应
一个物体相对于观察者运动时，观察者在运动方向上观测，它的长度要缩短(与物体相对于观察者静止时的长度比较)，速度越快，缩得越短，即运动着的尺子要缩短。
1．同一物体的长度在不同的参考系内测量，会得到不同的结果。
2．速度v越大，长度缩短得越多。
拓展变式1.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(　　)
答案：D
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轴方向和z轴正方向正方形边长不变。故选D。
拓展变式2.在静止坐标系中的正立方体棱长为l0，另一坐标系以相对速度v平行于正立方体的一条棱运动。则在后一坐标系中的观察者测得的立方体的体积是多少？
答案：
解析：本题中正立方体相对于另一坐标系以速度v运动，一条棱与运动方向平行，则坐标系中观察者测得该条棱的长度为l＝l0
在后一坐标系中的观察者测得立方体的体积为
V＝l＝。
针对练．(2024·广州市高一统考期末)根据爱因斯坦提出的相对论，以下说法正确的是(　　)
A．牛顿力学理论普遍适用，大到天体，小到微观粒子均适用
B．在运动的参考系中测得的光速与其运动的速度有关
C．一个真实的物体，其运动速度有可能达到甚至超过真空中的光速
D．长度和时间的测量结果都与观测者的相对运动状态有关
答案：D
解析：牛顿力学只适用于宏观、低速运动的物体，对微观粒子不适用，A错误；根据光速不变原理可知，在所有惯性参考系中光速是恒定的，B错误；光速是速度的极限，一个真实的物体，其运动速度不可能达到甚至超过真空中的光速，C错误；根据爱因斯坦的相对论可知，长度和时间都是相对的，它们的测量结果都是随物体与观测者的相对运动状态而改变的，D正确。故选D。
知识点三　宇宙的起源和演化
【教材梳理】 (阅读教材P130—P133完成下列填空)
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进一步发展形成了“地心说”。
(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了太阳，这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，没有边界、没有中心，但在整体上是有限的、静态的宇宙。
(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均匀的，从各个方向看都是一样的，并且随着时间的变化，宇宙在不断膨胀。
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。
(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小、密度无限大、温度无限高、时空曲率无限大的奇点。宇宙“爆炸”之后不断膨胀，导致温度和密度迅速下降。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恒星和星系，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微波背景辐射，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加速膨胀，宇宙主要由暗物质和暗能量组成，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引力波，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“悟空”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。
1．(教材P137T4改编)如图所示，强强乘坐速度为0.9c(c为光速)的宇宙飞船追赶正前方的壮壮，壮壮的飞行速度为0.5c，强强向壮壮发出一束光进行联络，则壮壮观测到该光速的传播速度为(　　)
A．0.4c B．0.5c
C．0.9c D．1.0c
答案：D
解析：根据光速不变原理，在一切惯性参考系中测量到的真空中的光速一样，都为c，选项D正确。
2．(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
答案：BC
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。
3．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
答案：D
解析：取路旁的人为惯性参考系，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，故选D。
4．一艘太空飞船静止时的长度为30 m，它以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
答案：B
解析：由l′＝l可知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。
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