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(共23张PPT)
5.2 相对论时空观简介
人在舟中，闭牖（yǒu）而坐，舟行而人不觉。
假如你在这艘船上测量一束光的速度，光速能否因为船的速度而改变？
1.了解相对论的诞生及发展历程。
2.知道狭义相对论中运动长度l和运动时钟及质量随运动速度的变化规律。
3.知道爱因斯坦质能关系。
4.初步认识狭义相对论和广义相对论的内容和基本原理。
一、相对论的诞生
1.十九世纪，英国科学家麦克斯韦，提出了电磁场理论，预言了电磁波的存在，并从理论上证明了，电磁波传播的速度等于光速。
麦克斯韦（1831—1879）
按照麦克斯韦电磁场理论，真空中的光速是一个常量，在不同惯性参考系中应当有相同的值，这与经典力学相矛盾。
（1）相对性原理：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的,表明在任何惯性系中研究某个物体的某一运动过程，其运动规律形式不变。
2.相对论的两个基本假设
（2）光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。表明了经典时空观与相对论时空观的不同。
二、狭义相对论
1.同时的相对性
同时是相对的，是指相隔一定距离发生的两件事，在一个参考系中观测是同时发生的，在相对于此参考系运动的另一个参考系中观测就可能不是同时，而是一先一后发生的。
同时为什么是相对的？
例如：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。
（1）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？
（2）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？
车上的观察者:闪光同时到达车厢的前后两壁（图甲）
地面上的观察者:闪光先到达车厢后壁，后到达前壁（图乙）
同时性是相对的
学生活动：探究时间相对性
2.运动时钟变慢（时间间隔的相对性）
如果相对地面以v运动的某惯性参考系上的人，观察与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为Δτ ，地面上的人观察该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为Δt，两者之间的关系为：
由于物体的速度不可能达到光速，故
＜ 1
总有Δt >Δτ，时间不再是绝对的，而是相对的。
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：
3.长度的相对性
由于物体的速度不可能达到光速，故
＜ 0
总有l＜l0，空间距离也不再是绝对的，而是相对的。
4.相对论质量和能量
（1）质能方程：一定的质量和一定的能量对应．
公式：E＝mc2，式中m是物体的质量，E是物体具有的能量．
意义：
①质量为m的物体，对应(不能说“具有”)的能量为mc2.
②当质量减少(增加)Δm时，就要释放出(吸收)ΔE＝Δm·c2的能量．
爱因斯坦质能方程从理论上预言了核能释放及原子能利用和原子弹研制的可能性．
4.相对论质量和能量
（2）相对论质量
物体以高速v运动时的质量m与静止时的质量之间的关系是m=。此式中是v=0时物体的质量，称为静质量，它是不变的量。
5.相对论时空观
时间和空间的量度是与物体的运动有关的，是相对的。运动物体的长度测量建立在必须同时进行观测的基础上，说明时间和空间的量度又是相互紧密联系的。这种对时间和空间量度的相对性和相互联系的认识是相对论时空观的主要支点。
经典时空观是相对论时空观的特殊表现。在低速范围内，在广泛的技术领域，建立在经典时空观的基础上的牛顿运动定律仍然成立。探索太空的宇宙航行能够实现就是明证。
1.如何认识“同时”的相对性？
“同时”是指两个事件发生的时刻是一样的。“同时”的相对性是说，在一个惯性系中同时发生的两个事件，在另一个惯性系中则可能不是同时发生的，即“同时”是相对的，也就是说，有人看到同时发生的事件，在其他观察者眼里可能不是同时发生的。
2.如何正确理解时间间隔的相对性
3.怎样理解长度的相对性？
讨论交流
经典时空观 狭义相对论时空观
光速 相对的 绝对的（不变）
同时 绝对的 相对的
时间与空间 与运动无关 与运动有关
质量 与运动无关 随速度增大而增大
经典时空观和狭义相对论时空观有什么区别？
三、广义相对论点滴
1.爱因斯坦有一个基本思想：自然界遵循的规律是统一的。
2.两个基本假设
(1)广义相对性原理：在任何参考系中，物理规律都是相同的。
(2)等效原理：一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价。
3.广义相对论的诞生
（1）引力作用使光波发生频移，从引力势能低处发出的光波在引力势能高处接收到时，其频率变低，发生“红移”；相反，从引力势能高处向引力势能低处发射光波，接收到的频率变高，发生“蓝移”。这已被地面上精密的实验证实。
（2）水星绕太阳运动的轨道与根据牛顿万有引力定律计算所得的不一致，这是一个在天文学史上长达百年的困惑。爱因斯坦用新建立的引力场方程取代了经典的万有引力定律，计算结果和实际观测符合得很好解决了天文学上的百年疑难。
（3）当两个天体相互绕转时，会向外界辐射出引力波。引力波的发现证实了广义相对论，并打开一扇前所未有的窥探宇宙的新窗口。
广义相对论指出了时间和空间的量度与物体间的引力有关，因而与它们的质量有关。物体因具有质量而使其周围的时间和空间发生了“弯曲”。虽然这种弯曲是我们人体器官感觉不到的，但可以通过各种方法间接地加以确定，而引力正是这种“时空弯曲”的表现。“弯曲”的程度越高，对应的引力也就越强（图5-2-13）。
相对论时空观简介
狭义相对论中主要的效应
同时的相对性
广义相对论
运动时钟变慢
长度的相对性
相对论质量和能量
相对论时空观
1.关于牛顿力学和狭义相对论，下列说法正确的是（　　）
A．牛顿力学适用于宏观世界弱引力场中的低速运动
B．牛顿力学适用于分析高速运动的μ子的寿命
C．在狭义相对论中，真空中光速是可变的
D．在狭义相对论中，物体的能量与质量无关
A
2.设某人在以速度为0.5c的飞船上，打开一个光源，则下列说法正确的是(　　)
A.飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为1.5c
B.飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为0.5c
C.在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是2c
D.在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c
D
3.某星际飞船正在遥远的外太空飞行，假如它的速度可以达到0.7c，在地球上观测到其经过8.76×104 h的时间到达某星球，则在飞船上的人看来，其到达此星球需要的时间是（　　）
A．8.76×104 h B．6.26×104 h
C．12.27×104 h D．16.52×104 h
B

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