第二節(jié)

相對論中的神奇時空高中物理魯科版（2019）必修第二冊教學(xué)課件TeachingCourseware20XX.XX.XX第五章科學(xué)進(jìn)步無止境PART.1PART.2PART.3PART.4素養(yǎng)目標(biāo)新課講解新課導(dǎo)入經(jīng)典例題目錄CONTENTSPART.2PART.4課堂練習(xí)課堂小結(jié)1.知道狹義相對論關(guān)于時空相對性的主要結(jié)論。2.了解時間延緩效應(yīng)和長度收縮效應(yīng)的主要內(nèi)容及推理的思維過程。3.初步了解時空彎曲現(xiàn)象，知道牛頓經(jīng)典力學(xué)的適用范圍及原因。素養(yǎng)目標(biāo)新課導(dǎo)入在日常生活和生產(chǎn)中，為了研究物體的運動，必須選定適當(dāng)?shù)膮⒖枷?，對于不同的參考系，長度和時間的測量結(jié)果是否是一樣的？對上述問題的討論，物理學(xué)家進(jìn)行了長期的探索。于是，物理學(xué)經(jīng)歷了一場關(guān)于時空觀的根本性變革，從牛頓時代的經(jīng)典力學(xué)跨越到愛因斯坦的相對論。愛因斯坦的狹義相對論告訴我們：運動的時鐘變慢、運動的尺子在運動的方向上縮短。這到底是為什么？這些結(jié)論是如何從狹義相對論的兩個基本假設(shè)得出的呢？新課講解Newlessonexplanation新課講解

相對論的時空觀念與人們固有的時空觀念差別很大，很難被普通人所理解。人們都稱贊愛因斯坦偉大，但又常常弄不懂這偉大的內(nèi)容。這使人們想起英國詩人波譜的詩句:自然和自然的法則在黑暗中隱藏；上帝說，讓牛頓去吧！于是一切都被照亮。魔鬼說，讓愛因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。世人的疑惑新課講解思考討論：在經(jīng)典物理學(xué)中，如果兩個事件在一個參考系中是同時的，在另一個參考系中一定也是同時的。但是，如果按照愛因斯坦的兩個假設(shè)，結(jié)論還是這樣嗎？假設(shè)一列火車沿平直軌道飛快地勻速行駛。車廂中央的光源發(fā)出了一個閃光，閃光照到了車廂的前壁和后壁。車上的觀察者將會看到什么現(xiàn)象，地面上的觀察者又會看到什么現(xiàn)象？新課講解根據(jù)愛因斯坦假設(shè)：真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的，兩個事件在一個參考系中是同時的，在另一個參考系中不一定也是同時的。車上的觀察者以車廂為參考系，閃光到達(dá)前后兩壁的時間相同嗎？如圖甲所示：因為車廂是個慣性系，閃光向前、后傳播的速率相同，光源又在車廂的中央，閃光當(dāng)然會同時到達(dá)前后兩壁。新課講解對車下的觀察者來說，以地面為參考系，閃光到達(dá)前后兩壁的時間相同嗎？在閃光飛向兩壁的過程中，車廂向前行進(jìn)了一段距離，所以向前的光傳播的路程長些即：閃光先到達(dá)后壁，后到達(dá)前壁因此，這兩個事件不是同時發(fā)生的。根據(jù)愛因斯坦的假設(shè)：真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的，所以他以地面為參考系，閃光向前、后傳播的速率對地面也是相同的。車上的觀察者:閃光同時到達(dá)車廂的前后兩壁地面上的觀察者:閃光先到達(dá)車廂后壁，后到達(dá)前壁同時性是相對的新課講解一、時間延緩效應(yīng)經(jīng)典時空觀認(rèn)為，時間是絕對時間，就像一條長河，源源不斷地從過去到現(xiàn)在直至將來，與運動無關(guān)。而相對論時空觀則認(rèn)為，當(dāng)時鐘相對于觀測者靜止時，時鐘走得快些；當(dāng)時鐘相對于觀測者高速運動時，觀測者則認(rèn)為時鐘變慢了。如果相對于地面以v運動的慣性參考系上的人觀察到與其一起運動的物體完成某個動作的時間間隔為Δτ，地面上的人觀察到該物體在同一地點完成這個動作的時間間隔為Δt，那么兩者之間的關(guān)系是

由此可見，時間不再是絕對的，而是相對的，這種情況被稱為時間延緩效應(yīng)。新課講解事實上，上述例子中的火車在運動的速度相比于光速，是很小的，由此引起的時間延緩效應(yīng)不明顯，如果火車的運動速度很大，我們就可以在上面放置時鐘，那么就會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象：火車上的人看時鐘，沒有什么異常；地面的人看時鐘，由于時間延緩效應(yīng)，時鐘變慢了。這樣的現(xiàn)象稱為動鐘變慢新課講解二、長度收縮效應(yīng)

如果有一根桿，與桿相對靜止的人測得桿長是l0，沿著桿的方向，以速度v相對桿運動的人測得桿長是l，那么l0與l兩者之間的關(guān)系是：

由此可見，空間距離也不再是絕對的，而是相對的，這種情況被稱為長度收縮效應(yīng)。新課講解同樣上述例子中的火車，如果火車的運動速度很大，我們就可以在上面放置直尺，那么就會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象：火車上的人看直尺，沒有什么異常；地面的人看直尺，由于長度收縮效應(yīng)，直尺變短了。這樣的現(xiàn)象稱為動尺變短特別注意：長度縮短效應(yīng)只發(fā)生在相對運動的方向上，如上例中的x

軸方向上，在y

軸方向上無長度縮短效應(yīng)。思考：為什么我們平時觀察不到這種長度收縮效應(yīng)？因為我們生活在比光速低很多的低速世界里，長度收縮效應(yīng)可忽略不計。新課講解三、質(zhì)能方程在經(jīng)典力學(xué)中，質(zhì)量和能量和物體的運動無關(guān)，是兩個獨立概念。按照相對論及基本力學(xué)定律可以推出，質(zhì)量和能量具有這樣關(guān)系：能量質(zhì)量光速隨著物體質(zhì)量的減少，它會釋放出一定的能量。在經(jīng)典力學(xué)中質(zhì)量是不變的，和物體的運動無關(guān)，從相對論角度看質(zhì)量是變化的。m0——物體的靜止質(zhì)量。m(v)——相對于觀察者以速度v運動時的質(zhì)量，即相對論質(zhì)量。新課講解在微觀粒子的實驗中，粒子的速率會達(dá)到接近光速的程度，這時質(zhì)量隨速率的改變就很明顯了。例如v=0.98c時，此時電子的質(zhì)量是m=5.03m0，這時質(zhì)量的變化就不能忽略。當(dāng)v<<c時，m

約等于m0

這時可以認(rèn)為物體的質(zhì)量與速率無關(guān)，等于其靜止質(zhì)量。這就是牛頓力學(xué)討論的情況，也就是說牛頓力學(xué)的結(jié)論是相對論力學(xué)在速度非常小時的近似。新課講解四、奇妙的時空彎曲愛因斯坦的廣義相對論認(rèn)為，由于物質(zhì)的存在，空間和時間會發(fā)生彎曲。天體之間的引力作用是時空彎曲的結(jié)果。萬有引力是廣義相對論的時空彎曲理論在弱引力場的近似表述。當(dāng)遙遠(yuǎn)的恒星發(fā)出的光經(jīng)過太陽表面時太陽周圍的空間彎曲，致使光線發(fā)生彎曲。新課講解太陽地球上重力太弱，光線彎曲難以測量！太陽質(zhì)量大，它的引力足以使從遙遠(yuǎn)恒星發(fā)出的光線經(jīng)過太陽附近時，產(chǎn)生能夠測量到的彎曲！課堂練習(xí)ClassroomPractice課堂練習(xí)1.物理學(xué)的發(fā)展豐富了人類對物質(zhì)世界的認(rèn)識，推動了科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新和革命，促進(jìn)了物質(zhì)生產(chǎn)的繁榮與人類文明的進(jìn)步，根據(jù)狹義相對論下列說法正確的是(

)A.真空中的光速是不變的B.運動的時鐘變慢與運動的尺子縮短C.物體的質(zhì)量取決于物體所含物質(zhì)的多少，與物體的運動速度無關(guān)D.質(zhì)量、長度、時間的測量結(jié)果都是隨物體與觀測者的相對運動狀態(tài)而改變課堂練習(xí)1.答案：ABD解析：A.真空中的光速是不變的，故A正確；B.狹義相對論的幾個基本結(jié)論：①鐘慢效應(yīng)：運動的鐘比靜止的鐘走得慢，而且，運動速度越快，鐘走的越慢，接近光速時，鐘就幾乎停止了；②尺縮效應(yīng)：在尺子長度方向上運動的尺子比靜止的尺子短，當(dāng)速度接近光速時，尺子縮成一個點.故B正確；C.由相對論質(zhì)量公式可知，當(dāng)物體的速度很大時，其運動時的質(zhì)量明顯大于靜止時的質(zhì)量，故C錯誤；D.質(zhì)量、長度、時間的測量結(jié)果都是隨物體與觀測者的相對運動狀態(tài)而改變，故D正確。故選ABD。課堂練習(xí)2.在1905年愛因斯坦提出了狹義相對論理論，此理論建立的前提有兩個假設(shè)條件以及在相對論理論下觀察到的不同現(xiàn)象，如果有接近光速運動下的物體時間和空間都會發(fā)生相應(yīng)的變化，下列說法中正確的是(

)A.在不同的慣性參考系中，一切物體的規(guī)律是不同的B.真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的C.物體在接近光速運動時，它沿運動方向上的長度會變大D.狹義相對論只適用于高速運動的物體，不適用于低速運動的物體課堂練習(xí)2.答案：B解析：根據(jù)相對論的兩個基本假設(shè)可知，在不同的慣性參考系中，一切物體的規(guī)律是相同的，故A錯誤；根據(jù)相對論的兩個基本假設(shè)可知，在不同的慣性參考系中，真空中的光速是相同的，故B正確；根據(jù)長度相對論關(guān)系

可知，當(dāng)物體在接近光速運動時，它沿運動方向上的長度會變小，故C錯誤；狹義相對論即適用于高速運動的物體，也適用于低速運動的物體，經(jīng)典力學(xué)是狹義相對論在低速（

）條件下的近似，故D錯誤。故選B。課堂練習(xí)3.某考生現(xiàn)在正在完成100分鐘的期末物理考試，假設(shè)一艘飛船相對該考生以0.3c的速度勻速飛過（c為真空中的光速），則飛船上的觀察者根據(jù)相對論認(rèn)為該考生考完這場考試所用時間(

)A.大于100分鐘

B.等于100分鐘

C.小于100分鐘

D.不能確定課堂練習(xí)3.答案：A解析：根據(jù)狹義相對論可知，飛船相對該考生以0.3c的速度勻速飛過時，飛船上的觀察者認(rèn)為該考生考完這場考試所用的時間，可知飛船上的觀察者認(rèn)為該考生考完這場考試所用的時間大于100分鐘，選項A正確.課堂練習(xí)4.一輛轎車在山區(qū)的高速公路上以接近光速的速度行駛，穿過眾多隧道，已知隧道口為圓形，在將要抵達(dá)隧道口時，下列說法正確的是(

)A.司機(jī)觀察到的隧道口為橢圓形，隧道的總長度變短B.司機(jī)觀察到的隧道口為圓形，隧道的總長度不變C.司機(jī)觀察到的隧道口為橢圓形，隧道的總長度不變