1、第1节初识相对论第2节相对论中的神奇时空第3节探索宇宙的奥秘核心素养明目标核心素养学习目标物理观念(1)了解经典力学的相对性原理，了解牛顿的绝对时空观。(2)知道狭义相对论的两个基本原理的内容；知道狭义相对论关于时空相对性的主要结论。(3)关注宇宙的起源和演化的研究进程，了解什么是科学探究和科学思维。(4)初步了解宇宙中包含什么。科学思维(1)知道在可靠的实验事实基础上，进行科学推理、合理假设等科学研究方法的重要性。(2)初步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。科学态度与责任(1)通过学习，体会科学理论既具有相对稳定性，又是不断发展完善的。(2)通过学习，体会在科学研究中
2、不放过丝毫疑惑、穷根究底的态度和责任。(3)了解人类对宇宙永不停息地探索历程，体会科学家进行科学探究的态度和责任。知识点一初识相对论1相对性原理所有物理规律在一切惯性参照系中都具有相同的形式。2光速不变原理在一切惯性参照系中，测量到的真空中的光速c都一样(c3108 m/s)。1：思考辨析(正确的打“”，错误的打“”)(1)经典力学在任何情况下都适用。()(2)在惯性参考系中，观测其空中传播的光，光传播速度与光源或观察者的运动有关。()知识点二相对论中的神奇时空观1时间延缓效应(1)在相对论时空观中，运动的时钟比静止的时钟走得慢。(2)关系式为，0为运动时间，为静止时间。2长度收缩效应(1)在
3、相对于物体运动着的惯性系中沿运动方向测出的物体长度，比在相对静止的惯性系中测出的长度小。(2)关系式： ll0。3质能关系(1)按照相对论及基本力学定律可推出质量和能量有如下关系：Emc2，这就是著名的质能关系式。(2)质量和能量是物质不可分离的属性，当物质的质量减少或增加时，必然伴随着能量的减少或增加，其关系为Emc2。4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。2：思考辨析(正确的打“”，错误的打“”)(1)时间延缓效应是说时钟走得慢了。()(2)长度的收缩效应表明物体真实长度变小。()(3)爱因斯坦质能关系式Emc2
4、表明物体具有的能量与其质量成正比。()知识点三探索宇宙的奥秘1宇宙的起源“大爆炸”宇宙模型认为：宇宙从一个温度无限高，物质密度无限大的“奇点”爆炸而成。大爆炸宇宙模型不仅能解释宇宙光谱的红移现象，而且预言在大爆炸的背景下产生的微波辐射至今仍存在于宇宙空间中。2宇宙的演化通过观测和理论分析，科学家推测宇宙的大部分都是由暗物质和暗能量组成的。3永不停息地探索宇宙茫茫无际，人类的探索也不会停止，为了摆脱大气层的影响，人们先后发射了许多人造卫星及宇宙飞行器，用于天文观测。2016年，我国落成启用的世界上最大单口径、最灵敏、具有我国自主知识产权的射电望远镜，是人类探索宇宙深处奥秘的神奇“眼睛”“中国天眼
5、”。 考点1爱因斯坦的狭义相对论粒子对撞机可以把质子加速到接近于光速，如图所示。经典力学是否适用于质子的运动规律？如何研究质子的运动规律？提示：不适用。经典力学只适用于宏观低速运动，描述微观高速粒子的运动要用相对论。1两个基本原理(1)相对性原理：所有物理规律在一切惯性参照系中都具有相同的形式。也就是说，物理学定律与惯性系的选择无关。(2)光速不变原理：在一切惯性参照系中，测量到的真空中的光速c都一样。也就是说，不管光源与观察者的相对运动如何，在任一惯性系中的观察者所观测到的真空中的光速都是相等的。2两个效应(1)时间延缓效应：爱因斯坦曾预言，两个校准好的钟，当一个沿闭合路线运动返回原地时，它
6、记录的时间比原地不动的钟会慢一些。这已被高精度的铯原子钟超音速环球飞行实验证实。在相对论时空观中，运动时钟时间与静止时钟时间的关系：。由于v0，即运动的钟比静止的钟走得慢。这种效应被称为时间延缓。(2)长度收缩效应：按照狭义相对论时空观，空间也与运动密切相关，即对某物体空间广延性的观测，与观测者和该物体的相对运动有关。观测长度l与静止长度l0之间的关系：ll0，由于vc，所以l0时，物体的质量mm0，即物体的质量改变了，故这种情况下，经典力学不再适用C当物体以较小速度运动时，质量变化十分微弱，经典力学理论仍然适用，只有当物体以接近光速运动时，质量变化才明显，故经典力学适用于低速运动，而不适用于
7、高速运动D通常由于物体的运动速度太小，质量的变化引不起我们的感觉，故在分析地球上物体的运动时，不必考虑质量的变化ACD公式中m0是静止质量，m是物体以速度v运动时的质量，A正确；由公式知，只有当v的大小与光速具有可比性时，物体的质量变化才明显，一般情况下物体的质量变化十分微小，故经典力学仍然适用，B错误，C、D正确。4(角度二)为了直接验证爱因斯坦狭义相对论中著名的质能方程Emc2，科学家用中子轰击铀原子，分别测出原子捕获中子前后质量的变化以及核反应过程中放出的能量，然后进行比较，精确验证了质能方程的正确性。设捕获中子前的原子质量为m1，捕获中子后的原子质量为m2，被捕获的中子质量为m3，核反
8、应过程放出的能量为E，则这一实验要验证的关系式是()AE(m1m2m3)c2 BE(m1m3m2)c2CE(m2m1m3)c2 DE(m2m1m3)c2B核反应过程：释放能量，质量一定减少，质量的减少量mm1m3m2，由质能关系式得E(m1m3m2)c2。 考点3探索宇宙的奥秘人类不断的探索宇宙的奥秘，宇宙的起源和宇宙的演化，试探究：(1)现在宇宙是什么模型？(2)1998年，科学家通过观测，证明了什么？提示：(1)大爆炸宇宙模型。(2)发现宇宙正加速膨胀，证明了暗能量的存在。1广义相对论的两个基本原理的理解(1)广义相对性原理：爱因斯坦把狭义相对性原理从惯性参考系推广到了非惯性系在内的所有参
9、考系，一切参考系对于描述物理规律和物理现象来说都是平等的，无论用什么参考系，物理规律都是相同的。(2)等效原理：在物理学中，一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系的惯性力场有等效性。2光线在引力场中弯曲：根据广义相对论，物质的引力会使光线弯曲，引力场越强，弯曲越厉害。通常物体的引力场都太弱，但太阳引力场却能引起光线比较明显的弯曲。3引力红移：按照广义相对论，引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别。例如，在强引力的星球附近，时间进程会变慢，因此光振动会变慢，相应的光的波长变长、频率变小，光谱线会发生向红光一端移动的现象。广义相对论所做出的以上预言全部被实验观测证实。还有其他一些事实也
10、支持广义相对论。目前，广义相对论已经在宇宙结构、宇宙演化等方面发挥了主要作用。【典例3】(多选)下面说法符合广义相对论的是()A物质的引力使光线弯曲B强引力场附近的时间进程会变慢C强引力场附近的时间进程会变快D恒星发出的光在太阳引力场作用下会发生弯曲ABD观测结果证实了引力使光线弯曲的结论，A正确；引力红移的存在，证明了强引力场附近的时间进程会变慢，B正确，C错误；恒星发出的光在太阳引力场作用下会发生弯曲，D正确。5(多选)在引力可以忽略的空间有一艘宇宙飞船在做匀加速直线运动，一束光垂直于运动方向在飞船内传播，下列说法中正确的是()A船外静止的观察者看到这束光是沿直线传播的B船外静止的观察者看
11、到这束光是沿曲线传播的C航天员以飞船为参考系看到这束光是沿直线传播的D在加速参考系中的惯性力场等效于引力场AD在惯性参考系中，光是沿直线传播的，故A正确，B错误；而在非惯性参考系中，因为有相对加速度，根据等效原理，光将做曲线运动，C错误；在加速参考系中的惯性力场等效于引力场，D正确。1如图所示，按照狭义相对论的观点，火箭B是“追赶”光的；火箭A是“迎着”光飞行的，若火箭相对地面的速度大小均为v，则两火箭上的观察者测出的光速分别为()Acv，cvBc，cCcv，cv D无法确定B根据光速不变原理，B正确。2通常我们把地球和相对地面静止或匀速运动的物体参考系看成是惯性系，若以下列系统为参考系，则属
12、于非惯性系的有()A停在地面上的汽车B绕地球做匀速圆周运动的飞船C在大海上匀速直线航行的轮船D匀速行驶的火车B停在地面上的汽车、匀速直线航行的轮船和匀速行驶的火车是惯性系，而匀速圆周运动的飞船是做变速运动，是非惯性系，故B正确。3根据狭义相对论的两个基本假设，下列推论正确的是()A运动的时钟变慢B运动的时钟变快C运动的尺子变长D物体的质量随速度的增加而减小A根据爱因斯坦的相对论中时间间隔的相对性公式，速度越大时间间隔越大，即运动的时钟会变慢；根据爱因斯坦的相对论的尺缩效应，可知道运动的尺子变短；由相对论质速关系m，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A正确，B、C、D错误
13、。4(新情境题，以“太空射线爆发”为背景，考查质能关系)科学家发现太空中的射线一般都是从很远的星体放射出来的。当射线爆发时，在数秒钟内所产生的能量相当于太阳在过去100亿年所产生的能量总和的1 000倍左右，大致相当于将太阳的全部质量转变为能量的总和。科学家利用超级计算机对射线的状态进行了模拟，经模拟发现射线爆发是起源于一个垂死的星球的“坍缩”过程，只有星球“坍缩”时，才可以发出这么巨大的能量。问题：已知太阳光照射到地球上大约需要8分20秒的时间，由此来估算，在宇宙中，一次射线爆发所放出的能量。(引力常量G6.671011Nm2/kg2，1年时间约为3.15107 s，210)解析地球绕太阳做匀速圆周运动，半径rct3108500 m1.51011m万有引力提供向心力，有mr太阳的质量为Mkg2.01030kg射线爆发所发出的能量EMc22.01030(3108)2 J1.81047 J。答案1.81047 J回归本节知识，自我完成以下问题：(1)狭义相对论的两个基本原理指的是什么？提示：相对性原理和光速不变原理。(2)试写出时间延缓效应和长度收缩效应关系式。提示：，ll0。(3)试写出相对论中的质速关系式和质能关系式。提示：m，Emc2或Emc2。