2019-2020学年新教材高中物理第5章科学进步无止境教案鲁科版必修第二册 7页

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 ‎【学习素养·明目标】　物理观念：1.能初步了解相对论时空观的内涵，初步了解宇宙起源与演化的研究进展.2.能运用与相对论相关的初步知识解释高速世界的一些特点.3.尝试建立初步的相对论时空观．‎ 科学思维：1.知道研究高速世界需要建构物理模型.2.知道科学推理与大胆想象的重要性.3.能用与狭义相对论相关的证据尝试说明高速世界的一些特点．‎ 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(c＝3×108 m/s)．‎ 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τ＝，τ0为运动时间，τ为静止时间．‎ ‎2．长度收缩效应 ‎(1)在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变小．‎ ‎(2)关系式： l＝l0.‎ ‎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：E＝mc2，这就是著名的爱因斯坦质能方程．‎ ‎(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ΔE＝Δmc2.‎ ‎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．‎ 7‎ 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．永不停息的探索 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．‎ ‎1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)‎ ‎(1)经典物理学认为，时间和空间与物质及其运动无关，并且时间和空间是完全独立的 (√)‎ ‎(2)在不同的惯性系中，在不同的方向上，光的传播速度大小是不同的． (×)‎ ‎(3)在高速世界中，运动的时钟会变慢，而在低速世界中这种效应可以忽略． (√)‎ ‎(4)大爆炸宇宙模型认为宇宙起源于一个“奇点”． (√)‎ ‎(5)科学家还没有证据证明黑洞的存在． (×)‎ ‎2．(多选)关于狭义相对论的两个假设，下列说法正确的是(　　)‎ A．在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的 B．在不同的惯性参考系中，力学规律都一样，电磁规律不一样 C．真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的 D．真空中的光速在不同的惯性参考系中是有差别的 AC　[狭义相对论的基本假设有两个，分别是爱因斯坦相对性原理和光速不变原理．选项A、C正确．]‎ ‎3．(多选)关于大爆炸宇宙模型的下列说法正确的是(　　)‎ A．宇宙起源于一个特殊的点，这个点大爆炸，是空间的开始 B．宇宙大爆炸后空间膨胀一定会一直持续下去，永不停止 C．宇宙起源的“奇点”温度无限高，密度无限大 D．宇宙膨胀到某个极大值后可能会收缩 ACD　[‎ 7‎ 根据大爆炸宇宙模型，宇宙起源于“奇点”，该“奇点”温度无限高，密度无限大，认为该点拥有无穷的能量，但体积无限小，故C正确．宇宙爆炸后，急剧膨胀，宇宙未来的演化有两种可能，一是持续膨胀，另一种是膨胀到极限后又收缩成一个新的“奇点”，故B错误，D正确．“奇点”爆炸是宇宙的始点，既是时间的起点又是空间的始点，故A正确．]‎ 爱因斯坦的狭义相对论 几个主要结论 相对事件发生地(或物体)静止的参考系中观察 相对事件发生地(或物体)运动的参考系中观察 ‎“同时”的相对性 事件同时但不同地点发生 事件不同时发生 时间间隔的相对性 两个事件发生的时间间隔为Δt′‎ 两事件发生的时间间隔变大τ＝ 长度的相对性 杆的长度为l0‎ 若参考系沿杆的方向运动，观察到的杆的长度减小l＝l0 ‎【例1】　一支静止时30 m的火箭以3 km/s的速度从观察者的身边飞过．‎ ‎(1)观察者测得火箭的长度应为多少？‎ ‎(2)火箭上的人测得火箭的长度应为多少？‎ ‎(3)如果火箭的速度为光速的二分之一，观察者测得火箭的长度应为多少？‎ ‎(4)火箭内完好的手表走过了1 min，地面上的人认为经过了多少时间？‎ 思路探究：解此题的关键是理解公式l＝l0、τ＝中各符号的意义．‎ ‎[解析]　火箭上的人相对火箭永远是静止的，无论火箭速度是多少，火箭上的人测得火箭长与静止时测得的火箭的长均是l＝30 m，而火箭外面的观察者看火箭时，有相对速度v，则它的测量值要缩短，即l′＜l，由l′＝l，当v＝3×103 m/s时，l′＝30× m≈30 m，当v＝时，l′≈26 m．火箭上时间Δt′＝1 min，火箭的速度v＝3 km/s，所以地面上观测到的时间Δt＝＝ min≈1 min.‎ ‎[答案]　(1)约30 m　(2)30 m　(3)约26 m　(4)约1 min 7‎ 理解相对论效应的两点注意 ‎(1)时间延缓效应是一种观测效应，不是时钟走快了或走慢了，也不是被观测过程的节奏变化了．‎ ‎(2)长度收缩效应也是一种观测效应，不是物体本身发生了收缩．另外，在垂直于运动方向上不会发生收缩效应．‎ ‎1．(多选)在狭义相对论中，下列说法正确的是(　　)‎ A．所有惯性系中基本规律都是等价的 B．在真空中，光的速度与光的频率、光源的运动状态无关 C．在不同惯性系中，光在真空中沿不同方向传播速度不相同 D．时间与物体的运动状态有关 ABD　[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；且在一切惯性系中，光在真空中的传播速度都相等；质量、长度、时间的测量结果会随物体与观察者的相对状态的改变而改变，故A、B正确，C错误．在狭义相对论中，时间与物体的运动状态有关，D正确．]‎ ‎2．半人马星座α星是离太阳系最近的恒星，它距地球为4.3×1016 m．设有一宇宙飞船自地球往返于半人马星座α星之间．‎ ‎(1)若宇宙飞船的速率为0.999c，按地球上时钟计算，飞船往返一次需要时间为 s.‎ ‎(2)如以飞船上时钟计算，往返一次的时间为 s.‎ ‎[解析]　(1)由于题中恒星与地球的距离s和宇宙飞船的速度v均是地球上的观察者测量的，故飞船往返一次，地球时钟所测时间间隔Δt＝＝2.87×108 s.‎ ‎(2)可从相对论的时间延缓效应考虑．把飞船离开地球和回到地球视为两个事件，显然飞船上的钟测出两事件的时间间隔Δt′是固定的，地球上所测的时间间隔Δt与Δt′之间满足时间延缓效应的关系式．以飞船上的时钟计算，飞船往返一次的时间间隔为Δt′＝Δt＝1.28×107 s.‎ ‎[答案]　(1)2.87×108 s　(2)1.28×107 s 探索宇宙的奥秘 ‎1．广义相对论的两个基本原理的理解 7‎ ‎(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．‎ ‎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．]‎ ‎4．(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．]‎ 7‎ ‎1．关于经典力学和相对论，下列说法正确的是 (　　)‎ A．经典力学和相对论是各自独立的学说，互不相容 B．相对论是在否定了经典力学的基础上建立起来的 C．相对论和经典力学是两种不同的学说，二者没有联系 D．经典力学包含在相对论之中，经典力学是相对论的特例 D　[相对论的建立并没有否定经典力学，而是认为经典力学是相对论在一定条件下的特殊情形．所以A、B、C错误，D正确．]‎ ‎2．科学家预言，在遥远的将来，离子推进发动机驱动的宇宙飞船很可能会用于宇宙航行，这种飞船能以接近光速的速度飞行．设想在以0.9c飞行的飞船上打开一个光源，则下列说法正确的是 (　　)‎ A．飞船正前方的观察者看到的光速为1.9c B．飞船正后方的观察者看到的光速为0.1c C．在垂直飞船前进方向上的观察者看到的光速是 D．在任何地方的观察者看到的光速都是c D　[根据光速不变原理知，在任何惯性系中测得的真空中的光速都相同，都为c，故D正确．]‎ ‎3．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，则壮壮观测到该光束的传播速度为(　　)‎ 7‎ A．0.4c B．0.5c　　　C．0.9c　　　D．1.0c D　[根据光速不变原理，在任何参照系中测量的光速都是c，D正确．]‎ ‎4．如果真空中的光速为c＝3×108 m/s，当一个物体的运动速度为v1＝2.4×108 m/s时，质量为3 kg，当它的速度为v2＝1.8×108 m/s时，质量为多少？‎ ‎[解析]　根据m＝得＝，代入数据得m2＝2.25 kg.‎ ‎[答案]　2.25 kg 7‎