資源簡介

(共29張PPT)
第二節 相對論中的神奇時空
高中物理魯科版（2019）必修第二冊
教學課件
Teaching Courseware
20XX.XX.XX
第五章 科學進步無止境
PART.1
PART.2
PART.3
PART.4
素養目標
新課講解
新課導入
經典例題
目錄
CONTENTS
PART.2
PART.4
課堂練習
課堂小結
1.知道狹義相對論關于時空相對性的主要結論。
2.了解時間延緩效應和長度收縮效應的主要內容及推理的思維過程。
3.初步了解時空彎曲現象，知道牛頓經典力學的適用范圍及原因。
素養目標
新課導入
在日常生活和生產中，為了研究物體的運動，必須選定適當的參考系，對于不同的參考系，長度和時間的測量結果是否是一樣的？
對上述問題的討論，物理學家進行了長期的探索。于是，物理學經歷了一場關于時空觀的根本性變革，從牛頓時代的經典力學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？這些結論是如何從狹義相對論的兩個基本假設得出的呢？
新課講解
New lesson explanation
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：在經典物理學中，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，結論還是這樣嗎？
假設一列火車沿平直軌道飛快地勻速行駛。車廂中央的光源發出了一個閃光，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象，地面上的觀察者又會看到什么現象？
新課講解
根據愛因斯坦假設：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，閃光當然會同時到達前后兩壁。
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，車廂向前行進了一段距離，所以向前的光傳播的路程長些即：閃光先到達后壁，后到達前壁因此，這兩個事件不是同時發生的。
根據愛因斯坦的假設：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:閃光同時到達車廂的前后兩壁
地面上的觀察者:閃光先到達車廂后壁，后到達前壁
同時性是相對的
新課講解
一、時間延緩效應
經典時空觀認為，時間是絕對時間，就像一條長河，源源不斷地從過去到現在直至將來，與運動無關。而相對論時空觀則認為，當時鐘相對于觀測者靜止時，時鐘走得快些； 當時鐘相對于觀測者高速運動時，觀測者則認為時鐘變慢了。
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。
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，那么就會出現這樣的現象：
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，時鐘變慢了。
這樣的現象稱為動鐘變慢
新課講解
二、長度收縮效應
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。
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，那么就會出現這樣的現象：
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，直尺變短了。
這樣的現象稱為動尺變短
特別注意：
長度縮短效應只發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。
思考：為什么我們平時觀察不到這種長度收縮效應？
因為我們生活在比光速低很多的低速世界里，長度收縮效應可忽略不計。
新課講解
三、質能方程
在經典力學中，質量和能量和物體的運動無關，是兩個獨立概念。按照相對論及基本力學定律可以推出，質量和能量具有這樣關系：
能量
質量
光速
隨著物體質量的減少，它會釋放出一定的能量。
在經典力學中質量是不變的，和物體的運動無關，從相對論角度看質量是變化的。
m0——物體的靜止質量。
m(v)——相對于觀察者以速度v運動時的質量，即相對論質量。
新課講解
在微觀粒子的實驗中，粒子的速率會達到接近光速的程度，這時質量隨速率的改變就很明顯了。例如v=0.98c時，此時電子的質量是m=5.03m0 ，這時質量的變化就不能忽略。
當v<新課講解
四、奇妙的時空彎曲
愛因斯坦的廣義相對論認為，由于物質的存在，空間和時間會發生彎曲。天體之間的引力作用是時空彎曲的結果。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。
當遙遠的恒星發出的光經過太陽表面時太陽周圍的空間彎曲，致使光線發生彎曲。
新課講解
太陽
地球上重力太弱，光線彎曲難以測量！
太陽質量大，它的引力足以使從遙遠恒星發出的光線經過太陽附近時，產生能夠測量到的彎曲！
課堂練習
Classroom Practice
課堂練習
1.物理學的發展豐富了人類對物質世界的認識，推動了科學技術的創新和革命，促進了物質生產的繁榮與人類文明的進步，根據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.物體的質量取決于物體所含物質的多少，與物體的運動速度無關
D.質量、長度、時間的測量結果都是隨物體與觀測者的相對運動狀態而改變
課堂練習
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論：①鐘慢效應：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：在尺子長度方向上運動的尺子比靜止的尺子短，當速度接近光速時，尺子縮成一個點.故B正確；
C.由相對論質量公式可知，當物體的速度很大時，其運動時的質量明顯大于靜止時的質量，故C錯誤；
D.質量、長度、時間的測量結果都是隨物體與觀測者的相對運動狀態而改變，故D正確。
故選ABD。
課堂練習
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條件以及在相對論理論下觀察到的不同現象，如果有接近光速運動下的物體時間和空間都會發生相應的變化，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
2.答案：B
解析：根據相對論的兩個基本假設可知，在不同的慣性參考系中，一切物體的規律是相同的，故A錯誤；
根據相對論的兩個基本假設可知，在不同的慣性參考系中，真空中的光速是相同的，故B正確；
根據長度相對論關系 可知，當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，經典力學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
3.某考生現在正在完成100分鐘的期末物理考試，假設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相對論認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
3.答案：A
解析：根據狹義相對論可知，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
4.一輛轎車在山區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，在將要抵達隧道口時，下列說法正確的是( )
A.司機觀察到的隧道口為橢圓形，隧道的總長度變短
B.司機觀察到的隧道口為圓形，隧道的總長度不變
C.司機觀察到的隧道口為橢圓形，隧道的總長度不變
D.司機觀察到的隧道口為圓形，隧道的總長度變短
課堂練習
4.答案：D
解析：根據狹義相對論，在運動方向上長度變短，故隧道長度變短，在垂直運動方向上長度不變，故隧道口為圓形，D正確.
課堂小結
Class Summary
課堂小結
一、時間延緩效應
二、長度收縮效應
三、質能方程
四、奇妙的時空彎曲
當遙遠的恒星發出的光經過太陽表面時太陽周圍的空間彎曲，致使光線發生彎曲。
感謝觀看
THANK YOU

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