資源簡介

第二節　相對論時空觀
第三節　宇宙起源和演化
［學習目標］　1.了解狹義相對論的基本假設，了解時空相對性和時空彎曲。2.了解古代和近現代宇宙模型，了解宇宙學的新進展。
一、狹義相對論
1.狹義相對論的基本假設
(1)相對性原理：在所有的慣性參考系中，一切物理規律都是　　　　的。
(2)光速不變原理：在所有的慣性參考系中，測得的真空中的光速都　　　　。
2.牛頓力學與狹義相對論比較
牛頓力學 狹義相對論
形成時期 物理學形成的初期階段，理論較片面 物理學充分發展的現代，理論較完善、科學
適用范圍 低速運動、宏觀世界 任何慣性系中都適用
速度的合成 時間與空間互不相干，關系式v船岸=v船水+v水岸成立 速度與位移、時間的測量有關，v船岸=v船水+v水岸不成立
例1　(多選)對狹義相對論的理解正確的是 (　　)
A.在不同慣性系中，基本的物理規律可能是不同的
B.在不同慣性系中，光在真空中的傳播速度均相同
C.狹義相對論適合于任何慣性系，即適合于一切物體
D.狹義相對論只涉及慣性系
例2　設某人在速度為0.5c的飛船上打開一個光源，(c為真空中傳播的光速)則下列說法正確的是(　　)
A.飛船正前方地面上的觀察者看到這一光速為1.5c
B.飛船正后方地面上的觀察者看到這一光速為0.5c
C.在垂直飛船前進方向地面上的觀察者看到這一光速是c
D.在地面上任何地方的觀察者看到的光速都是c
二、時空相對性　時空彎曲
(1)一對孿生兄弟，其中一個在坐了長時間的宇宙旅行之后歸來，發現留在地球上的兄弟變得比自己要老——這就是愛因斯坦相對論中的“孿生子悖論”。這說明地球上的人在觀測高速運動的物體時，時間發生了什么變化？
(2)一個球體相對于我們加速運動時，其高度不變，但我們觀測到其長度發生了變化，試總結其變化規律。
1.時空相對性
(1)同時性的相對性：在一個慣性參考系中同時發生的兩個事件，在另一個慣性參考系看來是　　　　　　　　。
(2)時間延緩：①經典的時空觀：某兩個事件，在不同的慣性參考系中觀察，它們之間的時間間隔總是　　　　的。
②狹義相對論認為“動鐘變慢”：時間間隔的相對性公式為Δt'=　　　　　　　　。
(3)長度收縮：①經典的時空觀：一條桿的長度不會因為觀察者是否與桿做相對運動而不同。
②狹義相對論認為“動尺變短”：狹義相對論中的長度公式為l'=　　　　　　　　，但在垂直于桿的運動方向上，桿的長度　　　　。
(4)牛頓力學時空觀和相對論時空觀的區別
牛頓力學認為時間和空間是　　　　物質而存在的，時間和空間之間也是　　　　聯系的。相對論則認為　　　　才有時間和空間，時間和空間與　　　　　　　　有關，因而時間與空間并　　　　(填“是”或“不是”)相互獨立的，這在時間延緩效應和長度收縮效應中已體現出來。
2.時空彎曲
(1)根據廣義相對論，物體的引力場會使光線　　　　，引力場越　　　　，光線彎曲越厲害。
(2)引力場的存在，也會使時間發生彎曲。例如，在大質量天體的強引力場附近，時間進程會　　　　。
(3)物質決定時空的　　　　，　　　　決定物質的運動。
例3　如圖所示，a、b、c為三個完全相同的時鐘，a放在水平地面上，b、c分別放在以速度vb、vc向同一方向飛行的兩枚火箭上，且vbA.a B.b
C.c D.無法確定
例4　慣性系S中有一邊長為l的正方形，從相對S系沿y方向以接近光速勻速飛行的飛行器上測得該正方形的圖像是(如圖所示)(　　)
三、宇宙起源和演化
1.古代宇宙模型
(1)在古代中國：“蓋天說”認為“天圓如張蓋，地方如棋局”。
(2)地心說：亞里士多德認識到地球是一個球體，其理論經托勒密等學者的進一步發展形成了“　　　　”。
(3)日心說：1543年，哥白尼提出了“　　　”，把宇宙的中心從地球挪向太陽，是人類宇宙觀念的一大飛躍。
2.近現代宇宙模型
(1)廣義相對論宇宙模型
由彎曲空間構成，沒有　　　　、沒有　　　　，但在整體上是　　　　　　、　　　　　　宇宙。
(2)動態的宇宙模型
①宇宙中的物質從宇觀大尺度來說其分布是　　　　的，從各個方向看都是　　　　的。隨著時間的變化，宇宙在不斷　　　　。
②　　　　通過觀測發現遙遠的星系在彼此遠離，說明宇宙正在膨脹，這為動態宇宙模型的觀點提供了有力的證據。
(3)兩種對立的理論：
①穩恒態宇宙模型：隨著宇宙膨脹，新的物質會不斷產生，使宇宙總密度不變，從而令宇宙在任何時候看上去都基本不變化。
②大爆炸理論：宇宙起源于約138億年前一個體積無限　　、密度無限　　、溫度無限　　　、時空曲率無限　　的奇點。宇宙“爆炸”之后不斷　　　　，導致溫度和密度迅速　　　　。隨著溫度降低，逐步形成電子、質子、中子、原子核、原子和分子，并復合成為氣體。氣體逐漸凝聚成星云，星云進一步形成各種各樣的　　　　和　　　　，最終形成我們如今所看到的宇宙。
3.宇宙學的新進展
科學家們觀測到的宇宙　　　　　　　　，被譽為20世紀60年代的四大發現之一，該發現榮獲1978年諾貝爾物理學獎。
天文學家在研究宇宙減速因子時意外發現宇宙在　　　　膨脹，宇宙主要由　　　　和　　　　　　組成，該發現榮獲2011年諾貝爾物理學獎。
2016年激光干涉引力波天文臺科學合作組織宣布探測到　　　　　，更是打開了宇宙研究的新窗口。
2017年，中國暗物質粒子探測衛星“　　　　”獲得高精度的高能電子宇宙線能譜，為暗物質研究提供了新的觀測資料。
答案精析
一、
1.(1)相同　(2)相同
例1　BD　[根據相對論的觀點，在不同的慣性系中，一切物理規律都是相同的，A錯誤；在一切慣性系中，光在真空中的傳播速度都相等，B正確；狹義相對論適合于無加速度的慣性系，并不是適合于一切物體，C錯誤；狹義相對論只涉及慣性系，D正確。]
例2　D　[根據愛因斯坦的光速不變原理可知，光在真空中不同的慣性參考系中傳播速度都是c，則觀察者在地面上任何地方和在飛船中觀測光的速度均為c，故選D。]
二、
(1)時間變慢了　(2)速度越大，長度越短
梳理總結
1.(1)不同時的　(2)①相同　②Δt
(3)②l　不變　(4)脫離　沒有　有物質　物質的運動狀態　不是
2.(1)彎曲　強　(2)變慢　(3)彎曲　時空
例3　C　[根據公式Δt=可知，鐘表相對于地面觀察者的速度v越大，其上的時間進程越慢，a放在地面上，在地面上的人看來，a鐘走的快慢沒有變化。b、c兩鐘放在兩個火箭上，根據愛因斯坦相對論可知，b、c變慢，由于vb例4　B　[從相對S系沿y方向以接近光速勻速飛行的飛行器上測正方形，根據相對論長度收縮效應可知，沿y軸方向正方形邊長縮短，而沿x軸方向正方形邊長沒有改變，故選B。]
三、
1.(2)地心說　(3)日心說
2.(1)邊界　中心　有限的　靜態的　(2)①均勻　一樣
膨脹　②哈勃　(3)②小　大　高　大　膨脹　下降　恒星　星系
3.微波背景輻射　加速　暗物質　暗能量　引力波　悟空(共23張PPT)
DIWUZHANG
第五章
第二節　相對論時空觀　
第三節　宇宙起源和演化
1.了解狹義相對論的基本假設，了解時空相對性和時空彎曲。
2.了解古代和近現代宇宙模型，了解宇宙學的新進展。
學習目標
一、狹義相對論
二、時空相對性　時空彎曲
內容索引
三、宇宙起源和演化
狹義相對論
一
1.狹義相對論的基本假設
(1)相對性原理：在所有的慣性參考系中，一切物理規律都是 的。
(2)光速不變原理：在所有的慣性參考系中，測得的真空中的光速都
。
相同
相同
2.牛頓力學與狹義相對論比較
牛頓力學 狹義相對論
形成時期 物理學形成的初期階段，理論較片面 物理學充分發展的現代，理論較完善、科學
適用范圍 低速運動、宏觀世界 任何慣性系中都適用
速度的合成 時間與空間互不相干，關系式v船岸=v船水+v水岸成立 速度與位移、時間的測量有關，v船岸=v船水+v水岸不成立
　(多選)對狹義相對論的理解正確的是
A.在不同慣性系中，基本的物理規律可能是不同的
B.在不同慣性系中，光在真空中的傳播速度均相同
C.狹義相對論適合于任何慣性系，即適合于一切物體
D.狹義相對論只涉及慣性系
例1
√
√
根據相對論的觀點，在不同的慣性系中，一切物理規律都是相同的，A錯誤；
在一切慣性系中，光在真空中的傳播速度都相等，B正確；
狹義相對論適合于無加速度的慣性系，并不是適合于一切物體，C錯誤；
狹義相對論只涉及慣性系，D正確。
　設某人在速度為0.5c的飛船上打開一個光源，(c為真空中傳播的光速)則下列說法正確的是
A.飛船正前方地面上的觀察者看到這一光速為1.5c
B.飛船正后方地面上的觀察者看到這一光速為0.5c
C.在垂直飛船前進方向地面上的觀察者看到這一光速是c
D.在地面上任何地方的觀察者看到的光速都是c
例2
√
根據愛因斯坦的光速不變原理可知，光在真空中不同的慣性參考系中傳播速度都是c，則觀察者在地面上任何地方和在飛船中觀測光的速度均為c，故選D。
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時空相對性　時空彎曲
二
(1)一對孿生兄弟，其中一個在坐了長時間的宇宙旅行之后歸來，發現留在地球上的兄弟變得比自己要老——這就是愛因斯坦相對論中的“孿生子悖論”。這說明地球上的人在觀測高速運動的物體時，時間發生了什么變化？
答案　時間變慢了　
(2)一個球體相對于我們加速運動時，其高度不變，但我們觀測到其長度發生了變化，試總結其變化規律。
答案　速度越大，長度越短
1.時空相對性
(1)同時性的相對性：在一個慣性參考系中同時發生的兩個事件，在另一個慣性參考系看來是 。
(2)時間延緩：①經典的時空觀：某兩個事件，在不同的慣性參考系中觀察，它們之間的時間間隔總是 的。
②狹義相對論認為“動鐘變慢”：時間間隔的相對性公式為Δt'=
_____________。
梳理與總結
不同時的
相同
Δt
(3)長度收縮：①經典的時空觀：一條桿的長度不會因為觀察者是否與桿做相對運動而不同。
②狹義相對論認為“動尺變短”：狹義相對論中的長度公式為l'=
___________，但在垂直于桿的運動方向上，桿的長度 。
(4)牛頓力學時空觀和相對論時空觀的區別
牛頓力學認為時間和空間是 物質而存在的，時間和空間之間也是
聯系的。相對論則認為 才有時間和空間，時間和空間與
有關，因而時間與空間并 (填“是”或“不是”)相互獨立的，這在時間延緩效應和長度收縮效應中已體現出來。
l
不變
脫離
沒有
有物質
物質的運動狀態
不是
2.時空彎曲
(1)根據廣義相對論，物體的引力場會使光線 ，引力場越 ，光線彎曲越厲害。
(2)引力場的存在，也會使時間發生彎曲。例如，在大質量天體的強引力場附近，時間進程會 。
(3)物質決定時空的 ， 決定物質的運動。
彎曲
強
變慢
彎曲
時空
　如圖所示，a、b、c為三個完全相同的時鐘，a放在水平地面上，b、c分別放在以速度vb、vc向同一方向飛行的兩枚火箭上，且vbA.a B.b
C.c D.無法確定
例3
√
根據公式Δt=可知，鐘表相對于地面觀察者的速度v越大，其上的時間進程越慢，a放在地面上，在地面上的人看來，a鐘走的快慢沒有變化。b、c兩鐘放在兩個火箭上，根據愛因斯坦相對論可知，b、c變慢，由于vb　慣性系S中有一邊長為l的正方形，從相對S系沿y方向以接近光速勻速飛行的飛行器上測得該正方形的圖像是(如圖所示)
例4
從相對S系沿y方向以接近光速勻速飛行的飛行器上測正方形，根據相對論長度收縮效應可知，沿y軸方向正方形邊長縮短，而沿x軸方向正方形邊長沒有改變，故選B。
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√
宇宙起源和演化
三
1.古代宇宙模型
(1)在古代中國：“蓋天說”認為“天圓如張蓋，地方如棋局”。
(2)地心說：亞里士多德認識到地球是一個球體，其理論經托勒密等學者的進一步發展形成了“ ”。
(3)日心說：1543年，哥白尼提出了“ ”，把宇宙的中心從地球挪向太陽，是人類宇宙觀念的一大飛躍。
地心說
日心說
2.近現代宇宙模型
(1)廣義相對論宇宙模型
由彎曲空間構成，沒有 、沒有 ，但在整體上是 、______
宇宙。
(2)動態的宇宙模型
①宇宙中的物質從宇觀大尺度來說其分布是 的，從各個方向看都是
的。隨著時間的變化，宇宙在不斷 。
② 通過觀測發現遙遠的星系在彼此遠離，說明宇宙正在膨脹，這為動態宇宙模型的觀點提供了有力的證據。
邊界
中心
有限的
靜態的
均勻
一樣
膨脹
哈勃
(3)兩種對立的理論：
①穩恒態宇宙模型：隨著宇宙膨脹，新的物質會不斷產生，使宇宙總密度不變，從而令宇宙在任何時候看上去都基本不變化。
②大爆炸理論：宇宙起源于約138億年前一個體積無限 、密度無限 、溫度無限 、時空曲率無限 的奇點。宇宙“爆炸”之后不斷 ，導致溫度和密度迅速 。隨著溫度降低，逐步形成電子、質子、中子、原子核、原子和分子，并復合成為氣體。氣體逐漸凝聚成星云，星云進一步形成各種各樣的 和 ，最終形成我們如今所看到的宇宙。
小
大
高
大
膨脹
下降
恒星
星系
3.宇宙學的新進展
科學家們觀測到的宇宙 ，被譽為20世紀60年代的四大發現之一，該發現榮獲1978年諾貝爾物理學獎。
天文學家在研究宇宙減速因子時意外發現宇宙在 膨脹，宇宙主要由_______和 組成，該發現榮獲2011年諾貝爾物理學獎。
2016年激光干涉引力波天文臺科學合作組織宣布探測到 ，更是打開了宇宙研究的新窗口。
2017年，中國暗物質粒子探測衛星“ ”獲得高精度的高能電子宇宙線能譜，為暗物質研究提供了新的觀測資料。
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