相对论时空观简介 学案

6/6相对论时空观简介【学习目标】1．了解相对论的诞生及发展历程。2．理解狭义相对论中时间和空间的相对性。3．了解广义相对性原理和等效原理。4．初步认识狭义相对论和广义相对论的内容和基本原理。【学习重难点】1．通过本节内容的学习，认识科学假设在科学发现上的重要作用，进一步理解逻辑推理的力量。2．通过本节内容的学习，激发探索宇宙奥秘的兴趣，形成初步的相对论时空观。【学习过程】一、学习指南（一）相对论的诞生1．麦克斯韦电磁场理论真空中的光速是一个______，在不同惯性参考系中应当有______的值，这与经典力学相______。2．两条假设：（1）对不同的惯性系，物理规律（包括力学的和电磁学的）都是______的；（2）光在真空中运动的速度在任何惯性系中测得的数值都是______的。在这两个基本假设的基础上，爱因斯坦于______年创立了狭义相对论。（二）狭义相对论1．同时的相对性同时是______的，是指相隔一定距离发生的两件事，在一个参考系中观测是________的，在相对于此参考系运动的另一个参考系中观测就可能不是同时，而是________________的。2．运动时钟变慢（时间间隔的相对性）（1）经典的时空观某两个事件，在不同的惯性系中观察，它们的时间间隔总是______的。（2）相对论的时空观某两个事件，在不同的惯性参考系中观察，它们的时间间隔是______的。设Δτ表示相对事件发生地静止的惯性系中观测的时间间隔，Δt表示相对事件发生地以v调整运动的参考系中观察同样两事件的时间间隔，则它们的关系是____________。同样的两件事，在它们发生于同一地点的参考系内所经历的时间最______；在其他参考系内观测，这段时间要______些。这一现象称为时间的相对性，也称为“____________”。3．长度的相对性（1）经典的时空观一条杆的长度______因为观察者是否与杆做相对运动而不同。（2）相对论的时空观长度也具有______性，一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比静止时的长度______。设相对于杆静止的观察者认为杆的长度为l0，与杆有相对运动的人认为杆的长度为l，杆相对于观察者的速度为v，则l、l0、v的关系是____________。这就是狭义相对论的_________公式。它说明，一根尺子在运动时的长度总要比它静止时的长度小（），这一现象常通俗地称为“动尺收缩”。4．相对论质量和能量（1）质能方程式爱因斯坦的质能方程：_________。质量亏损Δm与对应的能量变化ΔE之间的关系：ΔE＝Δmc。（2）相对论质量物体以高速v运动时的质量m与静止时的质量m0之间的关系是_________。此式中m0是v=0时物体的质量，称为_________，它是不变的量。5．相对论时空观狭义相对论的______变换公式和______变换公式说明，同一段时间或长度在不同的惯性系内测得的结果是_________的。这就是说，时间和空间的量度是与物体的__________有关的，是________的。运动物体的长度测量建立在必须同时进行观测的基础上，说明时间和空间的量度又是相互____________的。经典时空观是相对论时空观的_________。在低速范围内，在广泛的技术领域，建立在经典时空观的基础上的牛顿运动定律仍然______。探索太空的宇宙航行能够实现就是明证。查阅资料，了解经典物理学的时空观与相对论时空观的差异，完成下表。经典时空观相对论时空观时间空间联系适用范围（三）广义相对论1．爱因斯坦有一个基本思想：自然界遵循的规律是_______的。2．两个基本假设（1）广义相对性原理：在任何_______中，物理规律都是相同的。（2）等效原理：一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系_______。3．广义相对论诞生（1）引力作用使光波发生_______，从引力势能低处发出的光波在引力势能高处接收到时其频率变低，发生“_______”；相反，从引力势能高处向引力势能低处发射光波，接收到的频率变高，发生“_______”。这已被地面上精密的实验证实。（2）水星绕太阳运动的轨道与根据牛顿万有引力定律计算所得的__________，这是一个在天文学史上长达百年的困惑。爱因斯坦用新建立的______________取代了经典的万有引力定律，计算结果和实际观测符合得很好解决了天文学上的百年疑难。（3）当两个天体相互绕转时，会向外界辐射出___________。引力波的发现证实了广义相对论，并打开一扇前所未有的窥探宇宙的新窗口。广义相对论指出了时间和空间的量度与物体间的_______有关，因而与它们的_______有关。物体因具有质量而使其周围的时间和空间发生了“弯曲”。虽然这种弯曲是我们人体器官感觉不到的，但可以通过各种方法间接地加以确定，而引力正是这种“_________”的表现。“弯曲”的程度越高，对应的引力也就越______。在广义相对论中，时空观念比狭义相对论更推进了一步。时间、空间不仅是______的，组成一个密切联系、不可分割的______，并且不能脱离整个物质世界而____________。二、理解与应用1．如何认识“同时”的相对性？假设一列火车在平直的轨道上以很高的速度u匀速驶过站台，在车厢的正中放有一个闪光灯。现在使该灯发出一次闪光向周围传播。闪光照到车厢的前壁和后壁，是两个事件。小丽和她的静止在火车参考系中的小伙伴们在车上观测，小明和他的静止在站台参考系中的小伙伴们在站台上观测，他们认为这两个事件是同时发生的吗？即闪光是同时到达前后壁的吗？2．如何正确理解时间间隔的相对性？“动钟变慢”的实质是什么？3．怎样理解长度的相对性？4．100多年前人们发现并掌握了电磁波，使得社会发生了一次技术革命，由此人类的生活发生了极其巨大的变化。那么，引力波的发现会给我们带来什么呢？查阅资料，说一说你的观点及理由。5．说说你对狭义相对论两个基本假设的认识，为什么这两个观点不叫定律而叫假设？6．一架飞机在上海杨浦大桥上空匀速飞过，飞机飞行方向与大桥平行，问飞机上的乘客看到的大桥长度与静止观察时相比有什么变化？7．地球上一观察者看见一飞船A以速度2.5×108m/s从他身边飞过，另一飞船B以速度2.0×108m/s跟随A飞行。求：（1）A上的乘客看到B的相对速度；（2）B上的乘客看到A的相对速度。【达标检测】1．在物理学发展的历程中，许多物理学家的科学研究推动了人类文明的进程，以下对几位物理学家所做科学贡献的叙述正确的是（）A．牛顿运用理想实验法得出“力不是维持物体运动的原因”B．安培总结出了真空中两个静止点电荷之间的作用规律C．爱因斯坦创立相对论，提出了一种崭新的时空观D．法拉第在对理论和实验资料进行严格分析后，总结出了法拉第电磁感应定律2．用相对论的观点判断，下列说法错误的是（）A．时间和空间都是绝对的，在任何参考系中一个事件发生的时间和一个物体的长度总不会改变B．在地面上的人看来，以10km/s的速度运动的飞船中的时钟会变慢，但是飞船中的宇航员却看到时钟是准确的C．在地面上的人看来，以10km/s的速度运动的飞船在运动方向上会变窄，而飞船中的宇航员却感觉到地面上的人看起来比飞船中的人扁一些D．当物体运动的速度v≪c时，“动钟变慢”和“动尺收缩”效果可忽略不计3．假设地面上有一列火车以接近光速的速度运行，其内站立着一个中等身材的人，站在路旁的人观察车里的人，观察的结果是（）A．这个人是一个矮胖子B．这个人是一个瘦高个子C．这个人矮但不胖D．这个人瘦但不高4．对相对论的基本认识，下列说法正确的是（）A．相对论认为：真空中的光速在不同惯性参考系中都是相同的B．爱因斯坦通过质能方程阐明了质量就是能量C．在高速运动的飞船中的宇航员会发现飞船中的钟走得比地球上快D．我们发现竖直向上高速运动的球在水平方向上变扁了5．如果你以接近于光速的速度朝一星体匀速飞行，你可以发觉（）A．你的质量在增加B．你的心脏跳动在慢下来C．你在变小D．你永远不能由自身的变化知道你的