1、13.5.2 相对论时空观3.5.3 宇宙的起源与演化学习目标 核心凝炼1.了解经典的相对性原理。2.知道狭义相对论的两个基本假设。3.理解“同时”的相对性和长度的相对性。4.了解宇宙的起源与演化。2 个基本假设狭义相对性原理、光速不变原理3 个相对性“同时”的相对性、长度的相对性、时间间隔的相对性一、经典的相对性原理1.惯性系：牛顿运动定律能够成立的参考系。相对一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系。2.伽利略相对性原理：力学规律在任何惯性系中都是相同的。二、狭义相对论的两个基本假设1.狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。2.光速不变原理：真空中的光速在不
2、同的惯性参考系中都是相同的。三、时间和空间的相对性1.“同时”的相对性(1)经典物理学认为：如果两个事件在一个参考系中是同时的，在另一个参考系中一定也是同时的。(2)狭义相对论的时空观认为：同时是相对的，即在同一个参考系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个参考系中不一定是同时的。2.长度的相对性(1)经典的时空观：一条杆的长度不会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”也具有相对性，一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比静止时的长度小。与杆相对静止的人认为杆长为 l0，与杆相对运动的人认为杆长是 l，那么两者之间的关系是 l l0 ，即运动长度会收缩。1 （ vc）
3、 23.时间间隔的相对性(1)经典物理学认为：某两个事件，在不同的惯性系中观察，它们的时间间隔总是相同的。(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，它们的时间间隔是不同的。设 0表示相对事件发生地静止的惯性系中观测的两事件的时间间隔， 表示相对事件发生地以速度 v 高速运动的参考系中观测的同样两事件的时间间隔，则它们的关系是 2，即运动时钟会变慢。 01 （ vc） 24.相对论时空观(1)经典时空观：空间和时间是脱离物质存在的，是绝对的，空间和时间之间也是没有联系的。(2)相对论时空观：空间和时间与物质的运动状态有关。理解概念判断下列说法是否正确。(1)一根杆的长度不会因为
4、观察者是否与杆做相对运动而不同，这是经典物理学家的观点。()(2)一根杆的长度静止时为 l0，不管杆如何运动，杆的长度均小于 l0。()(3)“动钟变慢”是时钟的精度因运动而发生了变化。()(4)长度、时间的测量结果会随物体与观察者的相对运动状态的改变而改变。()(5)高速运动的飞船中的宇航员发现地面的时钟变慢了。()(6)地面上的人认为两个事件同时发生，而高速运动的飞船中的宇航员却不这么认为。()四、宇宙及恒星的演化1.宇宙演化根据大爆炸理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期。在大爆炸之后逐渐形成了夸克、轻子和胶子等粒子，随后经过强子时代、轻子时代、核合成时代。继续冷却，质子、电子
5、、原子等与光子分离而逐步组成恒星和星系。2.恒星的演化(1)恒星的形成：大爆炸后，在万有引力作用下形成星云团，进一步凝聚使引力势能转变为内能，温度升高，直到发光，于是恒星诞生了。(2)恒星演变：核聚变反应，层级递进地在恒星内发生，直到各种热核反应不再发生时，恒星的中心密度达到极大。(3)恒星归宿：恒星最后的归宿有三种，它们是白矮星、中子星、黑洞。经典的相对性原理及狭义相对论的两个基本假设观察探究如图 1 所示，结合狭义相对论考虑几个问题：3图 1(1)参考系 O相对于参考系 O 静止时，人看到的光速应是多少？(2)参考系 O相对于参考系 O 以速度 v 向右运动，人看到的光速应是多少？(3)参
6、考系 O相对于参考系 O 以速度 v 向左运动，人看到的光速又是多少？答案 根据速度合成法则，第一种情况人看到的光速应是 c，第二种情况应是 c v，第三种情况应是 c v，而根据狭义相对论理论，光速是不变的，都应是 c。探究归纳 应用狭义相对论的几点注意(1)惯性系与非惯性系的确定：我们通常选取大地为惯性系，相对于地面静止或做匀速运动的物体都是惯性参考系，相对于地面做变速运动的物体都是非惯性参考系。(2)光的传播速度与惯性系的选取无关。在任何情况下，真空中的光速都是 c。(3)力学规律相对于惯性系来说都是相同的。试题案例例 1 (多选)关于狭义相对论，下列说法正确的是( )A.狭义相对论认为
7、在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的B.狭义相对论认为在一切惯性系中，光在真空中的速度都等于 c，与光源的运动无关C.狭义相对论只涉及无加速度运动的惯性系D.狭义相对论任何情况下都适用解析 根据狭义相对论的基本假设可知，选项 A、B 正确；狭义相对论只涉及惯性参考系，不涉及非惯性参考系，选项 D 错误，C 正确。答案 ABC针对训练 1 (多选)根据伽利略相对性原理，可以得到下列哪些结论( )A.力学规律在任何惯性系中都是相同的B.同一力学规律在不同的惯性系中可能不同C.在一个惯性参考系里不能用力学实验判断该参考系是否做匀速直线运动D.在一个惯性参考系里可以用力学实验判断该参考系是否做
8、匀速直线运动解析 由伽利略相对性原理可知 A、C 正确。答案 AC时间和空间的相对性探究归纳 狭义相对论中的主要效应(1)长度收缩效应：运动长度 l 会收缩，即 l l0 。1 v2c24(2)时间延缓效应：运动时钟会变慢，即 。 01 v2c2试题案例例 2 地面上长 100 km 的铁路上空有一火箭沿铁路方向以 30 km/s 的速度掠过，则火箭上的人看到铁路的长度应该为多少？如果火箭的速度达到 0.6c，则火箭上的人看到的铁路的长度又是多少？解析 当火箭速度较低时，长度基本不变，还是 100 km。当火箭的速度达到 0.6c 时，由相对论长度公式l l0 ，1 （ vc） 2代入相应的数
9、据解得 l100 km80 km1 0.62答案 100 km 80 km由公式 l l0 知，相对于地面以速度 v 运动的物体，从地面上看，沿着运动方1 （ vc） 2向上的长度变短了，速度越大，变短得越多。两种情况：(1)在垂直于运动方向不发生长度收缩效应现象。(2)我们平常观察不到这种长度收缩效应，是因为我们生活在比光速低得多的低速世界里，长度收缩效应极不明显，即使运动物体的速度达到 v30 000 km/s(即 0.1c)，长度收缩效应也只不过是 5%，因此，在低速运动中， vc， l l0，长度收缩效应可忽略不计。例 3 A、 B 两火箭沿同一方向高速飞过地面上的某处， vA vB，
10、在火箭 A 上的人观察到的结果正确的是( )A.火箭 A 上的时钟走得最快B.地面上的时钟走得最快C.火箭 B 上的时钟走得最快D.火箭 B 上的时钟走得最慢解析 在火箭 A 上的人看来，地面和火箭 B 都高速远离自己，由 知，在火 01 （ vc） 2箭 A 上的人观察到的结果是地面和火箭 B 上的时钟都变慢了，且 vA vB，故地面的时钟最慢，因此 A 正确，B、C、D 错误。答案 A5运动的时钟变慢 的理解 01 （ vc） 2(1)时间延缓效应是时空的一种属性：在运动参考系中的时间节奏变慢了。(一切物理过程、化学过程乃至观察者自己的生命节奏都变慢了)(2)由于运动是相对的，故在某一个参
11、考系中观察另一个不同参考系里发生的物理事件时，总能感到时间延缓效应。(3)日常生活中的时间延缓效应可以忽略不计，在运动速度接近光速时，则变得特别明显。针对训练 2 某宇航员要到离地球 5 光年的星球上去旅行，如果地球指挥中心希望把这路程缩短为 3 光年，则他所乘飞船相对地球的速度为( )A.0.5c B.0.6c C.0.8c D.0.9c解析 由 l l0 ， ，解得 v c，故 C 正确。1 （ vc） 2 ll0 35 45答案 C1.(宇宙的起源)根据宇宙大爆炸的理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期，那么在大爆炸之后最早产生的粒子是( )A.夸克、轻子、胶子等粒子B.质子和
12、中子等强子C.光子、中微子和电子等轻子D.氢核、氘核、氦核等轻核解析 宇宙形成之初产生了夸克、轻子和胶子等粒子，之后又经历了质子和中子等强子时代，再之后是自由光子、中微子、电子大量存在的轻子时代，再之后是中子和质子组合成氘核，并形成氦核的核合成时代，之后电子和质子复合成氢原子，最后形成恒星和星系，因此 A 正确，B、C、D 错误。答案 A2.(相对论的时空观)对于时空观的认识，下列说法正确的是( )A.相对论给出了物体在低速运动时所遵循的规律B.相对论具有普遍性，经典物理学为它在低速运动时的特例C.相对论的出现使经典物理学在自己的适用范围内不再继续发挥作用D.经典物理学建立在实验的基础上，它的
13、结论又受到无数次实验的检验，因此在任何情况下都适用解析 相对论给出了物体在高速运动时所遵循的规律，经典物理学为它在低速运动时的特例，在自己的适用范围内还将继续发挥作用。经典物理学有简捷的优势。因此 A、C、D 错6误，B 正确。答案 B3.(时间、空间的相对性)(多选)在地面附近有一高速飞过的火箭，关于地面上的人和火箭中的人观察到的现象中正确的是( )A.地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变快了B.地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变慢了C.火箭上的人观察到火箭的长度和时间进程均无变化D.火箭上的人看地面上的物体长度变小，时间进程变慢了解析 因为 l l0 和 ，可知 l
14、l0， 0。一个相对地面做1 （ vc） 2 01 （ vc） 2高速运动的惯性系中发生的物理过程，在地面上的人看来，火箭的长度变短了，它所经历的时间比在这个惯性系中直接观察到的时间变长了，惯性系速度越大，观察到的火箭的长度越短，所经历的过程时间越长。火箭上的人观察到火箭的长度和时间进程均无变化。同样，火箭上的人看地面上的物体长度也是变小，时间进程变慢了，选项 B、C、D 正确。答案 BCD4.(相对论的时空观)(多选)关于时间和空间，在学习狭义相对论后我们应认识到( )A.因为时间是绝对的，所以我们在不同的参考系中观察到的时间进程都是相同的B.空间与时间之间是没有联系的C.有物质才有空间和时
15、间D.在一个确定的参考系中观察，运动物体的空间距离和时间进程跟物体的运动状态有关解析 经典物理学认为空间和时间是脱离物质存在的，是绝对的，空间与时间之间是没有联系的，在相对论中，时间和空间是和物质的运动相联系的，只有在物质存在时才有空间和时间的概念，时间和空间是相互联系且是相对的。选项 C、D 正确。答案 CD合格性检测1.在狭义相对论中，下列说法中正确的是( )A.经典物理学可视为相对论在低速运动时的特例B.真空中光速在不同的惯性参考系中是不相同的C.在高速运动情况下，惯性参考系中的物理规律不一定相同D.狭义相对论全面否定了经典物理学解析 相对论的出现，并没有否定经典物理学，经典物理学是相对
16、论在低速运动条件下的特殊情形，故 A 正确，D 错误；根据狭义相对论的光速不变原理，真空中光速在不同的惯7性参考系中是相同的，故 B 错误；根据狭义相对论的相对性原理，物理规律在所有惯性系中都是相同的，故 C 错误。答案 A2.(多选)如果牛顿运动定律在参考系 A 中成立，而参考系 B 相对于 A 做匀速直线运动，则在参考系 B 中( )A.牛顿运动定律也同样成立B.牛顿运动定律不能成立C.A 和 B 两个参考系中，一切物理定律都是相同的D.参考系 B 也是惯性参考系解析 根据狭义相对性原理，在不同的惯性参考系中一切物理定律都是相同的。答案 ACD3.如图 1 所示，强强乘坐速度为 0.9c(
17、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( )图 1A.0.4c B.0.5c C.0.9c D.c解析 根据爱因斯坦相对论，在任何参考系中，光速不变，即光速不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变，所以壮壮观测到该光束的传播速度为 c，所以选项 A、B、C 错误，D 正确。答案 D4.(2018宁波高二检测)(多选)甲乘客乘坐在接近光速的火车上，乙观察者站在铁轨附近的地面上，甲、乙两人手中各持一把沿火车前进方向放置的米尺。则下列说法正确的是( )A.甲看到乙手中尺子长度比甲看到自己手中的尺子长度要长B.
18、甲看到乙手中尺子长度比甲看到自己手中的尺子长度要短C.乙看到甲手中尺子长度比乙看到自己手中的尺子长度要长D.乙看到甲手中尺子长度比乙看到自己手中的尺子长度要短解析 由 l l0 可知，选项 B、D 正确。1 （ vc） 2答案 BD5.一艘太空飞船静止时的长度为 30 m，他以 0.6c(c 为光速)的速度沿长度方向飞行越过地球，下列说法正确的是( )A.飞船上的观测者测得该飞船的长度小于 30 mB.地球上的观测者测得该飞船的长度小于 30 m8C.飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度小于 cD.地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度小于 c解析 由 l l0 知 A 错误，B 正确；
19、由狭义相对论的基本假设知光信号的速度都1 （ vc） 2等于 c，C、D 项错误。答案 B6.假设地面上有一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.这个人瘦但不高解析 取路旁的人为惯性系，车上的人相对于路旁的人高速运动，根据尺缩效应，人在运动方向上将变窄，但在垂直于运动方向上没有发生变化，故选项 D 正确。答案 D7.话说有兄弟两个，哥哥乘坐宇宙飞船以接近光速的速度离开地球去遨游太空，经过一段时间返回地球，哥哥惊奇地发现弟弟比自己要苍老许多，则该现象的科学解释是(
20、)A.哥哥在太空中发生了基因突变，停止生长了B.弟弟思念哥哥而加速生长C.由相对论可知，物体速度越大，其时间进程越慢，生理进程也越慢D.这是神话，科学无法解释解析 根据公式 可知，物体的速度越大，其时间进程越慢。 01 （ vc） 2答案 C等级性检测8.(多选)用相对论的观点判断下列说法正确的是( )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.在地面上看，以 10 km/s 的速度运动的飞船中的时钟会变快，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 10 km/s 的速度运动的飞船在运动方向上会变短，而飞船中的宇航员却感觉到地面上
21、的人看起来比飞船中的人扁一些D.当物体运动的速度 v 远小于 c 时， “长度收缩”和“时间膨胀”效果可忽略不计解析 时间和空间都是相对的，没有绝对准确的时间和空间，所以 A、B 错误；由 l l0可知两处的人都感觉 l l0，所以 C 正确；由尺缩效应和钟慢效应公式可知，1 （ vc） 29当 v 远小于 c 时，尺缩效应和钟慢效应都可以忽略不计，所以 D 正确。答案 CD9.如图 2，假设一根 10 m 长的梭镖以光速穿过一根 10 m 长的管子，它们的长度都是在静止状态下测量的。以下叙述中最好地描述了梭镖穿过管子情况的是( )图 2A.梭镖收缩变短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它B.管子收缩变短，因此在某些位置上，梭镖从管子的两端伸出来C.两者都收缩，且收缩量相等，因此在某个位置，管子恰好遮住梭镖D.所有这些都与观察者的运动情况有关解析 如果你是在相对于管子静止的参考系中观察运动着的梭镖，那么梭镖看起来就比管子短，在某些位置梭镖会完全在管子内部。然而当你和梭镖一起运动时，你看到的管子就缩短了，所以在某些位置，你可以看到梭镖两端都伸出管子，则 D 正确，A、B、C 错误。答案 D
