山东省成武一中高中物理 15.4 广义相对论简介教案 新人教版选修34
人教版 高中物理选修3-4 15.4广义相对论简介课件(18张ppt)
二、广义相对论的几个结论
从广义相对论的两个基本原理出发， 可以直接得到一些“意想不到”的结 论。请大家阅读教材，说明得到了哪 些结论，这些结论的实验验证是什么？
第一个结论，物质的引力使光线弯曲。 20世纪初，人们观测到了太阳引力场引起 的光线弯曲。观测到了太阳后面的恒星。
引力场的存在会使得空间不同位置的时间进程出现差别， 在强引力场的星球附近，时间进程会变慢。矮星表面的引 力很强，那里的时间进程慢，那里原子发射的光的频率会 比地球上同种原子发射的光的频率低。因为在可见光范围 内，红光频率是最低的。这种发射光的频率变低的现象就 认为是红移。
时间间隔与引力场有关
各 类 星 体 对 比
15.4 广义相对论简介
教学目标
1．了解广义相对性原理和等效原理。
2．了解广义相对论的几个结论及主要观测证据。 3．通过本节学习，激发学生探索宇宙奥秘的兴趣，
形成初步的相对论时空观。
教学重点 广义相对性原理和等效原理。 教学难点 理解广义相对论的几个结论。
19世纪后半叶，关于电磁场的研究不断深入， 人们认识到了光的电磁本质．我们已经知道，电磁 波是以巨大且有限的速度传播的，因此在电磁场的 研究中不断遇到一些矛盾，这些矛盾导致了相对论 的出现．
一、广义相对性原理和等效原理
广义相对性原理的内容：“在任何参考系中，物 理规律都是相同的”，也可以理解为：“物理学定 律必须对于无论哪种方式运动着的参考系都成立”。
停泊在行星表面的飞船里，没有支撑的物体 会做自由落体运动即匀加速运动，这是因为飞 船处在行星表面空间的引力场中；
如果飞船远离行星表面做匀加速运动，也会观察到 没有支撑的物体的自由落体运即匀加速运动。我们不 能根据飞船内的自由落体运动来判断飞船到底在加速 运动，还是停在一个行星的表面。
高中物理第十五章相对论简介4广义相对论简介学案新人教版选修3_4
4．广义相对论简介1．知道相对论速度叠加规律。
2．知道相对论质能关系。
3．初步了解广义相对论的几个主要观点以及主要观测证据。
4．关注宇宙学的新进展。
狭义相对论告诉我们，物体运动的极限速度都不可能越过真空中的光速。
在宏观低速运动的条件下，伽利略的速度叠加原理简单有效，但对高速运动的物体及微观高速粒子，速度的叠加原理与传统经典观念矛盾，必须要考虑相对论效应。
考虑相对论效应的情况下速度的叠加是怎样的呢？提示：相对论效应指的是“动尺变短”或“动钟变慢”等。
在高速运动的参考系中，速度的叠加必须考虑这个因素，低速宏观状态下遵守伽利略的速度叠加原理，高速的情况下任何运动的速度不能超过光速。
一、狭义相对论的其他结论1．相对论速度变换公式设车对地的速度为v，人对车的速度为u′，车上人相对于地面的速度为u，(1)经典的时空观：u＝u′＋v。
(2)相对论的速度变换公式为：_______________________________________________。
如果车上人运动方向与车运动方向相同，u′取____值，如果车上人运动方向与车运动方向相反，u′取____值。
(3)结论：光速c是宇宙万物速度的极限，且相对于任何参考系都是不变的。
注意：它只适用于沿同一直线运动物体速度的叠加。
2．相对论质量(1)经典力学：物体的质量是______的，一定的力作用在物体上，产生的加速度也是______的，足够长的时间以后物体就可以达到______速度。
(2)相对论情况下：物体的质量随其速度的增大而增大。
物体以速度v运动时的质量m 与静止时的质量m0的关系式为：____________________。
3．质能方程质能方程：________。
质能方程表达了物体的质量m和它所具有的能量E之间的关系。
思考：有人根据E＝mc2得出结论：质量可以转化为能量、能量可以转化为质量。
这种说法对吗？二、广义相对论简介1．超越狭义相对论的思考爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的两个问题：(1)引力问题，万有引力理论无法纳入______________的框架。
人教版高中物理教案-广义相对论简介
二、廣義相對性原理和等效原理
引導學生在前述背景介紹下，思考怎樣來解決這兩個問題。愛因斯坦考慮要解決第二個問題，必須去掉慣性系在相對論理論中的特殊地位，把相對性原理從“任何慣性系平權”推廣到“包括非慣性系在內的任意參考系(即包括慣性系和非慣性系)平權”。
2、非慣性系問題，狹義相對論只適用於慣性系。它們是促成廣義相對論的前提。
二、廣義相對性原理和等效原理
把相對性原理從“任何慣性系平權”推廣到“包括非慣性系在內的任意參考系(即包括慣性系和非慣性系)平權”。
三、廣義相對論幾個結論以及相關實驗驗證
1、光線經過強引力場中發生彎曲
2、引力紅移
3、水星軌道近日點的進動
（1）體會在宇宙中人類的渺小和科學的巨大力量
教學重點、難點
1、廣義相對性原理和等效原理
2、廣義相對論的主要結論：引力使光線彎曲和強引力場讀、講解、小結
教學手段
多媒體課件
教學活動
一、超越狹義相對論的思考
愛因斯坦思考狹義相對論無法解決的兩個問題：
1、引力問題，萬有引力定律不滿足洛倫茲變換，無法納人狹義相對論的理論框架；
三、廣義相對論幾個結論以及相關實驗驗證
從廣義相對論兩個基本原理出發，愛因斯坦預見性地提出了驗證這一理論的幾個著名實驗。
①光線經過強引力場中發生彎曲
介紹物質的引力使時空彎曲，彎曲的時空又使光線彎曲的事實。如1919年5月29日，發生日全食期間，科學家成功地觀測到了太陽背後恒星發出的光線經過太陽附近發生彎曲的現象，並拍得了太陽背後恒星的照片。從而確認廣義相對論的結論是正確的。這是廣義相對論創立以來最早得到科學界認同的最重大的成果。到目前為止科學家對400多顆恒星作了測量，射電天文學的發展使人類不用等日全食發生也能在地球上進行精度很高的觀測，且與理論值符合。
最新人教版高中物理选修3-4第十五章《广义相对论简介》温故知新
4 广义相对论简介
温故知新
新知预习
1.广义相对论的基本原理
（1）广义相对性原理：在任何参考系中，物理规律都是___________的.
（2）等效原理：一个均匀的引力场与一个做___________运动的参考系等价.
2.广义相对论的几个结论
（1）物质的___________使光线弯曲.
（2）引力场的存在使得空间不同位置的___________出现差别，如引力位移现象.
知识回顾
相对地面静止或做匀速直线运动的参考系为惯性参考系，以相对地面做匀变速直线运动的参考系叫非惯性参考系.在狭义相对论中认为所有的惯性系都是等效的，言外之意即在狭义相对论中，惯性参考系与非惯性参考系不是平权等效的，这些理论限制了对引力和光传播等问题的研究与探索，于是爱因斯坦又提出了广义相对论.认为所有参考系都是平权、等效的，并对引力和光现象作了具体研究和解释.。
高中物理 15.4《广义相对论简介》课件 新人教版选修34
和惯以性加(速gu上ànx升ìn的g)系电梯为参
考系，我们可以认为乘坐电
梯的人除了受到重力(zhònglì)
的作用，还受到一个向下的
a
惯性力，重力(zhònglì)和惯性
力的合力使人感受到了超
重．
a
G ma
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非惯性(guànxìng)系 和惯性(guànxìng)系
21世纪，人类在空间站中长 期生活，为了克服(kèfú)失重带来 的不利影响，可以将空间站设计 成一个大转轮，绕轴自转，其上 各点都有一个指向转动轴的向心 加速度，因此，以空间站为参考 系，与它一起旋转的物体都受到 一个背离转动轴的惯性力，这就 是所谓的人造重力．
第二十一页，共24页。
杆的长度(chángdù)与引力 场有关
由于物质的存在，实际空间并不是均匀的，空间 发生(fāshēng)了“弯曲”：
第二十二页，共24页。
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对于(duìyú)时空观的认 识
狭义相对论
时空(shí kōnɡ)性 质和物质的运动 有关
时 空 观
惯性系平权
缘部位的时间进程较慢．
圆盘上的人认为：盘上存在引力场，方向由盘心指向边缘，引力势 较低，得出：引力势较低的位置，时间进程比较慢．
第十九页，共24页。
时间(shíjiān)间隔与引力场 有关
各 类 星 体 对 比 (du ìbǐ)
宇宙中有一类(yī lèi)恒星，体积很小，质量却很大，叫做 矮星，引力势比地球低的多，矮星表面的时间进程比较慢，哪 里的发光的频率比同种的原子在地球上发光频率低，看起来偏 红，这个现象叫做引力红移．
系和惯性(guànxìng)
系
高中物理选修3-4导学案：15.4广义相对论简介2
选修3-4_15.4广义相对论简介狭义相对论狭义相对论是由爱因斯坦、洛仑兹和庞加莱等人创立的，应用在惯性参考系下的时空理论，是对牛顿时空观的拓展和修正。
按照狭义相对论，物体运动时质量会随着物体运动速度增大而增加，同时，空间和时间也会随着物体运动速度的变化而变化，即会发生尺缩效应和钟慢效应。
狭义相对论实验基础牛顿力学是狭义相对论(Special Relativity)在低速情况下的近似。
伽利略变换与电磁学理论的不自洽。
到19世纪末，以麦克斯韦方程组为核心的经典电磁理论的正确性已被大量实验所证实，但麦克斯韦方程组在经典力学的伽利略变换下不具有协变性。
而经典力学中的相对性原理则要求一切物理规律在伽利略变换下都具有协变性。
在这样的背景下，才有了狭义相对论的产生。
狭义相对论诞生19世纪末期物理学家开尔文爵士在一次国际会议上讲到“物理学大厦已经建成，以后的工作仅仅是内部的装修和粉刷”。
但是，他话锋一转又说：“大厦上空还漂浮着两朵‘乌云’，迈克尔逊-莫雷实验结果和黑体辐射的紫外灾难。
”正是为了解决上述两问题，物理学发生了一场深刻的革命导致了相对论和量子力学的诞生。
早在电动力学麦克斯韦方程建立之日，人们就发现它没有涉及参照系问题。
人们利用经典力学的时空理论讨论电动力学方程，发现在伽利略变换下麦克斯韦方程及其导出的方程（如亥姆霍兹，达朗贝尔等方程）在不同惯性系下形式不同，这一现象应当怎样解释？经过几十年的探索，在1905年终于由爱因斯坦创建了狭义相对论。
相对论是一个时空理论，要理解狭义相对论时空理论先要了解经典时空理论的内容。
爱因斯坦意识到伽利略变换实际上是牛顿经典时空观的体现，如果承认“真空光速独立于参考系”这一实验事实为基本原理，可以建立起一种新的时空观（相对论时空观）。
在这一时空观下，由相对性原理即可导出洛伦兹变换。
1905年，爱因斯坦发表论文《论动体的电动力学》，建立狭义相对论，成功描述了在亚光速领域宏观物体的运动。
最新人教版选修3-4高中物理第十五章 相对论简介教学设计
相对论简介教目的：1．了解相对论的诞生及发展历程2．了解时间和空间的相对性3．了解狭义相对论和广义相对论的内容教重点：时间和空间的相对性、狭义相对论和广义相对论教难点：时间和空间的相对性教过程：一、狭义相对论的基本假设牛顿力是在研究宏观物体的低速（与光速相比）运动时总结出的对于微观粒子，牛顿力并不适用，在这一章中我们还将看到，对于高速运动，即使是宏观物体，牛顿力也不适用19世纪后半叶，关于电磁场的研究不断深入，人们认识到了光的电磁本质我们已经知道，电磁波是以巨大的速度传播的，因此在电磁场的研究中不断遇到一些矛盾，这些矛盾导致了相对论的出现相对论不仅给出了物体在高速运动时所遵循的规律，而且改变了我们对于时间和空间的认识，它的建立在物理和哲的发展史上树立了一座重要的里程碑经典的相对性原理如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系叫做惯性系，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我们引用伽利略的一段话，生动地描述了一艘平稳行驶的大船里发生的事情“船停着不动时，你留神观察，小虫都以等速向各方向飞行，鱼向各个方向随意游动，水滴滴进下面的罐中；你把任何东西扔给你的朋友时，只要距离相等，向这一方向不比向另一方向用更多的力你双脚齐跳，无论向哪个方向跳过的距离都相同当你仔细观察这些事情之后，再使船以任何速度前进，只要运动是匀速的，也不忽左忽右地摆动，你将发现，所有上述现象丝毫没有变化你也无法从其中任何一个现象确定，船是在运动还是停着不动”通过这段描述以及日常经验，人们很容易相信这样一个论述：力规律在任何惯性系中都是相同的这个论述叫做伽利略相对性原理相对性原理可以有不同的表述例如还可以表述为：在一个惯性参考系内进行任何力实验都不能判断它是否在相对于另一个惯性参考系做匀速直线运动；或者说，任何惯性系都是平权的在不同的参考系中观察，物体的运动情况可能不同，例如在一个参考系中物体是静止的，在另一个参考系中看，它可能是运动的，在不同的参考系中它们运动的速度和方向也可能不同但是，它们在不同的惯性系中遵从的力规律是一样的，例如遵从同样的牛顿运动定律、同样的运动合成法则……光速引起的困难自从麦克斯韦预言了光的电磁本质以及电磁波的速度以后，物理家们就在思考，这个速度是对哪一个参考系说的？如果存在一个特殊的参考系O，光对这个参考系的速度是c，另一个参考系O′以速度v沿光传播的方向相对参考系O运动，那么在O′中观测到的光速就应该是c-v，如果参考系O′逆着光的传播方向运动，在参考系O′中观测到的光速就应该是c+v由于一般物体的运动速度比光速小得多，c+v和c-v与光速c的差别很小，在19世纪的技术条件下很难直接测量，于是物理家们设计了许多巧妙的实验，力图测出不同参考系中光速的差别最著名的一个实验是美籍物理家麦克尔逊设计的他把一束光分成互相垂直的两束，一束的传播方向和地球运动的方向一致，另一束和地球运动的方向垂直，然后使它们发生干涉，如果不同方向上的光速有微小的差别，当两束光互相置换时干涉条纹就会发生变化由于地球在宇宙中运动的速度很大，希望它对光速能有较大的影响但是，这个实验和其他实验都表明，不论光和观察者做怎样的相对运动，光速都是相同的这些否定的结果使当时的物理家感到震惊，因为它和传统的观念，例如速度合成的法则，是矛盾的狭义相对论的两个假设上面的矛盾使我们面临一个困难的选择：要么放弃麦克斯韦的电磁理论，要么否定特殊参考系的存在爱因斯坦选择了后者他认为，既然在不同的惯性系中力规律都一样，我们会很自然地想到，电磁规律在不同的惯性系中也是一样的，也就是说，并不存在某一个特殊参考系（例如地球参考系、太阳参考系，或者所谓的以太……）爱因斯坦把伽利略的相对性原理推广到电磁规律和一切其他物理规律，成为他的第一个假设：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的这个假设通常称为爱因斯坦相对性原理另一条假设是：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，与光的运动和观察者的运动没有关系这个假设通常叫做光速不变原理这两个假设似乎是麦克尔逊实验的直接结论，为什么还要叫做假设？这是因为，虽然实验表明了假设所说的内容，但这终归是有限的几次实验只有在从这两个假设出发，经过逻辑推理（包括数推导）所得出的大量结论都与事实相符时，它们才能成为真正意义上的原理同时的相对性作为相对论的两个假设的直接推论，现在讨论“同时”的相对性，以体会相对论描述的世界和我们日常的经验有多大的差别我们研究两个“事件”的同时性在这里，“事件”可以指一个光子与观测仪器的碰撞，也可以指闪电对地面的打击，还可以指一个婴儿的诞生……假设一列很长的火车在沿平直轨道飞快地匀速行驶车厢中央有一个光发出了一个闪光，闪光照到了车厢的前壁和后壁，这是两个事件车上的观察者认为两个事件是同时的在他看这很好解释，因为车厢是个惯性系，光向前、后传播的速度相同，光又在车厢的中央，闪光当然会同时到达前后两壁（图甲）车下的观察者则不以为然他观测到，闪光先到达后壁，后到达前壁他的解释是：地面也是一个惯性系，闪光向前、后传播的速度对地面也是相同的，但是在闪光飞向两壁的过程中，车厢向前行进了一段距离，所以向前的光传播的路程长些，到达前壁的时刻也就晚些（图乙），这两个事件不同时在经典物理家的头脑中，如果两个事件在一个参考系中看是同时的，在另一个参考系中看一定也是同时的，这一点似乎天经地义，无需讨论但是，如果接受了爱因斯坦的两个假设，我们自然会得出“同时是相对的”这样一个结论为什么在日常生活中没有人觉察到这种相对性？原，火车运动的速度远远小于光速，光从车厢中央传播到前后两壁的短暂时间内，火车前进不了多大距离，因此地面观察者不会发现闪光到达前壁、后壁的时间差时间和空间的相对性时间间隔的相对性经典物理认为，某两个事件，在不同的惯性系中观察，它们发生的时间差，也就是它们的时间间隔，总是相同的但是，从狭义相对论的两个基本假设出发，我们会看到，时间间隔是相对的还以高速火车为例，假设车厢地板上有一个光，发出一个闪光对于车上的人说，闪光到达光正上方高处的小镜后被反射，回到光的位置（如图甲），往返所用的时间为△′对于地面的观察者说，情况有所不同从地面上看，在光的传播过程中，火车向前运动了一段距离，因此被小镜反射后又被光接收的闪光是沿路径AMB传播的光（图乙）如果火车的速度为v，地面观察者测得的闪光从出发到返回光所用时间记为△，那么应用勾股定理可得这又是一个令人吃惊的结论：关于闪光从光出发，经小镜反射后又回到光所经历的时间，地面上的人和车上的人测量的结果不一样，地面上的人认为这个时间长些更严格的推导表明，（1）式具有普遍意义，它意味着，从地面上观察，火车上的时间进程变慢了，由于火车在运动，车上的一切物理、化过程和生命过程都变慢了：时钟走得慢了，化反应慢了，甚至人的新陈代谢也变慢了……可是车上的人自己没有这种感觉，他们反而认为地面上的时间进程比火车上的慢，因为他们看到，地面正以同样的速度朝相反的方向运动！（１）式又一次生动地展示了时间的相对性长度的相对性在这一小节中我们将要说明，高速火车上的一个杆，当它的方向和运动方向平行时，地面上的人测得的杆长要小于火车上的人测得的杆长！假设一个杆沿着车厢运动的方向固定在火车上，和车一起运动在火车上的人看，杆是静止的他利用固定在火车上的坐标轴，测出杆两端的位置坐标，坐标之差就是他测出的杆长L′地面上的人要利用固定在地面上的坐标轴，测出杆两端的位置坐标，坐标之差就是他测出的杆长L可是，对于地面上的人，杆是运动的，要使这种测量有意义，他必须同时测出杆两端的位置坐标；如果在某一时刻测出杆一端的位置坐标，在另一时刻测出另一端的位置坐标，坐标之差就不能代表杆长了火车上的人和地面上的人各自用上述方法测量随车运动的杆长，结果发现，L′＞L他们两人的测量都是符合测量要求的，但测量结果不同，这跟同时的相对性有关地面上的人认为同时的两个事件（同时对A、B两端读数），火车上的人认为不是同时的火车上的人认为，地面上的人对B端的读数早些，对A端的读数迟些，在这个时间内杆向前运动了一段距离，因而地面上的人测得的杆长比较短（2）式具有普遍意义，也就是说，一个杆，当它沿着自身的方向相对于测量者运动时，测得的长度比它静止时的长度小，速度越大，差别也越大这就是我们所说的空间的相对性当杆沿着垂直于自身的方向运动时，测得的长度和静止时一样可以想像这样一幅图景：一列火车以接近光的速度从我们身边飞驶而过，我们感到车厢变短了，车窗变窄了……火车越快，这个现象越明显，但是车厢和车窗的高度都没有变化车上的人有什么感觉呢？他认为车上的一切都和往常一样，因为他和火车是相对静止的但是，他却认为地面上的景象有些异常：沿线的电线杆的距离变短了，面对铁路线的正方形布告牌由于宽度变小而高度未变竟成了窄而高的矩形……时空相对性的实验验证从（）、（2）两式可以看到，只有当两个参考系的相对速度可与光速相比时，时间与空间的相对性才比较明显目前的技术还不能使宏观物体达到这样的速度，但是随着对微观粒子研究的不断深入，人们发现，许多情况下粒子的速度会达到光速的90％以上，时空的相对性应该是不可忽略的事实正是如此时至今日，不但狭义相对论的所有结论已经完全得到证实，实际上它已经成为微观粒子研究的基础之一时空相对性的最早证据跟宇宙线的观测有关（1941年）宇宙线是自太阳和宇宙深处的高能粒子流，它和高层大气作用，又产生多种粒子，叫做次级宇宙线，它们统称宇宙线次级宇宙线中有一种粒子叫做μ子，寿命不长，只有30μ，超过这个时间后大多数μ子就衰变为别的粒子了宇宙线中μ子的速度约为099c，所以在它的寿命之内，运动的距离只有约890μ子生成的高度在100以上，这样说宇宙线中的μ子不可能到达地面但在实际上，地面观测到的宇宙线中有许多μ子，这只能用相对论解释我们说μ子的寿命为30μ，这是在与它相对静止的参考系中说的从地面参考系看，μ子在以接近光速的速度运动，根据（）式，它的寿命比30μ长得多，在这样长的时间内，许多μ子可以飞到地面如果观察者和μ子一起运动，这个现象也好解释这位观察者看到，μ子的寿命仍是30μ，但是大地正向他扑面而，因此大气层的厚度不是100，由于长度的相对性，在他看大气层比100薄得多，许多μ子在衰变为其他粒子之前可以飞过这样的距离相对论的第一次宏观验证是在1971年进行的当时把铯原子钟放在喷气式飞机上作环球飞行，然后与地面上的基准钟对照实验结果与理论预言符合得很好相对论的时空观什么是时间？什么是空间？时间和空间有什么性质？经典物理对这些问题并没有正面回答但是从它对问题的处理上，我们体会到，经典物理认为空间好像一个大盒子（一个没有边界的盒子），它是物质运动的场所至于某一时刻在某一空间区域是否有物质存在，物质在做什么样的运动，这些对于空间本身没有影响，就像盒子里是否装了东西对于盒子的性质没有影响一样时间与此相似，它在一分一秒地流逝，与物质的运动无关换句话说，经典物理认为空间和时间是脱离物质而存在的，是绝对的，空间与时间之间也是没有联系的相对论则认为有物质才有空间和时间，空间和时间与物质的运动状态有关前面已经看到，在一个确定的参考系中观察，运动物体的长度（空间距离）和它上面物理过程的快慢（时间进程）都跟物体的运动状态有关我们生活在低速运动的世界里，因此自然而然地接受了经典的时空观，过去谁都未曾有意识地考虑过空间与时间的性质只有当新的实验事实引出的结论与传统观念不一致时，人们才回过头认真思考过去对于空间和时间的认识的发展和人对于自然界的认识就是这样一步一步地前进的新没有全盘否定经典物理，经典物理建立在实验的基础上，它的结论又受到无数次实践的检验虽然相对论更具有普遍性，但是经典物理作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狭义相对论的其他三个结论我们不做推导而直接引入狭义相对论的三个重要结论相对论速度叠加公式仍以高速火车为例设车对地面的速度为v，车上的人以速度′沿着火车前进的方向相对火车运动，那么他相对地面的速度为如果车上人的运动方向与火车的运动方向相反，则′取负值这两个速度的方向垂直或成其他角度时，（1）式不适用，这种情况不做讨论按照经典的时空观，=′+v而从（1）式看，实际上人对地面的速度比′与v之和要小，不过只有在′和v的大小可以与c相比时才会观察到这个差别从（1）式还可以看出，如果′和v都很大，例如十分接近光速，它们的合速度也不会超过光速，也就是说，光速是速度的极限此外，当′=c时，不论v取什么值，总有=c，这表明，从不同参考系中观察，光速都是相同的，这和相对论的第二个假设一致相对论质量按照牛顿力，物体的质量是不变的，因此一定的力作用在物体上，产生的加速度也是一定的，这样，经过足够长的时间以后物体就可以达到任意大的速度但是相对论的速度叠加公式告诉我们，物体的运动速度不能无限增加这个矛盾启发我们思考：物体的质量是否随物体的速度而增大？严格之间有如下关系：的论证证实了这一点实际上，物体以速度v运动时的质量和它静止时的质量微观粒子的运动速度很高，它的质量明显地大于静止质量，这个现象必须考虑例如，回旋加速器中被加速的粒子，在速度增大后质量增大，因此做圆周运动的周期变大，它的运动与加在D 形盒上的交变电压不再同步，所以回旋加速器中粒子的能量受到了限制质能方程（3）相对论另一个重要结论就是大家已经过的爱因斯坦质能方程：E = c2它表达了物体的质量和它所具有的能量的关系物体运动时的能量E和静时有以下近似关系于是知道：这就是过去熟悉的动能表达式这个结果又一次让我们看到，牛顿力是相对论力在v<<c时的特例。
高中物理 第十五章 相对论简介 3 狭义相对论的其他结论 4 广义相对论简介学案 新人教版选修3-4
高中物理第十五章相对论简介3 狭义相对论的其他结论4 广义相对论简介学案新人教版选修3-4编辑整理：尊敬的读者朋友们：这里是精品文档编辑中心，本文档内容是由我和我的同事精心编辑整理后发布的，发布之前我们对文中内容进行仔细校对，但是难免会有疏漏的地方，但是任然希望（高中物理第十五章相对论简介3 狭义相对论的其他结论4 广义相对论简介学案新人教版选修3-4）的内容能够给您的工作和学习带来便利。
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3 狭义相对论的其他结论4 广义相对论简介1．相对论速度变换公式(1)以高速火车为例，设车对地面的速度为v，车上的人以速度u′沿着火车前进的方向相对于火车运动，那么这个人相对地面的速度u＝错误!。
（2）光速是速度的极限,任何物体的机械运动既不能达到更不能超过光速。
【例1】如图所示，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。
0×108 m/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。
解析：（1）A上的乘客看到B的相对速度，即B相对运动参考系A的速度u′，由题意知A 相对静止参考系(观察者）的速度v＝v A＝2。
5×108 m/s，B相对静止参考系的速度u＝v B＝2.0×108 m/s，由相对论速度变换公式u＝错误!可得2.0×108 m/s＝错误!，解上式得u′＝－1.125×108 m/s，即A上的乘客看到B以1.125×108 m/s的速度沿飞船A运动的反方向运动.（2)根据运动的相对性可知,B上的乘客看到A以1。
高中物理第15章第四节广义相对论简介课件新人教选修34.ppt
【自主解答】 由 E＝mc2 可得 m＝cE2＝1.28×130×9×110.86× 2 10－19 kg＝2.28×10－27 kg ∴mm0＝29.2.18××1100－－3217＝2505.
【答案】 2.28×10－27 kg 2505倍
【方法总结】 明确物体质能表达式E＝mc2的 含义是解题的关键.如果物体静止,则E0＝m0c2, 如果此时物体还具有动能Ek,则此时物体的能量 为E＝E0＋Ek＝mc2,其中m为物体运动时的质量 .
变式训练3 以下说法中，错误的是( ) A．矮星表面的引力很强 B．时钟在引力场弱的地方比引力场强的地方走 得快些 C．在引力场越弱的地方，物体长度越长 D．在引力场强的地方，光谱线向绿端偏移 答案：CD
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广义相对论所作出的以上预言全部被实验观测所 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 挥主要作用.
课堂互动讲练
类型一 质速关系的应用
例1 某人测得一静止棒长为 l,质量为 m,于是求得此 棒线密度为 ρ. (1)假定此棒以速度 v 在棒长方向上运动,此人再测棒 的线密度应为多少？ (2)若棒在垂直长度方向上以速度 v 运动,它的线密度 又是多少？(线密度 ρ＝ml )
长度的相对性.线密度 ρ＝ml ,当棒沿棒长方向运动 时,m、l 都发生变化,这时要通过推算来解决,考虑 问题时不能漏了 m 或 l 的变化.当棒沿垂直长度方 向运动时,只有 m 发生变化.
变式训练1 一观察者测出电子质量为2m0,求电子 解速析率：是m多＝少2m？0，(m代0为入电质子量静公止式时m＝的质量1m－)0 vc2，
高中物理选修3-4第十五章相对论简介全章教案
教学课题：相对论的诞生一．教学目标【知识和技能】1.了解相对论诞生的历史背景，知道麦克耳孙一莫雷实验2.了解经典的相对性原理3.知道相对性原理与电磁规律之间的矛盾4.知道狭义相对论的两个基本假设【过程和方法】1.了解对经典物理学内部矛盾的探索过程2.理解爱因斯坦建立相对论的科学探究思想和逻辑推理方法【情感、态度、价值观】明确物理理论的发展的基础—事实与理论的矛盾二．教学重点、难点重点：经典的相对性原理和光速不变难点：相对性原理的体味三．教学仪器投影仪四．教学方法讲授、阅读和讨论五．教学过程引入（阅读教材）牛顿力学是在研究宏观物体的低速（与光速相比）运动时总结出来的.对于微观粒子，牛顿力学并不适用，在这一章中我们还将看到，对于高速运动，即使是宏观物体，牛顿力学也不适用.19世纪后半叶，关于电磁场的研究不断深入，人们认识到了光的电磁本质.我们已经知道，电磁波是以巨大的速度传播的，因此在电磁场的研究中不断遇到一些矛盾，这些矛盾导致了相对论的出现.相对论不仅给出了物体在高速运动时所遵循的规律，而且改变了我们对于时间和空间的认识，它的建立在物理学和哲学的发展史上树立了一座重要的里程碑.新课一、经典的相对性原理如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系叫做惯性系，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.我们引用伽利略的一段话，生动地描述了一艘平稳行驶的大船里发生的事情.“船停着不动时，你留神观察，小虫都以等速向各方向飞行，鱼向各个方向随意游动，水滴滴进下面的罐中；你把任何东西扔给你的朋友时，只要距离相等，向这一方向不比向另一方向用更多的力.你双脚齐跳，无论向哪个方向跳过的距离都相同.当你仔细观察这些事情之后，再使船以任何速度前进，只要运动是匀速的，也不忽左忽右地摆动，你将发现，所有上述现象丝毫没有变化.你也无法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是停着不动”通过这段描述以及日常经验，人们很容易相信这样一个论述：力学规律在任何惯性系中都是相同的.这个论述叫做伽利略相对性原理.相对性原理可以有不同的表述.例如还可以表述为：在一个惯性参考系内进行任何力学实验都不能判断它是否在相对于另一个惯性参考系做匀速直线运动；或者说，任何惯性系都是平权的.在不同的参考系中观察，物体的运动情况可能不同，例如在一个参考系中物体是静止的，在另一个参考系中看，它可能是运动的，在不同的参考系中它们运动的速度和方向也可能不同.但是，它们在不同的惯性系中遵从的力学规律是一样的，例如遵从同样的牛顿运动定律、同样的运动合成法则……二、光速引起的困难自从麦克斯韦预言了光的电磁本质以及电磁波的速度以后，物理学家们就在思考，这个速度是对哪一个参考系说的？如果存在一个特殊的参考系O，光对这个参考系的速度是c，另一个参考系O′以速度v沿光传播的方向相对参考系O运动，那么在O′中观测到的光速就应该是c-v，如果参考系O′逆着光的传播方向运动，在参考系O′中观测到的光速就应该是c+v.由于一般物体的运动速度比光速小得多，c+v 和c-v与光速c的差别很小，在19世纪的技术条件下很难直接测量，于是物理学家们设计了许多巧妙的实验，力图测出不同参考系中光速的差别.最著名的一个实验是美籍物理学家麦克尔逊设计的.他把一束光分成互相垂直的两束，一束的传播方向和地球运动的方向一致，另一束和地球运动的方向垂直，然后使它们发生干涉，如果不同方向上的光速有微小的差别，当两束光互相置换时干涉条纹就会发生变化.由于地球在宇宙中运动的速度很大，希望它对光速能有较大的影响.但是，这个实验和其他实验都表明，不论光源和观察者做怎样的相对运动，光速都是相同的.这些否定的结果使当时的物理学家感到震惊，因为它和传统的观念，例如速度合成的法则，是矛盾的.三、狭义相对论的两个假设上面的矛盾使我们面临一个困难的选择：要么放弃麦克斯韦的电磁理论，要么否定特殊参考系的存在.爱因斯坦选择了后者.他认为，既然在不同的惯性系中力学规律都一样，我们会很自然地想到，电磁规律在不同的惯性系中也是一样的，也就是说，并不存在某一个特殊参考系（例如地球参考系、太阳参考系，或者所谓的以太……）爱因斯坦把伽利略的相对性原理推广到电磁规律和一切其他物理规律，成为他的第一个假设：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的.这个假设通常称为爱因斯坦相对性原理. 另一条假设是：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，与光源的运动和观察者的运动没有关系.这个假设通常叫做光速不变原理.这两个假设似乎是麦克尔逊实验的直接结论，为什么还要叫做假设？这是因为，虽然实验表明了假设所说的内容，但这终归是有限的几次实验.只有在从这两个假设出发，经过逻辑推理（包括数学推导）所得出的大量结论都与事实相符时，它们才能成为真正意义上的原理. 例题与练习见学案小结狭义相对论的两个假设 作业阅读教材和查找相关资料六．教学反思：教学课题： 时间和空间的相对性 一．教学目标 【知识和技能】 1.同时的相对性 2.运动长度的收缩 3.时间间隔的相对 【过程和方法】1.理解同时相对性的推演过程2.理解从“同时相对性”出发得出“运动长度和时间间隔的相对性”的过程 【情感、态度、价值观】 1.体会相对论崭新的时空观，体会相对论的建立对人类认识世界的影响。
高中物理 第十五章 相对论简介 4 广义相对论简介自主练习 新人教版选修3-4(2021年最新整理)
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广义相对论简介我夯基我达标1.下列属于广义相对论结论的有( ）A。
尺缩效应 B.时间变慢C.光线在引力场中偏转 D。
水星近日点的进动答案：CD2。
人类最早对宇宙的认识学说是（ )A。
地心说 B.日心说C.大爆炸学说D.以上说法都不正确思路解析:人类对宇宙的认识是一个渐进的过程.在人类历史上，相当长的时期内，人们认为地球是宇宙的中心，后来哥白尼提出了“日心说”，认为太阳是宇宙中心,后来人类对宇宙的起源进行探究，物理学家伽莫夫提出了大爆炸学说。
答案：A3。
现在，科学家们正在设法探寻“反物质”。
所谓“反物质"是由“反粒子”构成的，“反粒子"与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电荷量,但电荷的符号相反。
据此，若有反α粒子，它的质量数和电荷数分别为多少?思路解析：因“反粒子”与其对应的正粒子具有相同质量、相同的电荷量，但电荷的符号相反.所以，反α粒子质量数为4，电荷数为-2.答案：4 -24.关于宇宙的成因，目前比较易被接受的是宇宙起源于_______________.思路解析：目前关于宇宙成因有许多说法，其中具代表性并为多数科学家所接受的是“大爆炸”学说，认为宇宙起源于一次大爆炸。
尽管“大爆炸”学说受到很多人支持,但仍有很多不解之谜.答案：大爆炸我综合我发展5.一立方体物体静止时体积为V 0，质量为m 0.当该物体沿其一棱以速率v 运动时，试求其运动时的体积。
高中物理 第十五章第4节 广义相对论简介课堂达标 新人教版选修3-4
第十五章第3节狭义相对论的其他结论第4节广义相对论简介1．(多选)(河北衡水中学2017年高二下学期期中)下列说法正确的是( AD )A．强引力场的作用可使光谱线向红端偏移B．光的色散现象都是由于光的干涉现象引起的C．引力场越强的位置，时间进程越快D．由于太阳引力场的影响，我们可以看到太阳后面的恒星解析：根据广义相对论可判选项AD正确。
2．(山东潍坊2017年高三模拟)根据爱因斯坦质能方程，以下说法不正确的是( C )A．任何核反应，只要伴随能量的产生，则反应前后各物质的质量和一定不相等B．太阳不断地向外辐射能量，因而太阳的总质量一定不断减小C．虽然太阳不断地向外辐射能量，但它的总质量是不可改变的D．若地球从太阳获得的能量大于地球向外辐射的能量，则地球的质量将不断增大解析：根据E＝mc2，当物体能量变化时，参加核反应的物质的质量发生变化，故选项A正确；太阳向外辐射能量，对应的总质量一定减小，故选项B正确、选项C错误；当地球向外辐射的能量小于从外界获得的能量时，地球的总能量增加，对应地球的质量也将增加，选项D正确。
3．(浙江省慈溪市2017～2018学年高二上学期期末)美国科研人员2016年2月11日宣布，他们利用激光干涉引力波天文台(LIGO)于去年9月首次探测到引力波，证实了爱因斯坦100年前所做的猜测。
在爱因斯坦的描述中，有质量的物体会使它周围的时空发生扭曲，物体质量越大，时空就扭曲的越厉害。
当有质量的两物体加速旋转的时候，他们周围的时空会发生起伏，震颤，波浪……这种“时空扰动”以波(涟漪)的形式向外传播，这就是“引力波”。
其实只要有质量的物体加速运动就会产生引力波，不同方式产生的引力波的波长是不一样的。
引力波是以光速传播的时空扰动，是横波。
引力波和物质之间的相互作用极度微弱，因此它的衰减也是极度缓慢的。
引力波的发现为我们打开了研究宇宙的全新窗口，引力波携带着与电磁波截然不同的信息，将为我们揭示宇宙新的奥秘。
高中物理 15.4 广义相对论简介学案3 新人教版选修34
用心 爱心 专心 1高中物理 15.4 广义相对论简介学案3 新人教版选修34一、知识目标1．了解广义相对性原理和等效原理。
2．了解广义相对论的几个结论。
二、教学重点广义相对性原理和等效原理。
三、教学难点理解广义相对论的几个结论。
四、知识梳理1、超越狭义相对论的思考万有引力问题和惯性系问题是狭义相对论无法解决的问题。
2、广义相对论的基本原理等效性原理和广义相对性原理是广义相对论的基本原理。
广义相对性原理是：在任何参考系中物理规律都是相同的。
等效原理：一个均匀的引力场与一个匀加速的参考系等价。
3、广义相对论的几个结论（1）物质的引力使光线弯曲（如图1）。
这已在几次日蚀测量中得到了证实，证明广义相对论的计算偏折角与观测值相符合。
（2）光谱线的引力红移。
原子谱线的波长加大，引力场越强，波长增加的量越大，称这个效应为引力红移。
引力红移早已为恒星的光谱测量所证实。
（3）水星近日点的进动。
（如图2）图 2-当堂检测1、自然界中什么参考系才是惯性系，为什么惯性系在描述规律中居于特殊的地位。
答案：牛顿运动定律成立的参考系是惯性系。
惯性系引力均匀。
2、爱因斯坦的理论对于我们有什么现实的应用意义？答：它们不但引发了20世纪科技领域以及思想领域的伟大革命，而且还将持久地影响新世纪文明建设的漫长进程。
其实一个世纪以来物理学及其应用的各个领域所取得的种种成就，大多与相对论有关。
例如质能方程就是我们目前利用核能的理论基础。
3、爱因斯坦不但是一位伟大的科学家，同时也是一位伟大的和平主义者。
同学可以阅读有关书籍或上网查阅有关资料。
了解这位伟大的科学家。
用心爱心专心 2。
最新人教版高中物理选修3-4教学案：第十五章 第3、4节 狭义相对论的其他结论 广义相对论简介含答案
第3、4节狭义相对论的其他结论__广义相对论简介一、狭义相对论的其他结论 1．相对论速度变换公式(1)公式：设高速行驶的火车的速度为v ，车上的人以速度u ′沿着火车前进的方向相对火车运动，那么人相对地面的速度u 为u ＝u ′＋v1＋u ′v c2(2)结论：光速c 是宇宙速度的极限，且相对任何参考系，光速都是一样的。
2．相对论质量(1)经典力学：物体的质量是不变的，一定的力作用在物体上产生一定的加速度，足够长时间后物体可以达到任意的速度。
(2)相对论：物体的质量随物体速度的增大而增大。
物体以速度v 运动时的质量m 与静止时的质量m 0之间的关系是：m ＝m 01－⎝ ⎛⎭⎪⎫v c 2，因为总有v ＜c ，可知运动物体的质量m 总要大于它静止时的质量m 0。
3．质能方程E ＝mc 2。
二、广义相对论简介 1．超越狭义相对论的思考爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的两个问题：1.光速是宇宙速度的极限，相对任何参考系光速都是一样的。
2．物体的质量随物体速度的增大而增大，质能方程：E ＝mc 2。
3．广义相对论的基本原理：在任何参考系中，物理规律都是相同的；一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价。
4．广义相对论的结论：光线在引力场中偏转；引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现偏差。
(1)引力问题：万有引力理论无法纳入狭义相对论的框架。
(2)非惯性系问题：狭义相对论只适用于惯性参考系。
它们是促成广义相对论的前提。
2．广义相对性原理和等效原理(1)广义相对性原理：在任何参考系中，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等价。
3．广义相对论的几个结论 (1)光线经过强引力场发生弯曲。
(2)引力红移：引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现了差别。
而使矮星表面原子发光频率偏低。
1．自主思考——判一判(1)只有运动物体才具有能量，静止物体没有质能。
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课 题
15．4 广义相对论简介
新授课
1课时
教 学 目 标
知识与技能：
（1）了解广义相对论基本原理 广义相对性原理和等效原理强引力场附近的时间进程会变慢
（3）介绍广义相对论的实验验证
过程与方法：
（1）了解爱因斯坦思考和推演广义相对论思维过程
四、关于的宇宙大爆炸理论
简单介绍宇宙大爆炸理论，说明按照广义相对论，宇宙就是无所不包的最大的时空，而且它的弯曲情况和物质的分布应该符合爱因斯坦方程。
学 生 活 动
作 业
《创新课时练》P
板 书 设 计
15.4 广义相对论简介
一、超越狭义相对论的思考
爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的两个问题：
1、引力问题，万有引力定律不满足洛伦兹变换，无法纳人狭义相对论的理论框架；
四、关于的宇宙大爆炸理论
教 学 后 记
情感态度和价值观：
（1）体会在宇宙中人类的渺小和科学的巨大力量
教学重点、难点
1、广义相对性原理和等效原理
2、广义相对论的主要结论：引力使光线弯曲和强引力场附近的时间进程会变慢
教 学 方 法
阅读、讲解、小结
教 学 手 段
多媒体课件
教学活动
一、超越狭义相对论的思考
爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的两个问题：
2、非惯性系问题，狭义相对论只适用于惯性系。它们是促成广义相对论的前提。
二、广义相对性原理和等效原理
把相对性原理从“任何惯性系平权”推广到“包括非惯性系在内的任意参考系(即包括惯性系和非惯性系)平权”。
三、广义相对论几个结论以及相关实验验证
1、光线经过强引力场中发生弯曲
2、引力红移
3、水星轨道近日点的进动
1、引力问题，万有引力定律不满足洛伦兹变换，无法纳人狭义相对论的理论框架；
2、非惯性系问题，狭义相对论只适用于惯性系。它们是促成广义相对论的前提。
二、广义相对性原理和等效原理
引导学生在前述背景介绍下，思考怎样来解决这两个问题。爱因斯坦考虑要解决第二个问题，必须去掉惯性系在相对论理论中的特殊地位，把相对性原理从“任何惯性系平权”推广到“包括非惯性系在内的任意参考系(即包括惯性系和非惯性系)平权”。
三、广义相对论几个结论以及相关实验验证
从广义相对论两个基本原理出发，爱因斯坦预见性地提出了验证这一理论的几个著名实验。
①光线经过强引力场中发生弯曲
介绍物质的引力使时空弯曲，弯曲的时空又使光线弯曲的事实。如1919年5月29日，发生日全食期间，科学家成功地观测到了太阳背后恒星发出的光线经过太阳附近发生弯曲的现象，并拍得了太阳背后恒星的照片。从而确认广义相对论的结论是正确的。这是广义相对论创立以来最早得到科学界认同的最重大的成果。到目前为止科学家对400多颗恒星作了测量，射电天文学的发展使人类不用等日全食发生也能在地球上进行精度很高的观测，且与理论值符合。
②引力红移
了解引力导致时空弯曲，按照相对性原理，空间效应与时间效应是互相影响的，在发生空间弯曲效应的同时，时间膨胀效应也发生了。换句话说，我们观察到引力场空间弯曲的同时也将观测到引力场时钟变慢。
③水星轨道近日点的进动
补充介绍牛顿的经典力学理论在描述行星运动时，其理论值与实际观测结果存在微小差异。由于场能空间分布的不均匀性，当水星运动到靠近太阳附近(近日点)时，场能影响较为显 著，这种影响使得水星运行的椭圆轨道非常缓慢地绕太阳旋转，这就是“水星近日点进动”现象。爱因斯坦用广义相对论计算近日点的进动速率与实际观测结果取得了很好的一致。行星轨道旋转之谜的成功破译，是广义相对论再一次取得的伟大胜利。