15[1].4_广义相对论简介_学案(新人教版选修3-4)2
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。
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。
15.4《广义相对论简介》PPT课件(新人教版-选修3-4)
阅读思考题
1、狭义相对论遇到哪两个无法解决的 问题？
2、广义相对论的两个基本原理是什么？ 与狭义相对论的两个假设有什么不
同？ 3、根据广义相对论的两个基本原理可
以导出那些重要结论？
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
万有引力定律无法纳人狭义相对 论的理论框架； 2、非惯性系问题
广义相对论简介
星球的强引力场能使背后传来的光线汇聚，这 种现象叫做引力透镜效应．
星体
宇宙中很可能存在黑洞， 它不辐射电磁波，因此无法直 接观测，但是它的巨大质量和 极小的体积使其附近产生极强 的引力场，引力透镜是探索黑 洞的途径之一．
无
法
黑
星体
观
洞
测
时间间隔与引力场有关
引力场的存在使得空间不同位置的时间进程 出现差别．
地面上看到：越是靠近边缘，速度越大．根据狭义相对论， 靠近边缘部位的杆的长度较短．
圆盘上的人认为：引力势较低的位置，杆的长度越短．
杆的长度与引力场有关
由于物质的存在，实际空间并不是均匀的，空间 发生了“弯曲”：
对于时空观的认识
狭义相对论
广义相对论
时空性质和物 质的运动有关
时 空 观
物质本身的存在决 定时空的性质
对于高速转动的圆盘，除 了转动轴的位置外，各点都在 做加速运动，越是靠近边缘，，速度越大．根据狭义相对论， 靠近边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．
时间间隔与引力场有关
惯性质量和引力质量
引力和惯性力都可 以使物体加速下落
最新人教版选修3-4高中物理15.2狭义相对论的其他结论 广义相对论简介教学设计
课时152 狭义相对论的其他结论广义相对论简介1知道相对论速度变换公式。
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及主要观测证据。
4关注宇宙研究的新进展。
重点难点相对论速度变换公式与质能方程。
教建议在狭义相对论的两个基本假设基础上,光速极限条件下,经典的伽利略速度叠加法则不再适用,在此条件下介绍相对论速度变换公式。
另一重要内容是爱因斯坦质能方程,它揭示了质量与能量的相互联系。
对于广义相对论,要有所了解,体会人类对自然的认识在不断扩展。
导入新课时间和长度对于不同速度的参考系,将有不同的测量结果,那么,速度、质量和能量将会有什么情况呢?狭义相对论是惯性参考系之间的理论,爱因斯坦把相对性原理推广到非惯性系在内的任意参考系,提出了广义相对论。
1狭义相对论的其他结论(1)相对论速度变换公式设高速火车的速度为v,车上的人以速度'沿着火车前进的方向相对火车运动,光在真空中的速度为c,则此人相对地面的速度为=①。
(2)相对论质量物体以速度v运动时的质量为,和它静止时的质量0之间有如下关系=②,根据此式可知,微观粒子的运动速度很高时,它的质量明显大于静止时的质量,这个现象必须考虑,也就是说物体的质量与物体的③速度有关,并不是恒定不变的。
(3)质能方程物体具有的能量与物体的④质量有关,其表达式为E=⑤c2。
2广义相对论简介(1)广义相对性原理在狭义相对论中,不同惯性参考系中,一切物理规律都是相同的,爱因斯坦在狭义相对论的基础上,把相对性原理推广到包括非惯性参考系在内的任意参考系,在⑥任何参考系中,物理规律都是相同的,这就是广义相对性原理。
(2)等效原理我们无法判断,在一个封闭的电梯内,物体加速运动是由引力引起的还是参考系相对于物体运动造成的,一个均匀的引力场与一个做⑦匀加速运动的参考系等价。
这就是等效原理。
(3)广义相对论的几个结论①根据等效原理,物质的引力使光线⑧弯曲。
②广义相对论告诉我们,引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别,在强引力场附近,时间进程会变⑨慢(填“快”或“慢”)。
2021年高二物理经典解析学案：15.4广义相对论简介(人教版选修3-4)
班级__＿＿____姓名＿_＿_____层次_＿______15.4 广义相对论简介编写人：曹树春审核：高二物理组寄语:梦想决定现实.但，当梦想只是梦想，现实就是另一种现实！学习目标：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.学习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.知识回顾一、狭义相对论的两点假设:1、狭义相对性原理在不同的参考系，一切都是相同的2、光速不变原理真空中的在不同的惯性参考系中是的,光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。
引入新课１9１5年,继狭义相对论发表10年之后，爱因斯坦又发表了广义相对论.这节课我们来了解一下广义相对论的基本原理和几个结论。
Ｂ级一、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、引力问题定律无法纳入狭义相对论的理论框架;2、非惯性系问题，只适用于惯性系,为什么惯性系具有这样的地位？无法解释Ｂ级二、广义相对性原理和等效原理1、广义相对性原理：在参考系中，都是相同的。
2、等效原理：一个的引力场与一个做运动的参考系等价。
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。
这说明一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价,这就是等效原理。
Ｂ级三、广义相对论的几个结论1、物质的引力使光线发生。
20世纪初,人们观测到了太阳引力场引起的光线。
观测到了太阳后面的恒星。
１）、飞船外观察者看到这束光是直线传播的(水平向右）２）、如果飞船做匀速直线运动，船上观察者记录下的光的径迹是一条直线(虚线）３)、如果飞船做匀加速运动，在光向右传播的同时，飞的速度也在不断增大，因此船上观察者记录下的光的径迹是一条抛物线。
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
第九页，共24页。
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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(diǎn jī) 观看
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。
高二物理 15.4_广义相对论简介_学案(新人教版选修3-4)
15.4 广义相对论简介学案教学目标1、了解广义相对论基本原理2、广义相对论主要结论3、介绍广义相对论的实验验证知识梳理教学重点：广义相对性原理和等效原理教学难点：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知识梳理1、广义相对性原理和等效原理广义相对性原理：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做匀加速运动的参考系等价2、广义相对论的几个结论⑴物质的引力使光线弯曲①发生日全食时的观测结果，是对广义相对论的最早验证②一束光垂直于运动方向射入飞船，船外静止的观察者认为这束光是沿直线传播的。
而航天员以飞船为参考系观察到的现象则是：如果飞船做匀速直线运动，飞船上的观察者记录下的光的径迹是一条偏向船尾的直线如果飞船做匀加速直线运动，船上观察者记录下的光经过的轨迹为一条向下弯的曲线⑵引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别在强引力的星球附近，时间进程会变慢。
证实：体积小，质量大的矮星，天文观测到的引力红移现象当堂检测简答1、狭义相对论的局限性？答：（1）万有引力定律无法纳入狭义相对论的框架；（2）狭义相对论是惯性系之间的理论。
2、广义相对性原理是什么？答：在任何参考系中，物理规律都是相同的3、广义相对论有什么现实意义？答：广义相对论已经在宇宙结构、宇宙演化等方面发挥重要作用。
【阅读材料】前3节的内容是爱因斯坦狭义相对论的内容。
爱因斯坦在建立狭义相对论后遗留了两个问题没有回答。
第一，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。
第二，牛顿的引力理论不满足相对论的要求，怎么才能建立一个相对论性的引力理论。
从这两个基本问题出发，爱因斯坦又提出了两个基本原理，从而建立了广义相对论。
请同学们认真阅读一遍教科书上的“广义相对论点滴”一节。
在阅读时，一定会有看不懂的内容，没有关系，这些看不懂的内容也许会激发你继续学习的兴趣和动力。
有些同学可能会想，爱因斯坦的理论对于我们有什么现实的应用意义。
高中物理 第十五章 相对论简介教案 新人教版选修3-4
相对论简介教学目的：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学重点：时间和空间的相对性、狭义相对论和广义相对论教学难点：时间和空间的相对性教学过程：一、狭义相对论的基本假设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.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……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.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.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.车厢中央有一个光源发出了一个闪光，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.在他看来这很好解释，因为车厢是个惯性系，光向前、后传播的速度相同，光源又在车厢的中央，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.在经典物理学家的头脑中，如果两个事件在一个参考系中看来是同时的，在另一个参考系中看来一定也是同时的，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？原来，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学认为，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源，发出一个闪光.对于车上的人来说，闪光到达光源正上方h高处的小镜后被反射，回到光源的位置（如图甲），往返所用的时间为△t′.对于地面的观察者来说，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源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源所用时间记为△t，那么应用勾股定理可得这又是一个令人吃惊的结论：关于闪光从光源出发，经小镜反射后又回到光源所经历的时间，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、化学过程和生命过程都变慢了：时钟走得慢了，化学反应慢了，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.在火车上的人看来，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s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（l）、（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）.宇宙线是来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3.0μs，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0.99c，所以在它的寿命之内，运动的距离只有约890m.μ子生成的高度在100km以上，这样说来宇宙线中的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，这只能用相对论来解释.我们说μ子的寿命为3.0μs，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（l）式，它的寿命比3.0μs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3.0μs，但是大地正向他扑面而来，因此大气层的厚度不是100km，由于长度的相对性，在他看来大气层比100km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？经典物理学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，经典物理学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，经典物理学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，人们才回过头来认真思考过去对于空间和时间的认识.科学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.新科学没有全盘否定经典物理学，经典物理学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，但是经典物理学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u′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u为如果车上人的运动方向与火车的运动方向相反，则u′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，u=u′+v.而从（1）式来看，实际上人对地面的速度u比u′与v之和要小，不过只有在u′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u′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u′=c时，不论v取什么值，总有u=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学，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？严格的论证证实了这一点.实际上，物体以速度v运动时的质量m和它静止时的质量m0之间有如下关系：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.质能方程相对论另一个重要结论就是大家已经学过的爱因斯坦质能方程：E = mc2（3）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，牛顿力学是相对论力学在v<<c时的特例.。
高中物理 第十五章 3 狭义相对论的其他结论 4 广义相对论简介教材梳理教案 新人教版选修3-4(2
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3 狭义相对论的其他结论4 广义相对论简介疱丁巧解牛 知识·巧学一、狭义相对论的其他结论 1。
相对论速度变换公式以高速火车为例,车对地的速度为v,车上的人以u′的速度沿火车前进的方向相对火车运动,则人对地的速度u=2'1'cv u vu ++,若人相对火车反方向运动,u′取负值。
根据此式若u′=c,则u=c,那么c 在任何惯性系中都是相同的。
深化升华 （1)当u′=c 时，不论v 有多大，总有u=c ，这表明，从不同参考系中观察，光速都是相同的，这与相对论的第二个假设光速不变原理相一致.(2)对于速度远小于光速的情形，v 〈<c ，u′<〈c ，这时2'cvu 可以忽略不计,相对论的速度合成公式可以近似变为u=u′+v. 联想发散 相对论并没有推翻牛顿力学,也不能说牛顿力学已经过时了，相对论是使牛顿力学的使用范围变得清楚了. 2。
相对论质量以速度v 高速运动的物体的质量m 和静止时的质量m 0。
有如下关系：m=20)(1cv m -。
质量公式实际上是质量和速度的关系，在关系m=20)(1cv m -中，若v=c,则m 可能是无限大，这是不可能的，尤其是宏观物体,设想物体由v=0逐渐向c 靠拢，m 要逐渐变大，产生加速度的力则要很大，所以能量也要很大.因此，宏观物体的速度是不可能（在目前)增大到与光速相比.但是对于一些没有静止质量的粒子（如光子），它却可以有动质量m.深化升华 （1）物体的质量随速度的增大而增大；（2）物体运动的质量总要大于静止质量.误区警示 不要盲目从公式中得出,v=c 时，质量是无穷大的错误结论。
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
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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。
高中物理人教版选修3-4学案：第十五章第4节-广义相对论简介-
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。
第15章 相对论简介—人教版高中物理选修3-4教案
第十五章相对论简介教案【学习目标】1．光的传播与经典的速度合成法则之间的矛盾．2．理解狭义相对论的两个基本假设．3．理解同时的相对性．4．知道时间间隔的相对性和长度的相对性．5．知道时间和空间不是脱离物质而单独存在的6．知道相对论的速度叠加公式．7．知道爱因斯坦质能方程．8．知道广义相对性原理和等效原理．9．知道光线在引力场中的弯曲及其验证．知识回顾：1.我们生活中一个物体它的质量会变化吗？答：不会2.我们看了很多的穿越剧，那么我们能不能穿越回古代呢？答：不能3.物体会不会平白无故消失呢？答：不能知识点一、相对论的诞生1．惯性系和非惯性系牛顿运动定律能够成立的参考系叫惯性系，匀速运动的汽车、轮船等作为参考系就是惯性系．牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系．例如我们坐在加速的车厢里，以车厢为参考系观察路边的树木房屋向后方加速运动，根据牛顿运动定律，房屋树木应该受到不为零的合外力作用，但事实上没有，也就是牛顿运动定律不成立．这里加速的车厢就是非惯性系．相对于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．即任何惯性参考系都是平权的．这一原理在麦克尔逊—莫雷实验结果面前遇到了困惑，麦克尔逊—莫雷实验和观测表明：不论光源与观察者做怎样的相对运动，光速都是一样的．3．麦克尔逊—莫雷实验（1）实验装置，如图所示．（2）实验内容：转动干涉仪，在水平面内不同方向进行光的干涉实验，干涉条纹并没有预期移动．（3）实验原理：如果两束光的光程一样，或者相差波长的整数倍，在观察屏上就是亮的；若两束光的光程差不是波长的整数倍，就会有不同的干涉结果．由于1M 和2M 不能绝对地垂直，所以在观察屏上可以看到明暗相间的条纹．如果射向1M 和2M 的光速不相同，就会造成干涉条纹的移动．我们知道地球的运动速度是很大的，当我们将射向M 的光路逐渐移向地球的运动方向时，应当看到干涉条纹的移动，但实际结果却看不到任何干涉条纹的移动．因此，说明光在任何参考系中的速度是不变的，它的速度的合成不满足经典力学的法则，因此需要新的假设出现，为光速不变原理的提出提供有力的实验证据．（4）实验结论：光沿任何方向传播时，相对于地球的速度是相同的．4．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，一切物理定律总是相同的．（2）光速不变原理．真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的．例题 1. 如图所示，在列车车厢的光滑水平面上有一质量为 5 kg m =的小球，正随车厢一起以20 m/s 的速度匀速前进．现在给小球一个水平向前的 5 N F =的拉力作用，求经过10 s 时，车厢里的观察者和地面的观察者看到小球的速度分别是多少？【思路点拨】力学规律在任何惯性系中都是相同的．【答案】见解析【解析】对车上的观察者：物体的初速00v =，加速度21m/s F a m==， 经过10 s 时速度110 m/s v at ==．对地上的观察者解法一：物体初速度020 m/s v =，加速度相同21m/s F a m==． 经过10 s 时速度2030 m/s v v at =+=．解法二：根据速度合成法则()210 1020 m/s 30 m/s v v v =+=+=．【总结升华】在两个惯性系中，虽然观察到的结果并不相同，一个10 m/s ，另一个30 m/s ，但我们却应用了同样的运动定律和速度合成法则．也就是说，力学规律在任何惯性系中都是相同的．例题2. 考虑几个问题：（1）如图所示，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】三种情况都是c．+，第三种【解析】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 -，此种解法是不对的，而根据狭义相对论理论知，光速是不变的，都应是c．情况应是c v【总结升华】麦克耳孙——莫雷实验证明了光速在任何惯性参考系中的速度是不变的，对于高速物体，伽利略速度合成法则不再适用．知识点二、时间和空间的相对性1．“同时”是相对的、两个事件是否同时发生，与参考系的选择有关．A B汽车以较快的速度匀速行驶，车厢中央的光源发出的闪光，对车上的观察者，这个闪光照到车厢前壁和后壁的这两个事件是同时发生的．对车下的观察者，他观察到闪光先到达后壁后到达前壁．这两个事件是不同时发生的．2．长度的相对性（尺缩效应）长度的测量方法：同时测出杆的两端M N、的位置坐标．坐标之差就是测出的杆长．如果与杆相对静止的人认为杆长为l．与杆相对运动的人认为杆长为l．则21vl lc⎛⎫=- ⎪⎝⎭．一根沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度小，而在垂直于运动方向上，杆的长度没有变化．3．时间间隔的相对性（钟慢效应）某两个事件在不同的惯性参考系中观察，它们的时间间隔不一样．在与事件发生者相对静止的观察者测出两事件发生的时间间隔为τ∆，与事件发生者相对运动的观察者测得两事件发生的时间间隔为t∆．t∆=．4．相对论的时空观相对论认为空间和时间与物质的运动状态有关．经典物理则认为空间和时间是脱离物质而存在的，是绝对的，空间与时间之间没有什么联系．虽然相对论更具有普遍性，但是经典物理学作为相对论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．类型二、时间和空间的相对性例题3.(1)某火箭在地面上的长度为L0，发射后它在地面附近高速(约0.3c)飞过，关于地面上的人和火箭中的人观察到的现象，以下说法正确的是________。
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15.4 广义相对论简介学案
★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。
★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。
★知识梳理
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，无法纳入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
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
四、关于的宇宙大爆炸理论
大爆炸宇宙学：多方分析表明，我们的宇宙是在约200亿年以前从一个尺度很小的状态发展演化而来的。
★随堂检测
1. 和问题难以用狭义相对论解决，催促了广义相对论的诞
生。
2．广义相对论认为，在任何参考系中，物理规律都是_____________。
3．等效原理的基本内容是一个均匀的_____________场与一个做__________________运动的参考系是等价的。
4．广义相对论告诉我们，____________的存在使得空间不同位置的____________出现差别，物质的____________使光线弯曲。
5．下列属于广义相对论结论的是
( )
A．尺缩效应
B．时间变慢
C．光线在引力场中弯曲
D．物体运动时的质量比静止时大大
6、简答：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解论的实验验证是什么？
7、查阅相关资料了解，宇宙发展演化的过程。
参考答案：1、引力问题，非惯性系问题
2、相同的
3、引力，匀加速
4、引力场，时间进程，引力
5、C
6、1：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。
2：第二个结论，引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别。
例如在强引力的星球附近，时间进程会变慢。
天文观测到了引力红移现象，验证了这一结论的成立。
7、略。