相对论的诞生
教科版(2019)高中物理必修第二册5-2 相对论时空观简介 课件
质量有关。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“时空弯曲”的表现。“弯曲”的程度越高，对应的引力也就越
强（图5-2-13）。
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、
空间不仅是相对的，组成一个密切联系、不可分割的整体，并且不能
所以闪光是同时到达前后壁的（如图）。
在台上观测，由于底面是惯性系，所以闪光时先到达
后壁而后到达前壁，不是同时发生的（如图）。
（二）运动时钟变慢（时间间隔的相对性）
在相对地面以高速v匀速运动的火车内的观察者，测得两个事
件先后发生的时间间隔为Δτ，则在地面上的观察者测得的时间间
隔为Δt。则Δτ和Δt之间的关系为：
在这两个基本假设的基础上，爱因斯坦于1905年创立了狭义相对论。
二、狭义相对论
（一）同时的相对性
同时是相对的，是指相隔一定距离发生的两件事，在一个参
考系中观测是同时发生的，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，而是一先一后发生的。
思考：同时为什么是相对的？
讨论交流
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
高处接收到时其频率变低，发生“红移”；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“蓝移”。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不一致，
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引力场方程取代
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
人教版选修3-4 15.1 相对论的诞生 时间和空间的相对性 教案
图示是目前世界上最为豪华的游轮之一。
如果游轮在平静的海面上匀速前行,而你在游轮最底部的船舱内,看不到外面的大海和任何游轮之外的物体,你有什么方法能够得知轮船是在海面上匀速前进还是静止?是的,在轮船没有加速度时,由于我们没有参考系(在船舱底部),所以无法判断轮船到底是匀速前进还是静止,只有具有加速度时我们才能够判断。
对于惯性参考系来讲,一切物理规律都是等价的,只是它们的初始状态不同,这就是相对论的开始。
怎么样?相对论没有你想象的那么难吧!课时15.1相对论的诞生时间和空间的相对性1.了解经典相对性的原理。
2.知道狭义相对论的实验基础,知道狭义相对论关于时空相对性的主要结论。
3.了解狭义相对论的两个基本假设。
通过实例,了解时间和空间的相对性,体会相对论时空观与低速世界情景的差异。
4.了解经典时空观与相对论时空观的主要区别,体会相对论时空观的建立对人类认识世界的影响。
重点难点:狭义相对论的基本假设,长度与时间间隔的相对性。
教学建议:通过本节的学习,了解面对迈克耳孙—莫雷实验的结果,爱因斯坦通过否定以太的存在,同时否定了牛顿力学的绝对空间和绝对时间。
了解狭义相对论的两个基本假设,同时以这两个原理为基础,通过对一些简单现象的分析和逻辑推理,得到“同时”的相对性与时间间隔的相对性。
导入新课:1994年初,一架意大利客机在非洲河岸上空飞行,突然,客机从地面控制室的雷达屏幕上消失了。
正当机场工作人员焦急万分之际,客机又在原来的空域出现,雷达又追踪到了客机的信号,最后,这架客机安全降落在意大利内地机场。
对此现象专家们认为,唯一的解释是在“失踪”的一刹那,时间“静止”不动了,或者说出现了时光倒流。
同学们,时光真的会倒流吗?1.相对论的诞生(1)经典相对性的原理:力学规律在任何①惯性系中都是相同的。
(2)狭义相对论的两个基本假设狭义相对性原理:在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是②相同的。
光速不变原理:真空中的光速在不同的惯性参考系中都是③相同的,光速与光源、观察者间的④相对运动没有关系。
从牛顿到爱因斯坦揭开相对论的面纱
从牛顿到爱因斯坦揭开相对论的面纱爱因斯坦是20世纪最伟大的科学家之一，他的相对论理论彻底改变了我们对时间、空间和物质的认识。
然而，在爱因斯坦之前，还有一个科学巨人——牛顿，他的经典力学为相对论的发展奠定了基础。
本文将带领读者了解从牛顿到爱因斯坦的科学旅程，揭开相对论的面纱。
1. 牛顿力学的奠基众所周知，牛顿是物理学的奠基人之一。
他的三大定律：惯性定律、牛顿第二定律和作用-反作用定律，构建了经典力学的基本框架。
牛顿力学在描述天体运动、机械物体的运动以及其他日常现象方面非常成功。
然而，牛顿力学无法解释光在真空中的传播以及高速运动体的行为，这为爱因斯坦的相对论理论的诞生创造了机会。
2. 爱因斯坦的相对论思想爱因斯坦在狭义相对论和广义相对论两方面做出了开创性贡献。
狭义相对论主要探讨的是高速相对运动下的时空关系，提出了著名的相对论性质能量公式E=mc²，并阐述了尺缩效应和时间膨胀效应等相对论效应。
广义相对论则进一步扩展了狭义相对论的观点，将引力看作是时空弯曲的结果，提出了曲率引力方程，成功解释了水星近日点进动等多个实验验证。
3. 实验验证与科学共识相对论理论的提出需要实验验证来验证其准确性。
光的干涉实验、测量光速的迈克尔逊-莫雷实验等实验证据为相对论打下坚实的基础。
此外，引力波的探测和日食观测等也进一步证实了爱因斯坦的理论。
科学界逐渐形成共识，相对论成为现代物理学的重要基石。
4. 相对论的影响与应用相对论不仅在理论物理学中有着重要地位，也为现代技术的发展做出了贡献。
相对论对GPS导航系统的精确定位起到了关键作用，也对粒子加速器、核裂变等领域产生了重大影响。
此外，相对论的思想也渗透到哲学、文学等领域，引发了广泛的思考和探索。
5. 相对论的局限性和未来的发展尽管相对论在解释各类经典实验上具有高度准确性，但它仍有一些局限性。
比如，相对论无法与量子力学进行统一，无法解释黑洞内部的奇点等问题。
这些问题成为了现代物理学研究中的难题，也催生了超弦理论等新的物理学理论的提出。
细节成功的名人例子
细节成功的名人例子
以下是几个细节成功的名人例子：
1. 牛顿：苹果的故事
牛顿坐在苹果树下思考行星绕日运动的原因，一只苹果落下来，他因此发现了万有引力定律。
这个故事告诉我们，有时候，一个看似微不足道的细节，也能成为你成功的关键。
2. 爱因斯坦：相对论的诞生
爱因斯坦在思考相对论的过程中，曾经在一个火车站台上等待火车的时间里，反复思考和计算。
最终，他得出了震惊世界的相对论公式。
这个故事告诉我们，成功有时候来自于你如何利用每一个时间片段，哪怕是很短的时间。
3. 贝多芬：月光曲的创作
贝多芬在创作月光曲的过程中，曾经在月光下散步，思考如何将月光的美妙感觉融入到音乐中。
最终，他成功地将月光的美妙感觉融入到了他的音乐中，创作出了著名的月光曲。
这个故事告诉我们，有时候，成功的细节来自于你对周围环境的感受和思考。
4. 乔布斯：苹果公司的创立
乔布斯在苹果公司的创立过程中，曾经注重每一个细节，从产品的设计到包装的样式，他都亲自参与。
最终，苹果公司成为了全球最有影响力的科技公司之一。
这个故事告诉我们，成功有时候来自于你对细节的注重和追求。
(人教)高中物理选修34课件：15.12相对论的诞生 时间和空间的相对性
都是_一__样__的___．
(2)两个基本假设
狭义相对性 在不同的_惯__性___参考系中，一切
原理
物理规律都是_相__同___的
光速不变原 真空中的光速在不同的惯性参考
理
系中都是_相__同___的
二、时间和空间的相对性 1．“同时”的相对性 在经典物理学上，如果两个事件在一个参考系中认为是同 时的，在另一个参考系中一定也是同时的；而根据爱因斯坦的 两个假设，同时是_相__对___的． 2．长度的相对性 (1)经典物理学认为，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)如果与杆相对静止人认为杆长是 L0，与杆相对运动的 人认为杆长是 L，则两者之间的关系为 L＝L0 1－vc2.
(3)一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的 长度小．
3．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_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 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 高速运动的参考系中观察同样
A．飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为 1.5c B．飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为 0.5c C．在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是 c D．在地面上任何地方的观察者看到的光速都是 c
解析： 答案： CD
样理解“动尺变短”和“动钟变慢” 1．怎样理解“动尺变短”？ 狭义相对论中的长度公式：l＝l0 1－vc2中，l0 是相对于 杆静止的观察者测出的杆的长度，而 l 可以认为是杆沿自己的长 度方向以速度 v 运动时，静止的观察者测量的长度．还可以认 为是杆不动，而观察者沿杆的长度方向以速度 v 运动时测出的 杆的长度．
相对论的发现过程
相对论的发现过程引言相对论是物理学中一项重要的理论，对于我们对于时间、空间和能量的理解产生了深远的影响。
相对论的发现过程涉及到众多科学家的研究和贡献，本文将从最早的思考开始，逐步介绍相对论的发现过程。
1.特殊相对论的先驱1.1爱因斯坦与光速不变原理爱因斯坦是相对论的奠基人之一。
在19世纪末，他开始思考光的性质和传播方式，并提出了光速不变原理，即光速在任何参考系中都是恒定的。
这个假设推翻了牛顿时代的经典观念，成为后来相对论发展的重要基石。
1.2迈克尔逊莫雷实验为了验证光速不变原理，迈克尔逊和莫雷进行了一系列的实验。
他们使用干涉仪测量了不同方向上的光速，然而结果却出乎意料地显示光速并未受到地球运动的影响。
这个实验引起了广泛的关注，为后来相对论的发展奠定了基础。
2.狭义相对论的诞生2.1爱因斯坦的特殊相对论1905年，爱因斯坦发表了他的特殊相对论理论。
在这一理论中，他提出了两个重要的假设：光速不变原理和等效性原理。
他将时间和空间视为相对的概念，并引入了著名的洛伦兹变换，解释了运动物体在不同参考系下的观测结果。
2.2麦克斯韦方程与狭义相对论爱因斯坦的特殊相对论与当时已经建立起来的麦克斯韦方程组是一致的。
麦克斯韦方程预言了电磁波的存在，并且揭示了光速的固定值。
特殊相对论将光速不变原理与麦克斯韦方程联系在一起，形成了一个统一而完整的理论框架。
3.广义相对论的发展3.1引力场和等效原理爱因斯坦进一步深化了他的思考，开始探索引力场与物质的关系。
他提出了等效原理，即质量和引力场之间存在一种等效关系。
这个思想为后来广义相对论的建立打下了基础。
3.2弯曲时空与爱因斯坦场方程1915年，爱因斯坦最终完成了他的广义相对论理论。
在广义相对论中，他认为引力是由于物体在时空中造成的弯曲效应所产生的，并通过张量分析建立了著名的爱因斯坦场方程。
这一理论解释了离心力、引力透镜效应以及黑洞等现象，并成功预测了水星轨道的进动。
结论相对论的发现过程是一个漫长而复杂的历程，涉及到众多科学家的研究和努力。
相对论的诞生PPT
当时人们为了解决这个困难，提出了三 种可能： （1）麦克斯韦电磁理论有错，正确的电磁 方程组应满足伽利略不变性。 （2）牛顿力学与麦克斯韦电磁理论都对， 但麦克斯韦电磁理论只在某一特殊的惯 性系成立。 （3）牛顿力学与伽利略变换不对，应存 在某种变换，麦克斯韦电磁理论在这种 新的变换下具有不变性。这意味着经典 牛顿力学要作修改，修改后的力学方程 在新的变换下具有不变性。
第十五章 相对论简介
15.1 相对论的诞生
一、问题的提出
• 如果有人对你说：“你头脑 中的一些概念是不科学的．” 你相信吗？
一、问题的提出
• 人们头脑中的概念从科学性 来讲，可以分为两类：第一 类是科学的：第二类是经验 的，但不是科学的．
一、问题的提出
• 请问： • 1、标准尺的长度静止时和运 动时的长度是一样吗？ • 2标准钟的快慢运动时和静止 时是一样吗？在高山顶和山 谷是一样吗？
对两个基本原理的正确理解
①自然规律不仅包括力学规律，还包括 电磁学规律等其他所有的物理学规律； ②真空中的光速不变指大小既不依赖于 光源或观察者的运动，也不依赖于光 的传播方向 ③几十年来科学家采用各种先进的物理 技术测量光速，结果都不违背光速不 变原理。
相对论的时空观念与人 们固有的时空观念差别 很大，很难被普通人所 理解。人们都称赞爱因 斯坦伟大，但又常常弄 不懂这伟大的内容。这 使人们想起英国诗人波 谱歌颂牛顿的诗句:
麦克尔逊莫 雷 实 验
任何参照系中测得的光在真空的速 率都应该是一样的． 这一结论还特别为后来的很多精确 的实验所证实，最著名的是1887年 迈克尔逊和莫雷所做的实验。它们 都明确无误地证明光速的测量结果 与光源和测量者的相对运动无关， 亦即与参照系无关。
可见光和电磁波的运动不服从伽利 略相对原理.
人类历史上的重大科学发现
人类历史上的重大科学发现人类历史上的重大科学发现人类历史上的重大科学发现，是我们进步和文明发展的重要基石。
这些发现深刻地改变了我们对世界的认识，推动了科学技术的飞速发展。
本文将介绍几个人类历史上的重大科学发现，展示了人类智慧的伟大成果。
1. 相对论的诞生相对论的诞生是人类历史上的一大突破。
1905年，爱因斯坦提出了狭义相对论，认为时间和空间是相对的，与观察者的运动状态有关。
他还建立了著名的质能关系公式E=mc²，揭示了质量与能量之间的等价关系。
这一重大发现引领着物理学的新方向，为原子核能的开发和应用奠定了理论基础。
2. DNA双螺旋结构的发现1953年，詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克发现了DNA的双螺旋结构，这是生命起源和进化的基础。
他们的发现解释了遗传信息的传递和复制机制，为后来的基因工程和遗传疾病的研究提供了重要依据。
DNA的发现揭示了生命的奥秘，也开启了生物科学的新篇章。
3. 量子力学的提出量子力学的提出彻底颠覆了经典物理学的观念，引领了新的时代。
20世纪初，量子力学的奠基人之一马克斯·普朗克提出了能量量子化的概念，后来由波尔和薛定谔等人进一步发展。
量子力学揭示了微观世界的奇妙现象，如波粒二象性、不确定性原理等，为微观领域的研究提供了全新的理论框架。
4. 化学元素周期表的创立化学元素周期表的创立是化学史上的一大里程碑。
1869年，俄国化学家门捷列夫发现了元素周期律，整理出了一张包含了所有元素的分类表。
这张表的发现，不仅极大地简化了化学研究，还揭示了元素之间的规律和关系，为化学的发展和应用带来了深远影响。
5. 地球自转与公转的证明人类历史上最早的重大科学发现之一，是地球自转与公转的证明。
古希腊著名天文学家亚里士多德在公元前4世纪提出了地心说，即认为地球是宇宙的中心。
然而，16世纪时，哥白尼提出了地日说，即地球绕太阳运动的学说。
这一理论经过科学推理和观测验证，被证明是正确的，深刻改变了人类对宇宙的认识。
爱因斯坦的思考
爱因斯坦的思考爱因斯坦（Albert Einstein）是二十世纪最重要的科学家之一，他的思维方式和科学理论对人类的认知和发展产生了深远的影响。
本文将从几个方面来探讨爱因斯坦的思考方式以及他所面对的科学问题。
一、独立思考的重要性爱因斯坦一直强调独立思考的重要性。
他相信只有通过自主思考，才能对问题有更深入的理解和洞察。
他不依赖于他人的观点，而是通过独立思考来推动对物理学问题的解决。
这种独立思考的态度，使得他能够超越当时流行的观点和思维模式，提出新的理论。
二、相对论的诞生爱因斯坦最著名的成就之一是相对论的提出。
相对论改变了人们对时间、空间、质量和能量的理解。
爱因斯坦通过思考关于光速的问题，推导出了相对论的基本理论。
他对光的传播速度和观察者的参考系进行了深入的思考，最终提出了狭义相对论和广义相对论的基本原理和公式。
这一理论颠覆了牛顿物理学的观点，对当时的科学界产生了巨大的冲击。
三、思维实验与想象力爱因斯坦善于运用思维实验和想象力来探索物理学问题。
他经常通过构建各种假设和场景，来验证自己的理论和推断。
例如，他通过思考一个自由下落的电梯中的物体，提出了等效原理的概念；通过想象在光速下旅行的体验，推导出了狭义相对论中的时间膨胀和长度收缩等现象。
这种思维实验和想象力的运用，使得他能够深入思考问题的本质，从而推动了科学的发展。
四、对未解之谜的思考爱因斯坦对于科学界的未解之谜保持着持续的思考。
例如，他一生致力于寻求统一场论，试图将引力场与电磁场相统一。
虽然他未能最终实现这个目标，但他的思考和努力对后来的科学家产生了重要的启示和影响。
此外，他还对量子力学的基本原理提出了质疑，并提出了著名的“上帝不掷骰子”（God does not play dice）的观点。
结语爱因斯坦的思考方式和科学理论成果，展示了一个杰出科学家的智慧和创造力。
他通过独立思考、思维实验和对科学问题的深入思考，为人类对物理学和宇宙的认知做出了重要贡献。
物理学家爱因斯坦介绍
引言阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）被誉为20世纪最伟大的物理学家之一，他的研究成果深刻地改变了我们对宇宙的理解。
他是相对论的创始人，也是著名的质能方程E=mc²的提出者。
本文将介绍爱因斯坦的生平、科研成就以及他对物理学和哲学的深远影响。
生平早年生活：爱因斯坦于1879年3月14日出生在德国乌尔姆市。
他的父母是犹太裔，但并不特别信奉宗教。
爱因斯坦童年时表现出对数学和物理的特殊兴趣，但他在学校中并不出类拔萃，甚至在语文方面有所欠缺。
尽管如此，他的数学和物理才华逐渐显现。
瑞士求学：爱因斯坦于1896年进入苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）学习。
在那里，他攻读了数学和物理学，并于1900年毕业。
随后，他试图获得一份教职，但多次申请均未成功。
这段时间里，他在瑞士专利局工作，这为他的后来的科研工作提供了稳定的经济支持。
相对论的诞生：爱因斯坦于1905年发表了一篇关于光电效应的论文，这篇论文奠定了光量子理论的基础，并为他赢得了诺贝尔物理学奖。
然而，他的最著名的成就之一是在1905年提出了狭义相对论（Special Theory of Relativity）。
这个理论彻底颠覆了牛顿力学的观念，引入了相对性原理，其中最著名的是质能方程E=mc²，它表明质量和能量之间存在着等效关系。
瑞士生活：爱因斯坦在瑞士度过了相当长的一段时间，在这里他继续从事科研工作，并与妻子梅勒·玛丽（Mileva Maric）育有两个儿子。
然而，他的婚姻并不幸福，最终与妻子分居并离婚。
他后来与表亲埃莉诺·罗斯（Elsa Löwenthal）结婚。
晚年与逝世：爱因斯坦于1914年返回德国，并在柏林大学担任教授职务。
在那里，他继续研究并发表了许多重要的物理学论文。
然而，20世纪30年代的政治局势使他感到不安，因为他是犹太裔科学家。
1933年，他选择移居美国，并在普林斯顿高级研究所工作。
知识讲解 相对论简介
相对论简介【学习目标】1．理解经典的相对性原理．2．理解光的传播与经典的速度合成法则之间的矛盾．3．理解狭义相对论的两个基本假设．4．理解同时的相对性．5．知道时间间隔的相对性和长度的相对性．6．知道时间和空间不是脱离物质而单独存在的7．知道相对论的速度叠加公式．8．知道相对论质量．9．知道爱因斯坦质能方程．10．知道广义相对性原理和等效原理．11．知道光线在引力场中的弯曲及其验证．【要点梳理】【高清课堂：相对论简介】要点一、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．【高清课堂：相对论简介】要点二、时间和空间的相对性1．“同时”是相对的A B 、两个事件是否同时发生，与参考系的选择有关．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0l ．与杆相对运动的人认为杆长为l ．则 201v l l c ⎛⎫=- ⎪⎝⎭． 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 ∆． 21t v c ∆=⎛⎫- ⎪⎝⎭．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．【高清课堂：相对论简介】要点三、狭义相对论的其他结论1．相对论速度变换公式相对论认为，如果一列沿平直轨道高速运行的火车对地面的速度为v ，车上的人以速度u ＇沿着火车前进的方向相对火车运动，那么这个人相对地面的速度2''1u v u u v c+=+． 理解这个公式时请注意：（1）如果车上的人的运动方向与火车的运动方向相反，则u ＇取负值．（2）如果v c ，'u c ，这时2'u v c 可忽略不计，这时相对论的速度合成公式可近似变为u u v =+＇（3）如果u ＇与v 的方向相垂直或成其他角度时，情况比较复杂，上式不适用．2．相对论质量相对论中质量和速度的关系为m =．理解这个公式时请注意：（1）式中0m 是物体静止时的质量（也称为静质量），m 是物体以速度v 运动时的质量．这个关系式称为相对论质速关系，它表明物体的质量会随速度的增大而增大．（2）v c 时，近似地0m m =．（3）微观粒子的运动速度很高，它的质量明显地大于光子质量．例如回旋加速器中被加速的粒子质量会变大，导致做圆周运动的周期变大后，它的运动与加在D 形盒上的交变电压不再同步，回旋加速器的加速能量因此受到了限制．3．质能方程爱因斯坦质能关系式：2E mc =．理解这个公式请注意：（1）质能方程表达了物体的质量和它所具有的能量的关系：一定的质量总是和一定的能量相对应．（2）静止物体的能量为200E m c =，这种能量叫做物体的静质能．每个有静质量的物体都具有静质能．（3）对于一个以速率v 运动的物体，其动能222001)k E m c mc m c =-=-．（4）物体的总能量E 为动能与静质能之和，即20k E E E mc =+=（m 为动质量）．（5）由质能关系式可知2E mc ∆=∆．（6）能量与动量的关系式E ∆= 【高清课堂：相对论简介】要点四、广义相对论、宇宙学简介1．狭义相对论无法解决的问题（1）万有引力理论无法纳入狭义相对论的框架．（2）惯性参考系在狭义相对论中具有特殊的地位．2．广义相对论的基本原理（1）广义相对性原理：爱因斯坦把狭义相对性原理从匀速和静止参考系推广到做加速运动的参考系，认为所有的参考系都是平权的，不论它们是惯性系还是非惯性系，对于描述物理现象来说都是平等的．（2）等效原理：在物理学上，一个均匀的引力场等效于一个做匀加速运动的参考系．3．广义相对论的几个结论（1）光线在引力场中偏转：根据广义相对论，物质的引力会使光线弯曲，引力场越强，弯曲越厉害．通常物体的引力场都太弱，但太阳引力场却能引起光线比较明显的弯曲．（2）引力红移：按照广义相对论，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，因此光振动会变慢，相应的光的波长变长、频率变小，光谱线会发生向红光一端移动的现象．光谱线的这种移动是在引力作用下发生的，所以叫“引力红移”．（3）水星近日点的进动：天文观测显示，行星的轨道并不是严格闭合的，它们的近日点（或远日点）有进动（行星绕太阳一周后，椭圆轨道的长轴也随之有一点转动，叫做“进动”），这个效应以离太阳最近的水星最为显著．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．（4）时间间隔与引力场有关，引力场的存在使得空间不同位置时间进程出现差别．（5）杆的长度与引力场有关．空间不是均匀的，引力越大的地方，长度越小．4．大爆炸宇宙学宇宙起源于一个奇点，在该奇点，温度为无穷大，密度为无穷大，空间急剧膨胀，即发生宇宙大爆炸．之后，宇宙不断膨胀，温度不断降低，大约经历200亿年形成我们今天的宇宙．宇宙还处于膨胀阶段，未来将会怎样演化，目前还不能完全确定．要点五、本章知识结构要点六、专题总结1．时空的相对性（1）“同时”的相对性：在经典的物理学上，如果两个事件在一个参考系中认为是同时的，在另一个参考系中一定也是同时的；而根据爱因斯坦的两个假设，同时是相对的．（2）“长度”的相对性：①如果与杆相对静止的人认为杆长是0l ，与杆相对运动的人认为杆长是l，则两者之间的关系为：l l = ②一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度小．（3）“时间间隔”的相对性：运动的人认为两个事件时间间隔为τ∆，地面观察者测得的时间间隔为t ∆，则两者之间关系为：t ∆=．2．质速关系与质能关系（1）质速关系物体以速度v 运动时的质量m 与静止时的质量0m 之间的关系：m =（2）质能关系①相对于一个惯性参考系以速度v 运动的物体其具有的相对论能量2E mc ===．其中200E m c =为物体相对于参考系静止时的能量．②物体的能量变化E ∆与质量变化m ∆的对应关系：2E mc ∆∆=．【典型例题】类型一、相对论的诞生例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 ．【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 +，第三种情况应是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 ．【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．类型二、时间和空间的相对性例3（2014 长沙模拟)(1)某火箭在地面上的长度为L 0，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________。
第一节相对论的诞生
课堂小结
一、相对性原理 相对性原理 力学规律在任何惯性系中都是相同的 在任何惯性系 力学规律在任何惯性系中都是相同的 二、相对性原理与电磁规律发生矛盾 相对性原理与电磁规律发生矛盾 三、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 一切物理规律都是相同的 惯性参考系， 在不同的惯性参考系，一切物理规律都是相同的 2、光速不变原理 真空中的光速在不同的惯性参考系中是相同的 在不同的惯性参考系中是相同 真空中的光速在不同的惯性参考系中是相同的， 光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。 光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。
第一节相对论的诞生
安陆市第一高级中学
19世纪末物理学取得了巨大的成就： 19世纪末物理学取得了巨大的成就： 世纪末物理学取得了巨大的成就
牛顿力学 热力学 统计物理学 电磁场理论
形成了完整的科学体系，并被赞誉为： 形成了完整的科学体系，并被赞誉为： “一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽庙堂” 一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽庙堂”
例1
甲、乙两同学在平直的马路上骑车匀速向东 行驶，甲同学的速度为v =10m/s， 行驶，甲同学的速度为v1=10m/s，乙同学 的速度为v =15m/s， 的速度为v2=15m/s，乙同学相对于甲同学 的速度大小是多少？ 的速度大小是多少？ 15m/s-10m/s＝ V ＝ v2 - v1＝15m/s-10m/s＝5m/s
二、相对性原理与电磁规律
v
光速＝ 光速＝ c
光速＝ 光速＝ c − v
但是实验现象表明， 但是实验现象表明，不论光源和观察者做怎 样的相对运动，光速都是恒定的． 样的相对运动，光速都是恒定的．
二、相对性原理与电磁ห้องสมุดไป่ตู้律
传递相对论
传递相对论1. 引言：相对论的背景和历史相对论是现代物理学中的一大基石，它不仅是理论物理学的重要分支之一，也是实验物理学中重要的工具。
相对论在物理学和天文学中的应用非常广泛，对于我们理解宇宙的本质和运作方式至关重要。
本文将讨论相对论的基本概念、重要实验和应用。
相对论诞生于19世纪末20世纪初，是在爱因斯坦和洛伦兹等科学家的探索和努力下得以发展的。
在这个时期，物理学家们对于狭义相对论的概念和理论的发展做出了很多关键性的实验和发现，从而逐渐确认并广泛应用相对论。
2. 狭义相对论的基本概念相对论有两个主要分支，分别是狭义相对论和广义相对论。
本节将讨论狭义相对论的基本概念。
狭义相对论是描述物体在匀速直线运动中观测者和被观测体所发生的现象。
其最重要的两个概念是光速不变和相对性原理。
光速不变是指光在不同的参考系下的速度常数不变。
即无论观测光的人处于任何参考系下，光的速度都不会改变。
相对性原理是指物理规律的表达式对于不同的惯性参考系具有相同的形式，而在速度相对较慢和重力场弱的情况下，牛顿力学成为狭义相对论的近似，只有在相对速度趋近于光速和重力场强时，才需要使用广义相对论。
3. 狭义相对论的实验验证狭义相对论的观点与传统牛顿力学的观点极为不同，为了证实狭义相对论，科学家们进行了许多实验。
本节将对几个重要实验进行介绍。
3.1 米氏实验光是狭义相对论中重要且不可忽视的一部分。
在米氏实验中，光会被分成两个不同方向传输的光束。
实验表明，光的速度在物体相对于地球以不同的速度运动下不变。
这张让人惊呼的实验图样清晰地表明光速不受物体相对速度的影响。
3.2 同步钟实验在同步钟实验中，相对运动的需要在两个位置上放置两只钟。
实验表明，如果两只钟相对运动，那么它们的时间差会随着相对速度的增加而增加。
这个实验阐明了狭义相对论中的相对性原理。
4. 广义相对论的基本概念和实验验证广义相对论是20世纪初爱因斯坦提出的新理论，它是描述质量和引力场的物理学。
爱因斯坦相对论及其影响
爱因斯坦相对论及其影响相对论是现代物理学的重要理论之一，由物理学家阿尔伯特·爱因斯坦于20世纪初创立。
爱因斯坦的相对论对现代科学、哲学和技术产生了深远的影响，不仅在物理学领域有重大的突破，而且对整个人类社会的思维方式和世界观产生了巨大的冲击。
爱因斯坦相对论的核心思想是：物理定律在不同的参考系中应该具有相同的形式。
它包括两个基本理论：狭义相对论和广义相对论。
首先，狭义相对论提出了相对论速度的概念，即光速是宇宙中唯一的绝对速度上限。
与牛顿经典物理学的观点不同，狭义相对论认为物体的质量是相对的，且随速度变化而变化。
这个理论还破坏了绝对时间和空间的观念，提出了时间的相对性和长度的收缩。
爱因斯坦的质能等效公式E=mc²也是相对论理论的重要表述之一。
狭义相对论的出现使得经典物理学观点发生了彻底的改变，它克服了牛顿力学的局限性，并为后来的物理学发展提供了新的契机。
在科学研究中，狭义相对论为解释光的特性、原子核的研究以及高速粒子物理学等提供了基础。
在技术应用上，狭义相对论的时间修正被广泛应用于卫星导航系统和粒子加速器等领域。
其次，广义相对论是相对论的更广义形式。
它提出了引力是时空弯曲的结果，物体的运动是在弯曲的时空中沿最短路径进行的。
爱因斯坦通过引力定律的重新解释，提出了著名的爱因斯坦场方程，揭示了时空的结构与物质分布的关系。
广义相对论的重大突破在于解决了牛顿引力理论的问题，如水星近日点的预测，以及通过爱因斯坦黑洞理论对于星系中心的状态进行了解释。
这个理论还提供了宇宙学理论的基础，深化了我们对宇宙起源和演化的理解。
爱因斯坦相对论的影响不仅体现在物理学领域，它对整个人类社会的思维方式和世界观都产生了巨大的影响。
首先，爱因斯坦相对论挑战了经典物理学和牛顿力学的认知框架，改变了人们对时间和空间的认识。
相对论理论揭示了物质和能量、时间和空间之间的不确定性和相互关系，打破了主观绝对性，提出了相对性的观点。
相对论发展史
9月
（11月发表）
爱因斯坦生平（Ⅱ）
1909-1914 进入大学工作（苏黎士，布 拉格等地）
1914-1933 柏林大学教授，德国物理研 究所所长、院士
1915
提出广义相对论（36岁）
1933-1955 美国普林斯顿大学高级研究
所研究员
1955年4月18日 逝世
二.狭义相对论
光波是“以太”的弹性振动。 以太相对于地球运动吗？ 光行差现象（1728，1810）：以太相
洛伦兹变换：相对于绝对空间的变换
z ' z ·正确表述“相对性原理”
中，小学时代 德国慕尼黑 提出地方时间
广义相对论的三个实验验证
以太相对于地球运动吗？
t (t vx / c ) / 1 v / c ' （1887 佛格特，1898 拉摩）
1914-1933 柏林大学教授，德国物理研
2
22
爱因斯坦的新理论
暗能量 动力学暗能量 广义相对论在宇观尺度失效
0.5% 4% 0.3% 29%
65%
黑洞
r
r 2GM (视界） c 2 r=0奇点
洞外 洞内
t 时间 空间
r 空间 时间
信息疑难
霍金
(S.W.Hawking)
索恩
(Kip.Throne)
普瑞斯基
(John Preskill )
2004年7月21日,霍金 “我输了”
相对论发展史
一. 两朵乌云
1900，开尔文勋爵： 物理学的大厦已经建成，未
来的物理学家只需要做些修修补补 的工作就行了。但是，明朗的天空 还有两朵乌云：一朵与黑体辐射有 关，另一朵与迈克尔逊实验有关。
第一朵乌云：黑体辐射
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第十五章相对论简介
学习目标：
1、理解经典的相对性原理。
2、理解狭义相对论的两个基本假说。
3、理解同时性的相对性。
4、知道时间间隔的相对性和长度的相对性。
5、知道爱因斯坦质能方程。
6、知道广义相对论原理和等效原理。
7、知道光线在引力场中的弯曲及其验证。
新课教学：
活动一、阅读课本96—98页，了解下列基本知识点
1、经典的相对性原理
（1）惯性系：
（2）伽利略相对性原理：
2、相对性原理与电磁规律
3、狭义相对论的两个假设
（1）爱因斯坦相对性原理：
（2）光速不变原理：
即时训练：根据你的理解，你认为下列哪些观点是正确的是（）
Ａ、在经典力学中，物体的质量是不随物体运动状态而改变的
Ｂ、以牛顿运动定律为基础的经典力学理论具有局限性，它只适用于低速运动，不适用于高速运动；
只适用于宏观世界，不适用于微观世界
Ｃ、相对论与量子力学的出现否定了经典力学理论
Ｄ、伽理略的“自然数学化”的方法和牛顿的“归纳演绎法”是经典力学方法的典型
活动二：阅读课本98—103页，知道时间和空间的相对性
1、“同时”的相对性
2、长度的相对性
3、时间间隔的相对性
即时训练：用相对论的观点判断下列说法是否正确（）
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回变快，但是飞船中的宇航员却看到
时钟可能是正确的
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
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，“时间膨胀”和“长度收缩”效果可忽略不计
活动三：阅读课本105—106页，了解狭义相对论的其他结论1、相对论质量
2、质能方程
活动四：阅读课本107—109页，了解广义相对论简介
1、超越狭义相对论的思考
狭义相对论是之间的理论。
2、广义相对论原理和等效原理
（1）广义相对论原理
（2）等效原理
3、广义相对论的几个结论
（1）物质的引力使光线弯曲
（2）引力红移
即时训练：下列说法正确的是（）
A、万有引力可以用狭义相对论作出正确的解释
B、电磁力可以用狭义相对论作出正确的解释
C、狭义相对论是惯性参考系之间的理论
D、万有引力理论无法纳入狭义相对论的框架。