高中物理粵教版 (2019)必修 第二冊(cè)第二節(jié) 相對(duì)論時(shí)空觀精品備課課件ppt

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一、狹義相對(duì)論的基本假設(shè)
19世紀(jì)后半葉，當(dāng)人們運(yùn)用牛頓力學(xué)解釋光的傳播等問(wèn)題時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一系列尖銳的矛盾。當(dāng)時(shí)，光速的精確測(cè)定為光速的不變性提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。與此同時(shí)，電磁理論也為光速的不變性提供了理論依據(jù)、然而，上述光速不變的結(jié)論卻與牛頓力學(xué)的解釋相抵觸。
如圖所示，假設(shè)一節(jié)車廂以速度v勻速前進(jìn)，車廂后部有一個(gè)光源。根據(jù)牛頓力學(xué)中速度的合成的觀點(diǎn)，對(duì)于站臺(tái)上靜止的觀測(cè)者來(lái)說(shuō)，她觀測(cè)到的光的傳播速度應(yīng)為c+v。但是觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)事實(shí)表明：無(wú)論光源和觀測(cè)者如何運(yùn)動(dòng)，光速只能為c。
為了解決上述矛盾，愛(ài)因斯坦在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，以其獨(dú)特的思考方式，于1905年提出了狹義相對(duì)論。狹義相對(duì)論以兩個(gè)基本假設(shè)為前提：
相對(duì)性原理：在所有的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的。
光速不變?cè)恚涸谒械膽T性參考系中，測(cè)得的真空中的光速都相同。
在一個(gè)慣性參考系中同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，在另一個(gè)慣性參考系看來(lái)是不同時(shí)的，這被稱為同時(shí)性的相對(duì)性。
下面通過(guò)一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)來(lái)討論同時(shí)性的相對(duì)性、如圖所示，一節(jié)做勻速直線運(yùn)動(dòng)的火乙同學(xué)車車廂中間頂部O處掛著一盞燈，前后門都有自動(dòng)裝置、使車門一接收到光信號(hào)便自動(dòng)打開(kāi)。車廂中部站著甲同學(xué)，站臺(tái)上站著乙同學(xué)。
根據(jù)狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)，當(dāng)火車勻速前進(jìn)時(shí)，電燈一亮，由車廂里的甲同學(xué)所在的慣性參考系觀測(cè)，前后門是否同時(shí)打開(kāi)？由站臺(tái)上的乙同學(xué)所在的慣性參考系觀測(cè)，前后門是否同時(shí)打開(kāi)？
在車廂里的甲同學(xué)觀測(cè)到前后兩門同時(shí)打開(kāi)，因?yàn)樵谲噹@個(gè)慣性參考系中，光向前、向后傳播的速度都是c，光源又在車廂的中央，所以光信號(hào)同時(shí)到達(dá)前后兩個(gè)門。
站臺(tái)上的乙同學(xué)則觀測(cè)到后門先打開(kāi)。因?yàn)樗诘恼九_(tái)也是一個(gè)慣性參考系，光信號(hào)相對(duì)地面向前、向后傳播的速度都是c。但發(fā)出的光信號(hào)在傳遞到前后門的過(guò)程中，前門和后門都前行了一段距離，導(dǎo)致光信號(hào)傳遞到前門的距離大于傳遞到后門的距離（如圖所示)。而光速不變，因此乙同學(xué)觀測(cè)到光信號(hào)先抵達(dá)后門，再抵達(dá)前門。
可見(jiàn)，對(duì)車廂慣性參考系來(lái)說(shuō)同時(shí)發(fā)生的事件，對(duì)站臺(tái)慣性參考系來(lái)說(shuō)卻是不同時(shí)的。兩個(gè)事件是否同時(shí)發(fā)生，與參考系的選擇有關(guān)。這就是同時(shí)性的相對(duì)性。
牛頓力學(xué)認(rèn)為，兩個(gè)事件在不同的慣性參考系中觀測(cè)，它們之間的時(shí)間間隔總是相同的。但是，從狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)出發(fā)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)事件之間的時(shí)間間隔在不同的慣性參考系內(nèi)觀測(cè)有可能是不同的。
例如，一節(jié)做勻速直線運(yùn)動(dòng)的車廂，地板上A處有一盞燈，在燈的正上方車廂頂B處有一面鏡子，AB間高為h.現(xiàn)在我們要完成一個(gè)光學(xué)思想實(shí)驗(yàn)；打開(kāi)燈的開(kāi)關(guān)，光信號(hào)從A處到B處，再由鏡面反射回到A處。車廂里站著甲同學(xué)，站臺(tái)上站著乙同學(xué)。
在車廂里的甲同學(xué)觀測(cè)到，光信號(hào)走過(guò)的距離是2h[如圖所示]，因此光信號(hào)往返時(shí)間:
這里用到了狹義相對(duì)論的第二個(gè)基本假設(shè)，即對(duì)站臺(tái)慣性參考系來(lái)說(shuō)光速大小都是c。以上兩式消去h，可得：
這是一個(gè)令人吃驚的結(jié)論：站臺(tái)上的乙同學(xué)和車廂里的甲同學(xué)對(duì)光信號(hào)往返時(shí)間的測(cè)量結(jié)果并不一樣，地面上的人測(cè)得的時(shí)間△t要比車廂里的人測(cè)得的時(shí)間△t'長(zhǎng)些。
嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)表明，上式具有普遍意義。它表明，在站臺(tái)上將觀測(cè)到火車上的時(shí)間進(jìn)程變慢了，車上的一切物理過(guò)程、化學(xué)過(guò)程和生命過(guò)程都變慢了。而在運(yùn)動(dòng)參考系里的人認(rèn)為一切正常，并不感到自己周圍的事件變得呆滯。這就是時(shí)間間隔的相對(duì)性，也稱為“時(shí)間延緩”、“時(shí)間膨脹”或“鐘慢效應(yīng)”。
我們繼續(xù)設(shè)計(jì)一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)量一個(gè)火車站站臺(tái)的長(zhǎng)度。我們沒(méi)有尺，但有一個(gè)鐘。
如圖所示，假想有一個(gè)火車頭即將勻速通過(guò)站臺(tái)，已知它的速度為v。
假定有兩名觀測(cè)者：甲同學(xué)坐在火車頭中，乙同學(xué)站在站臺(tái)上，他們各有一個(gè)鐘，分別用來(lái)測(cè)量站臺(tái)AB的長(zhǎng)度。
由于時(shí)間延緩效應(yīng)，甲同學(xué)測(cè)得的時(shí)間△t'，比乙同學(xué)測(cè)得的時(shí)間△t要短，所以甲同學(xué)測(cè)出相對(duì)火車頭運(yùn)動(dòng)的站臺(tái)長(zhǎng)度l'=v△t'，比乙同學(xué)測(cè)出相對(duì)地面靜止的站臺(tái)長(zhǎng)度l=v△t要短。
通過(guò)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以得到，l'和l有如下關(guān)系:
嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)表明，上式具有普遍意義。它表明，當(dāng)物體相對(duì)于觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)時(shí)，在運(yùn)動(dòng)的方向上，觀測(cè)者測(cè)量到該物體的長(zhǎng)度要縮短，而垂直于運(yùn)動(dòng)方向的長(zhǎng)度不會(huì)發(fā)生變化。這就是空間距離的相對(duì)性，也稱為“長(zhǎng)度收縮”或“尺縮效應(yīng)”。
愛(ài)因斯坦的相對(duì)論時(shí)空觀是時(shí)空觀發(fā)展史上的一次大變革。牛頓力學(xué)認(rèn)為時(shí)間和空間是脫離物質(zhì)而存在的，時(shí)間和空間之間也是沒(méi)有聯(lián)系的。相對(duì)論則認(rèn)為有物質(zhì)才有時(shí)間和空間，時(shí)間和空間與物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，因而時(shí)間與空間并不是相互獨(dú)立的，這在時(shí)間延緩效應(yīng)和長(zhǎng)度收縮效應(yīng)中已體現(xiàn)出來(lái)。
我們生活在低速運(yùn)動(dòng)（相對(duì)于光速而言）的世界里，自然而然地接受了牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀，過(guò)去誰(shuí)都未曾考慮過(guò)時(shí)間和空間的性質(zhì)，只有當(dāng)新的實(shí)驗(yàn)結(jié)論與傳統(tǒng)觀念不一致時(shí)，人們才回過(guò)頭來(lái)認(rèn)真思考過(guò)去對(duì)時(shí)間和空間的認(rèn)識(shí)并進(jìn)行修正。人類對(duì)于自然界的認(rèn)識(shí)就是這樣一步一步地不斷前進(jìn)的。
根據(jù)廣義相對(duì)論，物體的引力場(chǎng)會(huì)使光線彎曲，引力場(chǎng)越強(qiáng)，光線彎曲越厲害。下面以太陽(yáng)的引力場(chǎng)為例。如圖所示，由于太陽(yáng)引力場(chǎng)的作用，遠(yuǎn)處一顆恒星發(fā)出的光經(jīng)過(guò)太陽(yáng)附近時(shí)，會(huì)由于太陽(yáng)的引力而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這樣，在地球上看這顆恒星時(shí)，看到的位置與實(shí)際位置不符，它似乎來(lái)自另外一個(gè)方向。
由于物體的引力場(chǎng)通常比較弱，太陽(yáng)是離我們最近而又能產(chǎn)生較強(qiáng)引力場(chǎng)的天體，再加上平常明亮的天空使我們無(wú)法觀星，所以觀測(cè)星光偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象的最好時(shí)機(jī)是發(fā)生日全食的時(shí)候。 1919年5月29日發(fā)生日全食的當(dāng)天，英國(guó)兩支考察隊(duì)分別在幾內(nèi)亞灣和巴西進(jìn)行觀測(cè)。在日食過(guò)程中，考察隊(duì)用天體照像儀拍下太陽(yáng)附近的星光照片，用加權(quán)平均的方法計(jì)算星光的偏轉(zhuǎn)角，證實(shí)了愛(ài)因斯坦的預(yù)言是正確的。
現(xiàn)在，通過(guò)射電望遠(yuǎn)鏡可以直接觀測(cè)宇宙中的射電信號(hào)在太陽(yáng)引力場(chǎng)中的偏折，而不必等待日全食這種稀有的機(jī)會(huì)，高精度的測(cè)量結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了廣義相對(duì)論的結(jié)論。
根據(jù)廣義相對(duì)論，當(dāng)恒星發(fā)出的光在引力場(chǎng)（大質(zhì)量天體和黑洞）附近經(jīng)過(guò)時(shí)，光線會(huì)像通過(guò)透鏡一樣發(fā)生彎曲，如左圖所示。此類引力透鏡現(xiàn)象也普遍被天文學(xué)家觀測(cè)到。當(dāng)遠(yuǎn)處天體與觀測(cè)者的連線和天體“透鏡”與觀測(cè)者的連線之間的偏角很小時(shí)，觀測(cè)者會(huì)觀測(cè)到一個(gè)環(huán)繞天體“透鏡”的光環(huán)，稱為愛(ài)因斯坦環(huán)，如右圖所示。
在大尺度的宇觀時(shí)空中存在許多大質(zhì)量天體，如大恒星、球狀星團(tuán)、星系和星系團(tuán)等，光線經(jīng)過(guò)這些大質(zhì)量天體附近時(shí)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這說(shuō)明整個(gè)空間不再是平直的，而變成彎曲的了、此外，廣義相對(duì)論還告訴我們，引力場(chǎng)的存在使得空間不同位置的時(shí)間進(jìn)程也存在差別，也可以說(shuō)時(shí)間發(fā)生了彎曲。例如在大質(zhì)量天體的強(qiáng)引力場(chǎng)附近，時(shí)間進(jìn)程會(huì)變慢、就像思想實(shí)驗(yàn)中在高速運(yùn)動(dòng)的火車上的時(shí)間進(jìn)程變慢了一樣。
另一方面、在萬(wàn)有引力起主導(dǎo)作用的宇觀世界中，彎曲時(shí)空也反過(guò)來(lái)決定物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)、這好比在山巒起伏的丘陵中，泉水總是從山間的間隙流下，匯集成小河、大江，向低洼地區(qū)奔流，然后注入大海?？偠灾?，物質(zhì)決定時(shí)空的彎曲，時(shí)空決定物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。
狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論建立以來(lái)，經(jīng)受住了歷史和實(shí)踐的考驗(yàn)。廣義相對(duì)論所揭示的物質(zhì)與時(shí)空的關(guān)系，比起狹義相對(duì)論更為深刻。同時(shí)，廣義相對(duì)論對(duì)于研究天體和宇宙的結(jié)構(gòu)及演化也有著重要的意義，是現(xiàn)代宇宙學(xué)理論的基礎(chǔ)。
1.下列說(shuō)法中正確的是（???????）A．牛頓發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力定律，他被稱為“稱量地球質(zhì)量”第一人B．相對(duì)論時(shí)空觀認(rèn)為物體的長(zhǎng)度會(huì)因物體的速度不同而不同C．所有行星的軌道半長(zhǎng)軸的二次方跟公轉(zhuǎn)周期的三次方的比值都相同D．丹麥天文學(xué)家第谷經(jīng)過(guò)多年的天文觀測(cè)和記錄，提出了“日心說(shuō)”的觀點(diǎn)
2.以下說(shuō)法正確的是（　　）A．卡文迪許測(cè)量出萬(wàn)有引力常量，并提出萬(wàn)有引力定律B．牛頓證明了地面上蘋果受到的重力和地球?qū)υ铝恋奈κ峭环N力C．開(kāi)普勒提出日心說(shuō)，并指出行星繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)其軌道為橢圓D．洲際導(dǎo)彈的速度有時(shí)可達(dá)到6000m/s，此速度在相對(duì)論中屬于高速，導(dǎo)彈的質(zhì)量會(huì)明顯增大
3.下列說(shuō)法中正確的是（　?。〢．機(jī)械波和電磁波都能在真空中傳播B．鐵路，民航等安檢口使用紅外線對(duì)行李內(nèi)物品進(jìn)行檢測(cè)C．根據(jù)狹義相對(duì)論的原理知，在不同的慣性參考系中，物理規(guī)律都是不相同的D．變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)
4.在物理學(xué)發(fā)展的過(guò)程中，有許多科學(xué)家做出了重要的貢獻(xiàn)。下列說(shuō)法正確的是（　　）A．卡文迪許利用扭秤裝置比較精確地測(cè)出引力常量B．牛頓總結(jié)出萬(wàn)有引力定律并用實(shí)驗(yàn)測(cè)出引力常量C．愛(ài)因斯坦的相對(duì)論指出在不同的參照系中測(cè)量到的光速是不同的D．開(kāi)普勒總結(jié)了行星運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，并找出行星按照這些規(guī)律運(yùn)動(dòng)的原因
5.關(guān)于相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性，下列說(shuō)法中正確的是（　　）A．相對(duì)論和量子力學(xué)更加深入地研究運(yùn)動(dòng)規(guī)律，徹底否認(rèn)了經(jīng)典力學(xué)B．相對(duì)論認(rèn)為真空中的光速在不同的慣性參考系中是不同的C．牛頓定律不適用于研究中國(guó)空間站天和核心艙的高速發(fā)射D．經(jīng)典力學(xué)是相對(duì)論及量子力學(xué)在一定條件下的特例
6.如圖所示，一同學(xué)在教室上課，教室的長(zhǎng)度為9m，教室中間位置有一光源。有一飛行器從前向后高速通過(guò)教室外側(cè)，已知光速為c、飛行器中的飛行員認(rèn)為（　?。〢．教室中的時(shí)鐘變快B．教室的長(zhǎng)度大于9mC．從光源發(fā)出的光先到達(dá)教室后壁D．光源發(fā)出的光，向后的速度小于c
7.下列說(shuō)法正確的是（　?。〢．牛頓（N）是國(guó)際單位制的基本單位之一B．牛頓運(yùn)動(dòng)定律適用于一切參考系C．亞里士多德認(rèn)為力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因D．探究加速度與力和質(zhì)量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用了控制變量法
8.物理學(xué)的發(fā)展豐富了人類對(duì)動(dòng)物世界的認(rèn)識(shí)，推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新和革命，促進(jìn)了物質(zhì)生產(chǎn)的繁榮與人類文明的進(jìn)步，下列表述正確的是（　　）A．開(kāi)普勒發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力定律B．牛頓測(cè)出了萬(wàn)有引力常量C．相對(duì)論的創(chuàng)立表明經(jīng)典力學(xué)失去存在價(jià)值D．愛(ài)因斯坦創(chuàng)立了狹義相對(duì)論，把物理學(xué)推進(jìn)到高速發(fā)展領(lǐng)域
9.下列說(shuō)法正確的是（　?。〢．拍攝玻璃櫥窗內(nèi)的物品時(shí)，往往在鏡頭前加一個(gè)偏振片以增加透射光的強(qiáng)度B．當(dāng)波源與觀察者互相靠近時(shí)，觀察者接收到的波的頻率會(huì)變小C．X射線能夠穿透物質(zhì)，可以用來(lái)檢查人體內(nèi)部器官D．相對(duì)論理論認(rèn)為空間和時(shí)間與物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)
10.在人類歷史的長(zhǎng)河中，許多物理學(xué)家的科學(xué)研究推動(dòng)了人類文明的進(jìn)程。以下關(guān)于幾位物理學(xué)家所做科學(xué)貢獻(xiàn)的敘述中，正確的是（　?。〢．伽利略用“月一地檢驗(yàn)”證實(shí)了萬(wàn)有引力定律的正確性B．愛(ài)因斯坦建立了相對(duì)論，相對(duì)論物理學(xué)否定了牛頓力學(xué)C．牛頓利用扭秤裝置，第一次較準(zhǔn)確地測(cè)出了引力常量G的值D．開(kāi)普勒用20年的時(shí)間研究了第谷的行星觀測(cè)記錄，提出了開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)定律
一、狹義相對(duì)論的基本假設(shè)：
1．相對(duì)性原理：在所有的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的。2．光速不變?cè)恚涸谒械膽T性參考系中，測(cè)得的真空中的光速都相同。
1．根據(jù)廣義相對(duì)論，物體的引力場(chǎng)會(huì)使光線彎曲，引力場(chǎng)越強(qiáng)，光線彎曲越厲害。2．引力場(chǎng)的存在，也會(huì)使時(shí)間發(fā)生彎曲．例如，在大質(zhì)量天體的強(qiáng)引力場(chǎng)附近，時(shí)間進(jìn)程會(huì)變慢。3．彎曲的時(shí)空也會(huì)決定物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，物質(zhì)決定時(shí)空的彎曲，時(shí)空決定物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。
1.下列說(shuō)法中屬于牛頓力學(xué)時(shí)空觀的觀點(diǎn)的是（　?。〢．世界的過(guò)去、現(xiàn)在和將來(lái)都只有量的變化，而不會(huì)發(fā)生質(zhì)的變化B．時(shí)間和空間不依賴人們的意識(shí)而存在C．時(shí)間和空間是絕對(duì)的D．時(shí)間和空間是緊密聯(lián)系、不可分割的
2.在物理學(xué)發(fā)展歷史中，許多物理學(xué)家做出了卓越貢獻(xiàn)。以下關(guān)于物理學(xué)家所作科學(xué)貢獻(xiàn)的敘述中，錯(cuò)誤的是（　?。〢．愛(ài)因斯坦在其相對(duì)論中指出，時(shí)間與空間都是獨(dú)立于物體及其運(yùn)動(dòng)而存在的B．胡克等人認(rèn)為行星所受太陽(yáng)的引力大小跟行星到太陽(yáng)距離的二次方成反比。C．牛頓對(duì)引力常量G進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定，并于1687年發(fā)表在其傳世之作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中D．卡文迪許進(jìn)行了月-地檢驗(yàn)，得出天上和地表的物體間的引力作用都遵從萬(wàn)有引力定律
3.下列說(shuō)法正確的是（　?。〢．日落時(shí)分，拍攝水面下的景物，在照相機(jī)鏡頭前裝上濾光片，可以使景像更清晰，這是利用了光的偏振原理B．在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，保持入射光的頻率不變，增大雙縫間的距離，干涉條紋間距也增大C．用紫外線照射大額鈔票上用熒光物質(zhì)印刷的文字會(huì)發(fā)出可見(jiàn)光，這是利用紫外線的熒光效應(yīng)D．以接近光速在豎直方向上做高速運(yùn)動(dòng)的球體，在水平方向上長(zhǎng)度變短了
4.如圖所示，地面上A、B兩處的中點(diǎn)處有一點(diǎn)光源S，甲觀察者站在光源旁，乙觀察者乘坐速度為v（接近光速）的火箭沿AB方向飛行，兩觀察者身邊各有一個(gè)事先在地面校準(zhǔn)了的相同的時(shí)鐘，下列對(duì)相關(guān)現(xiàn)象的描述中，正確的是（　　）A．甲測(cè)得的光速為c，乙測(cè)得的光速為c-vB．甲認(rèn)為飛船中的鐘變慢了，乙認(rèn)為甲身邊的鐘變快了C．甲測(cè)得的AB間的距離大于乙測(cè)得的AB間的距離D．當(dāng)光源S發(fā)生一次閃光后，甲認(rèn)為A、B兩處同時(shí)接收到閃光，乙則認(rèn)為B先接收到閃光
5.假設(shè)一列100m長(zhǎng)的火車以接近光速的速度穿過(guò)一根100m長(zhǎng)的隧道，它們的長(zhǎng)度都是在靜止?fàn)顟B(tài)下測(cè)量的，下列關(guān)于看到的現(xiàn)象判斷正確的是(???)A．相對(duì)隧道靜止的觀察者會(huì)看到，火車變短，在某些位置上，隧道能完全遮住它B．相對(duì)隧道靜止的觀察者會(huì)看到，隧道變短，在某些位置上，火車從隧道的兩端伸出來(lái)C．相對(duì)火車靜止的觀察者會(huì)看到，火車變短，在某些位置上，隧道能完全遮住它D．相對(duì)火車靜止的觀察者會(huì)看到，隧道變短，在某些位置上，火車從隧道的兩端伸出來(lái)