第5章 科学进步无止境 第1节 初识相对论 第2节 相对论中的神奇时空 第3节 探索宇宙的奥秘课件PPT
展开高中同步学案优化设计GAO ZHONG TONG BU XUE AN YOU HUA SHE JI第5章2023内容索引课前篇 自主预习课堂篇 探究学习学习目标1.了解相对性原理和光速不变原理。2.初步了解相对论时空观的内涵。3.能运用与相对论相关的初步知识解释高速世界的一些特点。4.了解宇宙的起源与演化。思维导图课前篇 自主预习【必备知识】一、初识相对论1.牛顿力学的局限性1887年的迈克耳孙—莫雷实验等表明:在不同的参考系中,光的传播速度都一样。这与牛顿力学的结论是矛盾的。2.相对论的两个基本假设爱因斯坦彻底放弃绝对时间的概念,提出两个基本假设:(1)相对性原理:所有物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式。(2)光速不变原理:在一切惯性参考系中,测量到的真空中的光速c都一样(c=3×108 m/s)。二、相对论中的神奇时空1.时间延缓效应如果相对于地面以v运动的惯性参考系上的人观察到与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为τ0,地面上的人观察到该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为τ,则 ,所以总有τ>τ0,此种情况称为时间延缓效应。2.长度收缩效应如果与杆相对静止的人测得杆长是l0,沿着杆的方向,以v相对杆运动的人测得杆长是l,则 ,所以总有l < l0,此种情况称为长度收缩效应。3.质能关系(1)按照相对论及基本力学定律可推出质量和能量有如下关系:E=mc2。这就是著名的质能关系式。(2)质量和能量是物质不可分离的属性,当物质的质量减少或增加时,必然伴随着能量的减少或增加,其关系为ΔE=Δmc2。4.奇妙的时空弯曲爱因斯坦的广义相对论认为,由于物质的存在,空间和时间会发生弯曲。天体之间的引力作用是时空弯曲的结果。三、探索宇宙的奥秘1.宇宙的起源大爆炸宇宙模型认为:宇宙从一个温度无限高,物质密度无限大的“奇点”爆炸而成。大爆炸宇宙模型不仅能解释宇宙光谱的红移现象,而且预言在大爆炸的背景下产生的微波辐射至今存在于宇宙空间中。2.宇宙的演化通过观测和理论分析,科学家推测宇宙的大部分都是由暗物质和暗能量组成的。3.永不停息的探索宇宙茫茫无际,人类的探索也不会停止,为了摆脱大气层的影响,人们先后发射了许多人造卫星及宇宙飞行器,用于天文观测。2016年,我国落成启用的世界上最大单口径、最灵敏、具有我国自主知识产权的射电望远镜,是人类探索宇宙深处奥秘的神奇“眼睛”——“中国天眼”。【自我检测】1.正误辨析(1)在不同的惯性系中,在不同的方向上,光在真空中的传播速度大小是不同的。( )解析 根据光速不变原理,在不同的惯性系中,在不同的方向上,光在真空中的传播速度大小是相同的。答案 ×(2)在高速世界中,运动的时钟会变慢,而在低速世界中这种效应可以忽略。( )解析 根据时间延缓效应,运动的时钟会变慢,低速世界延缓很小,这种效应可以忽略。答案 √(3)大爆炸宇宙模型认为宇宙起源于一个“奇点”。( )解析 美国科学家伽莫夫认为宇宙从一个温度无限高、物质密度无限大的“奇点”爆炸而成。答案 √(4)科学家还没有证据证明黑洞的存在。( )解析 2015年,人类首次直接探测到引力波的存在。这是由两个黑洞合并为一个更大的黑洞产生的。答案 ×2.(多选)关于狭义相对论的两个基本假设,下列说法正确的是( )A.在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的B.在不同的惯性参考系中,力学规律都一样,电磁规律不一样C.真空中的光速大小在不同的惯性参考系中都是相同的D.真空中的光速在不同的惯性参考系中是有差别的解析 狭义相对论的基本假设有两个,分别是爱因斯坦相对性原理和光速不变原理,选项A、C正确。答案 AC3.(多选)关于大爆炸宇宙模型的下列说法正确的是( )A.宇宙起源于一个特殊的点,这个点大爆炸,是空间的开始B.宇宙大爆炸后空间膨胀一定会一直持续下去,永不停止C.宇宙起源的“奇点”温度无限高,密度无限大D.宇宙膨胀到某个极大值后可能会收缩解析 根据大爆炸宇宙模型,宇宙起源于“奇点”,该“奇点”温度无限高,密度无限大,认为该点拥有无穷的能量,但体积无限小,选项C正确;宇宙爆炸后,急剧膨胀,宇宙未来的演化有两种可能,一是持续膨胀,另一种是膨胀到极限后又收缩成一个新的“奇点”,选项B错误,D正确;“奇点”爆炸是宇宙的始点,既是时间的起点又是空间的始点,选项A正确。答案 ACD课堂篇 探究学习【情境导引】日常生活中我们并没有发现物体的长度随着运动速度发生变化,假设物体以接近光速的速度运动,你认为它的长度变化吗?要点提示 根据相对论时空观,物体沿着运动方向上的长度会变短。【知识点拨】1.相对论的两个假设(1)在不同的惯性参考系中,物理规律的形式都是相同的。也就是说,物理学的定律与惯性系的选择无关。(2)真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。也就是说,不管光源与观察者的相对运动如何,在任一惯性系中的观察者所观测到的真空中的光速都是相等的。2.相对论的两个效应(1)时间延缓效应:如果相对于地面以v运动的惯性参考系上的人,观察与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为τ0,那么地面上的人观察到该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为τ,有 ,c为真空中的光速,总有τ>τ0。理解:(1)对同一物理过程经历的时间,在不同的惯性系中观测,测得的结果不同,时间延缓效应是一种观测效应,不是被测过程的节奏变化了。(2)惯性系速度越大,地面上的人观测到的时间越长。(3)由于运动是相对的,故在某一参考系中观测另一参考系中发生的物理事件,总会感到时间延缓效应。即惯性系中的人观测地面上发生的事件的时间也延缓。(2)长度收缩效应:如果与杆相对静止的人测得杆长是l0,沿着杆的方向,以v相对杆运动的人测得杆长是l,有 ,总有l