【物理】初识相对论、相对论的神奇时空、探索宇宙的奥秘课件 高一下学期鲁科版（2019）必修第二册.pptx

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1、第节1、2、3初识相对论初识相对论相对论中的神奇时空相对论中的神奇时空探索宇宙的奥秘探索宇宙的奥秘高中物理 必修第二册第5章高中物理必修第二册第5章 科学进步无止境 第1、2、3节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。学习目标高中物理必修第二册第5章 科学进步无止境 第1、2、3节什么是时间？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。那么，相

2、对论的时空观是否也这样认为呢？引入高中物理必修第二册第5章 科学进步无止境 第1、2、3节19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物理学体系，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”在1900年英国皇家学会的新年庆祝会上，著名的物理学家，威廉汤姆孙，回顾了物理学在过去几百年中的发展，充满自信地宣称：科学的大厦已经基本完成，未来的物理学家只要做一些修修补补的工作就可以了。但同时他也承认“明朗的天空中还有两朵小小的、令人不安的乌云”。高中物理必修第二册第5章 科学进步无止境 第1、2、3节量子理论诞生量子理论诞生相对论诞生相对论诞生与光速问

3、题有关与光速问题有关与黑体辐射有关与黑体辐射有关正是这两朵小小的乌云，冲破了经典物理学的束缚，打消了当时绝大多数物理学家的盲目乐观情绪，为后来建立近代物理学的理论基础作出了贡献。高中物理必修第二册第5章 科学进步无止境 第1、2、3节一、经典时空观描述一个物体的运动必须选择一个参考系，然后研究这一物体相对于参考系是如何运动的。1.所有相对于惯性系做匀速直线运动的参考系都是惯性系。牛顿运动定律成立的参考系2.对于所有的惯性系，力学规律都是相同的，或者说，一切惯性系都是等效的，这一结论称为伽利略相对性原理。3.经典时空观（绝对时空观）时间和空间彼此独立、互不关联，且不受物质或运动的影响。4.经典力

4、学的几个基本结论同时的绝对性时间间隔的绝对性空间距离的绝对性高中物理必修第二册第5章 科学进步无止境 第1、2、3节绝对时空观的速度合成高中物理必修第二册第5章 科学进步无止境 第1、2、3节5.经典时空观的困惑光速恒定的特性，同运动的相对性原理之间似乎产生了矛盾？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v v光速光速高中物理必修第二册第5章 科学进步无止境 第1、2、3节高中物理必修第二册第5章 科学进步无止境 第1、2、3节为此很多物理学家设计了一系列实验，想要测出地球在“以太”中运动的速度。1887年的迈克耳孙莫雷实验是最著名的一个：它们将一束光分成互相垂直的两

5、束，一束的传播方向和地球运动方向一致，另一束和地球运动方向垂直，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（旋转干涉仪）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。他们期待发现，这两束光的传播速度会有所不同，然而不管他们如何努力，精密的实验得到的结果却是两束光的速度没有预计的差别。由于受牛顿绝对空间和绝对时间的观念长期支配的影响，物理学界中多数人认为，光波的传播介质是“以太”，这种介质密度极小、绝对静止，充满宇宙空间。“以太”真的存在么？高中物理必修第二册第5章 科学进步无止境 第1、2、3节入射光入射光入射光入射光以太风以太

6、风以太风以太风实验现象表明，不论光源和观察者做怎样的相对运动，光速都是恒定的。牛顿经典牛顿经典力学受到力学受到冲击冲击迈克尔孙-莫雷实验高中物理必修第二册第5章 科学进步无止境 第1、2、3节爱因斯坦爱因斯坦不存在特殊的惯性参考系。无论是力学规律还是电磁规律，它们对任何惯性参考系都是一样的。相对性原理对一切自然规律相对性原理对一切自然规律 都适用。都适用。爱因斯坦爱因斯坦“否认以太的存在否认以太的存在”高中物理必修第二册第5章 科学进步无止境 第1、2、3节在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的(与光源观察者相对运动没关系)。二、狭义相对论的两

7、个基本假设1、相对性原理2、光速不变原理高中物理必修第二册第5章 科学进步无止境 第1、2、3节对两个基本原理的正确理解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；强调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。高中物理必修第二册第5章 科学进步无止境 第1、2、3节在日常生活和生产中，为了研究物体的运动，必须选定适当的参考系，对于不同的参考系，长度和时间的测量结果是否是一样的？对上述问题的讨论，物理学家进行了长期的探索。于是，物理学经历了一场关于时空观的根本性变革，从牛

8、顿时代的经典力学跨越到爱因斯坦的相对论。爱因斯坦的狭义相对论告诉我们：运动的时钟变慢、运动的尺子在运动的方向上缩短。这到底是为什么？这些结论是如何从狭义相对论的两个基本假设得出的呢？高中物理必修第二册第5章 科学进步无止境 第1、2、3节三、“同时”的相对性车厢上的人和地面上的人看到车厢中间灯光到达前后车厢的先后是不一样的。车上的观察者认为光同时到达车厢的前后两壁站台上的观察者认为光先到车厢后壁后到前壁高中物理必修第二册第5章 科学进步无止境 第1、2、3节结论：1、对于运动的火车上同时发生的两个事件，对于地面就不是同时的关键：在各个参考系中光速都为c 2、地面上同时发生的两个事件，对于运动的

9、火车也不是同时的关键：相对运动高中物理必修第二册第5章 科学进步无止境 第1、2、3节在运动的火车上的钟表显示，做一个物理实验需要15分钟记为；地面上观察者手里所拿的钟表显示时间要大于15分钟，记为。四、时间延缓效应高中物理必修第二册第5章 科学进步无止境 第1、2、3节思考：（1）为什么会“运动的时钟”变慢了？一个物理过程经历的时间，在不同的参考系中，测量不一定相同。与之相静止的参考系测得的时间最短，称为固有时；与之有相对运动的参考系测得的时间变长，相对速度越大，时间延缓效应越明显。（2）这种现象说明了什么？不能脱离物体的运动来理解时间。（3）这两个时间有什么关系？（4）经典物理学的结论还准

10、确么？在宏观低速问题中，这种时间延缓效应完全可以忽略，对经典物理学的研究不造成影响。高中物理必修第二册第5章 科学进步无止境 第1、2、3节五、长度收缩效应 0高中物理必修第二册第5章 科学进步无止境 第1、2、3节21思考：为什么我们平时观察不到这种长度收缩效应？因为我们生活在比光速低很多的低速世界里，长度收缩效应可忽略不计。高中物理必修第二册第5章 科学进步无止境 第1、2、3节物体的能量和质量之间存在密切的联系，他们的关系是：六、质能方程能量能量质量质量光速光速随着物体质量的减少，它会释放出一定的能量。高中物理必修第二册第5章 科学进步无止境 第1、2、3节在非惯性参考系中看到的光线是弯

11、曲的！匀加速参考系等效于均匀引力场引力使光线弯曲七、奇妙的时光弯曲惯惯性性参参考考系系在惯性参考系中，光沿直线传播。非非惯惯性性参参考考系系高中物理必修第二册第5章 科学进步无止境 第1、2、3节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。天地之间的引力作用是时空弯曲的结果。巨大质量的物体使时空弯曲巨大质量的物体使时空弯曲高中物理必修第二册第5章 科学进步无止境 第1、2、3节通常物体的引力场都太弱，20世纪只能观测到太阳引力场引起的光线弯曲。太阳由于太阳引力场的作用，我们有可能观测到太阳后面的恒星，最好的观测时间是发生日全食的时候高中物理必修第二册第5章 科学进步无止境

12、第1、2、3节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。八、探索宇宙的奥秘高中物理必修第二册第5章 科学进步无止境 第1、2、3节大胆猜测：宇宙的将来或者会塌缩而在大挤压处终结永远膨胀下去，不断地扩大，我们将看到所有星系的星球老化、死亡，剩下我们孤零零的，在一片黑暗当中。大约150亿年前，我们所处的宇宙全部以粒子的形式、极高的温度、极大的密度，被挤压在一个“原始火球”中。大爆炸理论主要观点大爆炸使物质四散出击，宇宙空间不断膨胀，温度也相应下降，

13、后来相继出现在宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生命。高中物理必修第二册第5章 科学进步无止境 第1、2、3节2.宇宙的演化 根据爱因斯坦广义相对论的预言，宇宙的未来在很大程度上依赖于宇宙中的物质分布（宇宙物质的平均密度）。如果宇宙物质的平均密度大于某个临界值，星系间的引力将最终使膨胀停止并使宇宙开始重新收缩，最终坍缩；如果宇宙物质的平均密度小于该临界值，宇宙将会继续膨胀。但对宇宙物质平均密度的观测非常困难，因为宇宙中除了可见的发光天体之外，还有大量的暗物质和暗能量。暗物质是一种不能释放任何电磁辐射的物质.高中物理必修第二册第5章 科学进步无止境 第1、2、3节3.永不停息的探索宇宙茫茫无际,人

14、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”。高中物理必修第二册第5章 科学进步无止境 第1、2、3节“中国天眼”的首席科学家兼总工程师南仁东（1945-2017），为选择最佳台址，带着300多幅卫星遥感图，跋涉在中国西南的大山里，先后对比了1000多个洼地。工程建设中，他克服了技术、资金等重重困难，为工程的顺利完成作出了卓越的贡献。他用人生最后的22年，精益求精、坚毅执着地实现了一个梦想，用生命铸就了世人瞩目

15、的“中国天眼”。高中物理必修第二册第5章 科学进步无止境 第1、2、3节引力波开启了探索宇宙的新窗口，它可让我们倾听宇宙，了解宇宙。1916年，爱因斯坦依据广义相对论预言，大质量天体发生碰撞、恒星爆炸、中子星合并、黑洞合并等极端天文事件发生时，时空会产生涟漪并产生“引力波”，以光速向外扩张。由于产生引力波的天体离我们过于遥远，引力波到达地球时就变得极其微弱。高中物理必修第二册第5章 科学进步无止境 第1、2、3节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黑洞时产生的持续不到1s的引力波信号，被激光干涉引力波天文台的两个探测器以7ms的时间差先后捕捉到。之后，人类多

16、次探测到引力波，但信号皆产生于双黑洞合并。高中物理必修第二册第5章 科学进步无止境 第1、2、3节雷纳韦斯（R.Weiss）、巴里巴里什（B.Barish）和基普索恩（K.Thorne）这三位科学家因对LIGO探测器和引力波探测的重大贡献而获得2017年诺贝尔物理学奖。高中物理必修第二册第5章 科学进步无止境 第1、2、3节宇宙茫茫无际，人类的探索将永不停歇。人类这一大自然的精灵，宇宙茫茫无际，人类的探索将永不停歇。人类这一大自然的精灵，定会把视野扩至宇宙的更深处。定会把视野扩至宇宙的更深处。高中物理必修第二册第5章 科学进步无止境 第1、2、3节本课小结高中物理必修第二册第5章 科学进步无止境 第1、2、3节谢谢！