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3.2　相對論時空觀 3.3　宇宙的起源與演化 學習目標 核心凝煉 1.了解經(jīng)典的相對性原理。 2個基本假設(shè)——狹義相對性原理、光速不變原理 3個相對性——“同時”的相對性、長度的相對性、時間間隔的相對性 2.知道狹義相對論的兩個基本假設(shè)。 3.理解“同時”的相對性和長度的相對性。 4.了解宇宙的起源與演化。 一、經(jīng)典的相對性原理 1.慣性系：牛頓運動定律能夠成立的參考系。相對一個慣性系做勻速直線運動的另一個參考系也是慣性系。 2.伽利略相對性原理：力學規(guī)律在任何慣性系中都是相同的。 二、狹義相對論的兩個基本假設(shè) 1.狹義相對性原理：在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的。 2.光速不變原理：真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的。 三、時間和空間的相對性 1.“同時”的相對性 (1)經(jīng)典物理學認為：如果兩個事件在一個參考系中是同時的，在另一個參考系中一定也是同時的。 (2)狹義相對論的時空觀認為：同時是相對的，即在同一個參考系中不同地點同時發(fā)生的兩個事件，在另一個參考系中不一定是同時的。 2.長度的相對性 (1)經(jīng)典的時空觀：一條桿的長度不會因為觀察者是否與桿做相對運動而不同。 (2)相對論的時空觀：“長度”也具有相對性，一條沿自身長度方向運動的桿，其長度總比靜止時的長度小。與桿相對靜止的人認為桿長為l0，與桿相對運動的人認為桿長是l，那么兩者之間的關(guān)系是l＝l0。 3.時間間隔的相對性 (1)經(jīng)典物理學認為：某兩個事件，在不同的慣性系中觀察，它們的時間間隔總是相同的。 (2)相對論的時空觀：某兩個事件，在不同的慣性參考系中觀察，它們的時間間隔是不同的。 設(shè)Δτ表示相對事件發(fā)生地靜止的慣性系中觀測的兩事件的時間間隔，Δt表示相對事件發(fā)生地以速度v高速運動的參考系中觀測的同樣兩事件的時間間隔，則它們的關(guān)系是Δt＝。 4.相對論時空觀 (1)經(jīng)典時空觀：空間和時間是脫離物質(zhì)存在的，是絕對的，空間和時間之間也是沒有聯(lián)系的。 (2)相對論時空觀：空間和時間與物質(zhì)的運動狀態(tài)有關(guān)。 [理解概念] 判斷下列說法是否正確。 (1)一根桿的長度不會因為觀察者是否與桿做相對運動而不同，這是經(jīng)典物理學家的觀點。(√) (2)一根桿的長度靜止時為l0，不管桿如何運動，桿的長度均小于l0。() (3)“動鐘變慢”是時鐘的精度因運動而發(fā)生了變化。() (4)長度、時間的測量結(jié)果會隨物體與觀察者的相對運動狀態(tài)的改變而改變。(√) (5)高速運動的飛船中的宇航員發(fā)現(xiàn)地面的時鐘變慢了。(√) (6)地面上的人認為兩個事件同時發(fā)生，而高速運動的飛船中的宇航員卻不這么認為。(√) 四、宇宙及恒星的演化 1.宇宙演化 根據(jù)大爆炸理論，在宇宙形成之初是“粒子家族”盡顯風采的時期。在大爆炸之后逐漸形成了夸克、輕子和膠子等粒子，隨后經(jīng)過強子時代、輕子時代、核合成時代。繼續(xù)冷卻，質(zhì)子、電子、原子等與光子分離而逐步組成恒星和星系。 2.恒星的演化 (1)恒星的形成：大爆炸后，在萬有引力作用下形成星云團，進一步凝聚使引力勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能，溫度升高，直到發(fā)光，于是恒星誕生了。 (2)恒星演變：核聚變反應，層級遞進地在恒星內(nèi)發(fā)生，直到各種熱核反應不再發(fā)生時，恒星的中心密度達到極大。 (3)恒星歸宿：恒星最后的歸宿有三種，它們是白矮星、中子星、黑洞。 　經(jīng)典的相對性原理及狹義相對論的兩個基本假設(shè) [觀察探究] 如圖1所示，結(jié)合狹義相對論考慮幾個問題： 圖1 (1)參考系O′相對于參考系O靜止時，人看到的光速應是多少？ (2)參考系O′相對于參考系O以速度v向右運動，人看到的光速應是多少？ (3)參考系O′相對于參考系O以速度v向左運動，人看到的光速又是多少？ 答案　根據(jù)速度合成法則，第一種情況人看到的光速應是c，第二種情況應是c－v，第三種情況應是c＋v，而根據(jù)狹義相對論理論，光速是不變的，都應是c。 [探究歸納]　 應用狹義相對論的幾點注意 (1)慣性系與非慣性系的確定：我們通常選取大地為慣性系，相對于地面靜止或做勻速運動的物體都是慣性參考系，相對于地面做變速運動的物體都是非慣性參考系。 (2)光的傳播速度與慣性系的選取無關(guān)。在任何情況下，真空中的光速都是c。 (3)力學規(guī)律相對于慣性系來說都是相同的。 [試題案例] [例1] (多選)關(guān)于狹義相對論，下列說法正確的是(　　) A.狹義相對論認為在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的 B.狹義相對論認為在一切慣性系中，光在真空中的速度都等于c，與光源的運動無關(guān) C.狹義相對論只涉及無加速度運動的慣性系 D.狹義相對論任何情況下都適用 解析　根據(jù)狹義相對論的基本假設(shè)可知，選項A、B正確；狹義相對論只涉及慣性參考系，不涉及非慣性參考系，選項D錯誤，C正確。 答案　ABC [針對訓練1] (多選)根據(jù)伽利略相對性原理，可以得到下列哪些結(jié)論(　　) A.力學規(guī)律在任何慣性系中都是相同的 B.同一力學規(guī)律在不同的慣性系中可能不同 C.在一個慣性參考系里不能用力學實驗判斷該參考系是否做勻速直線運動 D.在一個慣性參考系里可以用力學實驗判斷該參考系是否做勻速直線運動 解析　由伽利略相對性原理可知A、C正確。 答案　AC 　時間和空間的相對性 [探究歸納]　 狹義相對論中的主要效應 (1)長度收縮效應：運動長度l會收縮，即l＝l0。 (2)時間延緩效應：運動時鐘會變慢，即Δt＝。 [試題案例] [例2] 地面上長100 km的鐵路上空有一火箭沿鐵路方向以30 km/s的速度掠過，則火箭上的人看到鐵路的長度應該為多少？如果火箭的速度達到0.6c，則火箭上的人看到的鐵路的長度又是多少？ 解析　當火箭速度較低時，長度基本不變，還是100 km。 當火箭的速度達到0.6c時，由相對論長度公式 l＝l0 ， 代入相應的數(shù)據(jù)解得l＝100 km＝80 km 答案　100 km　80 km 由公式l＝l0知，相對于地面以速度v運動的物體，從地面上看，沿著運動方向上的長度變短了，速度越大，變短得越多。 兩種情況： (1)在垂直于運動方向不發(fā)生長度收縮效應現(xiàn)象。 (2)我們平常觀察不到這種長度收縮效應，是因為我們生活在比光速低得多的低速世界里，長度收縮效應極不明顯，即使運動物體的速度達到v＝30 000 km/s(即0.1c)，長度收縮效應也只不過是5%，因此，在低速運動中，v?c，l≈l0，長度收縮效應可忽略不計。 [例3] A、B兩火箭沿同一方向高速飛過地面上的某處，vA＞vB，在火箭A上的人觀察到的結(jié)果正確的是(　　) A.火箭A上的時鐘走得最快 B.地面上的時鐘走得最快 C.火箭B上的時鐘走得最快 D.火箭B上的時鐘走得最慢 解析　在火箭A上的人看來，地面和火箭B都高速遠離自己，由Δt＝知，在火箭A上的人觀察到的結(jié)果是地面和火箭B上的時鐘都變慢了，且vA＞vB，故地面的時鐘最慢，因此A正確，B、C、D錯誤。 答案　A 運動的時鐘變慢Δt＝的理解 (1)時間延緩效應是時空的一種屬性：在運動參考系中的時間節(jié)奏變慢了。(一切物理過程、化學過程乃至觀察者自己的生命節(jié)奏都變慢了) (2)由于運動是相對的，故在某一個參考系中觀察另一個不同參考系里發(fā)生的物理事件時，總能感到時間延緩效應。 (3)日常生活中的時間延緩效應可以忽略不計，在運動速度接近光速時，則變得特別明顯。 [針對訓練2] 某宇航員要到離地球5光年的星球上去旅行，如果地球指揮中心希望把這路程縮短為3光年，則他所乘飛船相對地球的速度為(　　) A.0.5c B.0.6c C.0.8c D.0.9c 解析　由l＝l0，＝，解得v＝c，故C正確。 答案　C 1.(宇宙的起源)根據(jù)宇宙大爆炸的理論，在宇宙形成之初是“粒子家族”盡顯風采的時期，那么在大爆炸之后最早產(chǎn)生的粒子是(　　) A.夸克、輕子、膠子等粒子 B.質(zhì)子和中子等強子 C.光子、中微子和電子等輕子 D.氫核、氘核、氦核等輕核 解析　宇宙形成之初產(chǎn)生了夸克、輕子和膠子等粒子，之后又經(jīng)歷了質(zhì)子和中子等強子時代，再之后是自由光子、中微子、電子大量存在的輕子時代，再之后是中子和質(zhì)子組合成氘核，并形成氦核的核合成時代，之后電子和質(zhì)子復合成氫原子，最后形成恒星和星系，因此A正確，B、C、D錯誤。 答案　A 2.(相對論的時空觀)對于時空觀的認識，下列說法正確的是(　　) A.相對論給出了物體在低速運動時所遵循的規(guī)律 B.相對論具有普遍性，經(jīng)典物理學為它在低速運動時的特例 C.相對論的出現(xiàn)使經(jīng)典物理學在自己的適用范圍內(nèi)不再繼續(xù)發(fā)揮作用 D.經(jīng)典物理學建立在實驗的基礎(chǔ)上，它的結(jié)論又受到無數(shù)次實驗的檢驗，因此在任何情況下都適用 解析　相對論給出了物體在高速運動時所遵循的規(guī)律，經(jīng)典物理學為它在低速運動時的特例，在自己的適用范圍內(nèi)還將繼續(xù)發(fā)揮作用。經(jīng)典物理學有簡捷的優(yōu)勢。因此A、C、D錯誤，B正確。 答案　B 3.(時間、空間的相對性)(多選)在地面附近有一高速飛過的火箭，關(guān)于地面上的人和火箭中的人觀察到的現(xiàn)象中正確的是(　　) A.地面上的人觀察到火箭變短了，火箭上的時間進程變快了 B.地面上的人觀察到火箭變短了，火箭上的時間進程變慢了 C.火箭上的人觀察到火箭的長度和時間進程均無變化 D.火箭上的人看地面上的物體長度變小，時間進程變慢了 解析　因為l＝l0和Δt＝，可知l＜l0，Δt＞Δτ。一個相對地面做高速運動的慣性系中發(fā)生的物理過程，在地面上的人看來，火箭的長度變短了，它所經(jīng)歷的時間比在這個慣性系中直接觀察到的時間變長了，慣性系速度越大，觀察到的火箭的長度越短，所經(jīng)歷的過程時間越長。火箭上的人觀察到火箭的長度和時間進程均無變化。同樣，火箭上的人看地面上的物體長度也是變小，時間進程變慢了，選項B、C、D正確。 答案　BCD 4.(相對論的時空觀)(多選)關(guān)于時間和空間，在學習狹義相對論后我們應認識到(　　) A.因為時間是絕對的，所以我們在不同的參考系中觀察到的時間進程都是相同的 B.空間與時間之間是沒有聯(lián)系的 C.有物質(zhì)才有空間和時間 D.在一個確定的參考系中觀察，運動物體的空間距離和時間進程跟物體的運動狀態(tài)有關(guān) 解析　經(jīng)典物理學認為空間和時間是脫離物質(zhì)存在的，是絕對的，空間與時間之間是沒有聯(lián)系的，在相對論中，時間和空間是和物質(zhì)的運動相聯(lián)系的，只有在物質(zhì)存在時才有空間和時間的概念，時間和空間是相互聯(lián)系且是相對的。選項C、D正確。 答案　CD 合格性檢測 1.(2018大連高二檢測)在狹義相對論中，下列說法中正確的是(　　) A.經(jīng)典物理學可視為相對論在低速運動時的特例 B.真空中光速在不同的慣性參考系中是不相同的 C.在高速運動情況下，慣性參考系中的物理規(guī)律不一定相同 D.狹義相對論全面否定了經(jīng)典物理學 解析　相對論的出現(xiàn)，并沒有否定經(jīng)典物理學，經(jīng)典物理學是相對論在低速運動條件下的特殊情形，故A正確，D錯誤；根據(jù)狹義相對論的光速不變原理，真空中光速在不同的慣性參考系中是相同的，故B錯誤；根據(jù)狹義相對論的相對性原理，物理規(guī)律在所有慣性系中都是相同的，故C錯誤。 答案　A 2.(多選)如果牛頓運動定律在參考系A(chǔ)中成立，而參考系B相對于A做勻速直線運動，則在參考系B中(　　) A.牛頓運動定律也同樣成立 B.牛頓運動定律不能成立 C.A和B兩個參考系中，一切物理定律都是相同的 D.參考系B也是慣性參考系 解析　根據(jù)狹義相對性原理，在不同的慣性參考系中一切物理定律都是相同的。 答案　ACD 3.如圖1所示，強強乘坐速度為0.9c(c為光速)的宇宙飛船追趕正前方的壯壯，壯壯的飛行速度為0.5c，強強向壯壯發(fā)出一束光進行聯(lián)絡，則壯壯觀測到該光束的傳播速度為(　　) 圖1 A.0.4c B.0.5c C.0.9c D.c 解析　根據(jù)愛因斯坦相對論，在任何參考系中，光速不變，即光速不隨光源和觀察者所在參考系的相對運動而改變，所以壯壯觀測到該光束的傳播速度為c，所以選項A、B、C錯誤，D正確。 答案　D 4.(2018寧波高二檢測)(多選)甲乘客乘坐在接近光速的火車上，乙觀察者站在鐵軌附近的地面上，甲、乙兩人手中各持一把沿火車前進方向放置的米尺。則下列說法正確的是(　　) A.甲看到乙手中尺子長度比甲看到自己手中的尺子長度要長 B.甲看到乙手中尺子長度比甲看到自己手中的尺子長度要短 C.乙看到甲手中尺子長度比乙看到自己手中的尺子長度要長 D.乙看到甲手中尺子長度比乙看到自己手中的尺子長度要短 解析　由l＝l0可知，選項B、D正確。 答案　BD 5.一艘太空飛船靜止時的長度為30 m，他以0.6c(c為光速)的速度沿長度方向飛行越過地球，下列說法正確的是(　　) A.飛船上的觀測者測得該飛船的長度小于30 m B.地球上的觀測者測得該飛船的長度小于30 m C.飛船上的觀測者測得地球上發(fā)來的光信號速度小于c D.地球上的觀測者測得飛船上發(fā)來的光信號速度小于c 解析　由l＝l0知A錯誤，B正確；由狹義相對論的基本假設(shè)知光信號的速度都等于c，C、D項錯誤。 答案　B 6.假設(shè)地面上有一火車以接近光速的速度運行，其內(nèi)站立著一個中等身材的人，站在路旁的人觀察車里的人，觀察的結(jié)果是(　　) A.這個人是一個矮胖子 B.這個人是一個瘦高個子 C.這個人矮但不胖 D.這個人瘦但不高 解析　取路旁的人為慣性系，車上的人相對于路旁的人高速運動，根據(jù)尺縮效應，人在運動方向上將變窄，但在垂直于運動方向上沒有發(fā)生變化，故選項D正確。 答案　D 7.話說有兄弟兩個，哥哥乘坐宇宙飛船以接近光速的速度離開地球去遨游太空，經(jīng)過一段時間返回地球，哥哥驚奇地發(fā)現(xiàn)弟弟比自己要蒼老許多，則該現(xiàn)象的科學解釋是(　　) A.哥哥在太空中發(fā)生了基因突變，停止生長了 B.弟弟思念哥哥而加速生長 C.由相對論可知，物體速度越大，其時間進程越慢，生理進程也越慢 D.這是神話，科學無法解釋 解析　根據(jù)公式Δt＝可知，物體的速度越大，其時間進程越慢。 答案　C 8.(多選)用相對論的觀點判斷下列說法正確的是(　　) A.時間和空間都是絕對的，在任何參考系中一個事件發(fā)生的時間和一個物體的長度總不會改變 B.在地面上看，以10 km/s的速度運動的飛船中的時鐘會變快，但是飛船中的宇航員卻看到時鐘是準確的 C.在地面上的人看來，以10 km/s的速度運動的飛船在運動方向上會變短，而飛船中的宇航員卻感覺到地面上的人看起來比飛船中的人扁一些 D.當物體運動的速度v遠小于c時，“長度收縮”和“時間膨脹”效果可忽略不計 解析　時間和空間都是相對的，沒有絕對準確的時間和空間，所以A、B錯誤；由l＝l0可知兩處的人都感覺l＜l0，所以C正確；由尺縮效應和鐘慢效應公式可知，當v遠小于c時，尺縮效應和鐘慢效應都可以忽略不計，所以D正確。 答案　CD 9.如圖2，假設(shè)一根10 m長的梭鏢以光速穿過一根10 m長的管子，它們的長度都是在靜止狀態(tài)下測量的。以下敘述中最好地描述了梭鏢穿過管子情況的是(　　) 圖2 A.梭鏢收縮變短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它 B.管子收縮變短，因此在某些位置上，梭鏢從管子的兩端伸出來 C.兩者都收縮，且收縮量相等，因此在某個位置，管子恰好遮住梭鏢 D.所有這些都與觀察者的運動情況有關(guān) 解析　如果你是在相對于管子靜止的參考系中觀察運動著的梭鏢，那么梭鏢看起來就比管子短，在某些位置梭鏢會完全在管子內(nèi)部。然而當你和梭鏢一起運動時，你看到的管子就縮短了，所以在某些位置，你可以看到梭鏢兩端都伸出管子，則D正確，A、B、C錯誤。 答案　D