高中物理教科版 (2019)必修 第二册相对论时空观简介教学课件ppt

这是一份高中物理教科版 (2019)必修 第二册相对论时空观简介教学课件ppt，共32页。PPT课件主要包含了导入与目标，第一部分，新课导入，素养目标，新课讲解，第二部分，狭义相对论，同时性是相对的，同时的相对性，运动时钟变慢等内容，欢迎下载使用。
设想人类可以利用飞船以0.2c的速度进行星际航行。若飞船向正前方的某一星球发射一束激光，该星球上的观察者测量到的激光的速度是多少？
问题的答案似乎应为 1.2c，然而，事实并非如此！因为经典力学不再适用。经典力学只适用于解决低速运动问题，不能用来处理高速运动问题，要解决这一问题就需要用到相对论时空观。
1.了解相对论的诞生及发展历程2.理解狭义相对论中时间和空间的相对性，3.了解广义相对性原理和等效原理，4.初步认识狭义相对论和广义相对论的内容和基本原理。
时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的。这种绝对时空观，也叫牛顿力学时空观。
在牛顿力学时空观里，时间像一条看不见的“长河”，均匀地自行流逝着，空间像一个广阔无边的房间，它们都不影响物体及其运动。所以不管选什么参考系，不管物体怎么运动，物体的时间、长度、质量等等的测量结果肯定是一样的。这种时空观符合我们的生活经验，在运动学中，无论我们选择什么样的参照物，计算结果都是一样。
地球绕太阳公转的速度是3×104 m/s，某实验室的圆形粒子加速器可以把电子加速到0.999 999 999 987倍光速的速度，请思考：
地球的公转速度属于低速，被加速器加速后的电子的速度属于高速。
(1)在狭义相对论中，地球的公转速度属于低速还是高速？被加速器加速后的电子的速度属于低速还是高速？
(2)在地面上校准的两只钟，一只留在地面上，一只随宇宙飞船遨游太空，隔一段时间飞船返回地面时，两只钟显示的时间相同吗？有什么差别？
不相同。随飞船旅行的时钟变慢。
牛顿力学时空观（绝对时空观）时间和空间独立于物体及其运动
相对论时空观：时间和空间被联系在一起，它们互相联系又互相制约，物质的运动对时间和空间有一定的影响
十九世纪，英国科学家麦克斯韦，提出了电磁场理论，预言了电磁波的存在，并从理论上证明了，电磁波传播的速度等于光速。人们不禁要问：这个速度是相对哪个参考系而言的呢？
按照麦克斯韦电磁场理论，真空中的光速是一个常量，在不同惯性参考系中应当有相同的值，这与经典力学相矛盾。爱因斯坦对此进行了深入研究，并提出了两个基本假设：一是对不同的惯性系，物理规律(包括力学的和电磁学的)都是一样的；二是光在真空中运动的速度在任何惯性系中测得的数值都是相同的。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。
据爱因斯坦回忆，他从16岁起就开始思考时间的概念了，经过10年，他首先得出“同时是相对的”这样的结论。
所谓“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，而是先一后发生的。但在经典力学中由于时间的测量与参考系无关，两个事件的发生是同时还是不同时，也就与参考系无关了，即同时是绝对的。
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。
即力学定律从一个惯性系换算到另一个惯性系时，定律的表述形式保持不变。
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 ）。
不管光源与观察者之间的相对运动如何，在任一惯性系中所测得的真空中的光速都是相等的。
他于 1905 年提出两个基本假设：
根据爱因斯坦假设：真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的，两个事件在一个参考系中是同时的，在另一个参考系中不一定也是同时的。
例如：假设一列火车沿平直轨道飞快地匀速行驶。车厢中央的光源发出了一道闪光，闪光照到了车厢的前壁和后壁。车上的观察者以车厢为参考系，闪光到达前后两壁的时间相同吗？
车上的观察者:闪光同时到达车厢的前后两壁（图甲）地面上的观察者:闪光先到达车厢后壁，后到达前壁（图乙）
例如：假设一列火车沿平直轨道飞快地匀速行驶。车厢中央的光源发出了一道闪光，闪光照到了车厢的前壁和后壁。（1）车上的观察者以车厢为参考系，闪光到达前后两壁的时间相同吗？
（1）如图甲所示：因为车厢是个惯性系，闪光向前、后传播的速率相同，光源又在车厢的中央，闪光当然会同时到达前后两壁。
（2）对于车下的观察者来说，以地面为参考系，闪光到达前后两壁的时间相同吗？
在闪光飞向两壁的过程中，车厢向前行进了一段距离，所以向前的光传播的路程长些即：闪光先到达后壁，后到达前壁因此，这两个事件不是同时发生的。
根据爱因斯坦的假设：真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的，所以他以地面为参考系，闪光向前、后传播的速率对地面也是相同的。
如果相当于地面以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Δτ，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Δt，则
如果有一根杆，与杆相对静止的人测得杆长是l0，沿着杆的方向，以速度v相对杆运动的人测得杆长是l，那么l0与l两者之间的关系是：
由上面两个式子可以知道，运动物体的长度（空间距离）和物理过程的快慢（时间进程）都跟物体运动状态有关。这个结论具有革命性的意义，它反映的时空观称作相对论时空观。
按照狭义相对论，物体运动时质量会随着物体运动速度增大而增加(质速关系)，同时，空间和时间也会随着物体运动速度的变化而变化，即会发生尺缩效应和钟慢效应。
m0是物体静止时的质量，m是物体速度为v时的质量，c是真空中的光速.
爱因斯坦有一个基本思想：自然界遵循的规律是统一的。根据这一思想，在建立狭义相对论后，经过10年的刻苦研究，他提出了两个基本假设：广义相对性原理和等效原理，并在此基础上建立了广义相对论。目前，广义相对论已被包括如下列举的大量实验所支持。
1.引力作用使光波发生频移，从引力势能低处发出的光波在引力势能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。人们曾经怀疑可能在水星轨道内有一颗小行星，由于它的存在造成水星轨道的异常，然而始终未找到。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(图5-2-10)，解决了天文学上的百年疑难。
3.当两个天体相互绕转时，会向外界辐射出引力波。2015年9月14日，引力波探测器LIGO首次探测到引力波信号;2016年6月16日凌晨，分别位于美国华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的两台引力波探测器又同时探测到了一个引力波信号(图5-2-11)。引力波的发现证实了广义相对论，并打开一扇前所未有的窥探宇宙的新窗口(图5-2-12)。
广义相对论指出了时间和空间的量度与物体间的引力有关，因而与它们的质量有关。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)。这种“弯曲”，用我们现在数学课中学习的欧几里得几何学已无法描述，而要运用一种新的几何学。因此，广义相对论也可以看作是一种关于引力的几何理论，它是数学与物理相结合的典范
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，并且不能脱离整个物质世界而单独存在。人类对客观世界的认识是不断扩展和深化的，不论多么伟大的人物都只能跑好这场超级马拉松接力中的一棒，经典时空观和相对论时空观就是其中的两棒。现在这根接力棒就要传递到今天的青少年手中了。同学们，也许你们还不能充分理解上面所介绍的全部内容，但一定要立下志愿，接好下一棒，为祖国争光，为推动科学和社会的进步而努力。