相對論簡介
【學習目標】
1．理解經典的相對性原理．
2．理解光的傳播與經典的速度合成法則之間的矛盾．
3．理解狹義相對論的兩個基本假設．
4．理解同時的相對性．
5．知道時間間隔的相對性和長度的相對性．
6．知道時間和空間不是脫離物質而單獨存在的
7．知道相對論的速度疊加公式．
8．知道相對論質量．
9．知道愛因斯坦質能方程．
10．知道廣義相對性原理和等效原理．
11．知道光線在引力場中的彎曲及其驗證．
【要點梳理】
【高畫質課堂：相對論簡介】
要點一、相對論的誕生
1．慣性系和非慣性係
牛頓運動定律能夠成立的參考係叫慣性系，勻速運動的汽車、輪船等作為參考係就是慣性系．牛頓運動定律不成立的參考係稱為非慣性係．例如我們坐在加速的車廂裡，以車廂為參考係觀察路邊的樹木房屋向後方加速運動，根據牛頓運動定律，房屋樹木應該受到不為零的合外力作用，但事實上沒有，也就是牛頓運動定律不成立．這裡加速的車廂就是非慣性係．
相對於乙個慣性系做勻速直線運動的另乙個參考係也是慣性系．
2．伽利略相對性原理
力學規律在任何慣性系中都是相同的．即任何慣性參考係都是平權的．
這一原理在麥克爾遜—莫雷實驗結果面前遇到了困惑，麥克爾遜—莫雷實驗和觀測表明：不論光源與觀察者做怎樣的相對運動，光速都是一樣的．
3．麥克爾遜—莫雷實驗
（1）實驗裝置，如圖所示．
（2）實驗內容：轉動干涉儀，在水平面內不同方向進行光的干涉實驗，干涉條紋並沒有預期移動．
（3）實驗原理：
如果兩束光的光程一樣，或者相差波長的整數倍，在觀察屏上就是亮的；若兩束光的光程差不是波長的整數倍，就會有不同的干涉結果．由於和不能絕對地垂直，所以在觀察屏上可以看到明暗相間的條紋．如果射向和的光速不相同，就會造成干涉條紋的移動．我們知道地球的運動速度是很大的，當我們將射向的光路逐漸移向地球的運動方向時，應當看到干涉條紋的移動，但實際結果卻看不到任何干涉條紋的移動．因此，說明光在任何參考係中的速度是不變的，它的速度的合成不滿足經典力學的法則，因此需要新的假設出現，為光速不變原理的提出提供有力的實驗證據．
（4）實驗結論：光沿任何方向傳播時，相對於地球的速度是相同的．
4．狹義相對論的兩個基本假設
（1）狹義相對性原理．
在不同的慣性參考係中，一切物理定律總是相同的．
（2）光速不變原理．
真空中的光速在不同的慣性參考係中都是相同的．
【高畫質課堂：相對論簡介】
要點二、時間和空間的相對性
1．「同時」是相對的
兩個事件是否同時發生，與參考係的選擇有關．
汽車以較快的速度勻速行駛，車廂**的光源發出的閃光，對車上的觀察者，這個閃光照到車廂前壁和後壁的這兩個事件是同時發生的．
對車下的觀察者，他觀察到閃光先到達後壁後到達前壁．這兩個事件是不同時發生的．
2．長度的相對性（尺縮效應）
長度的測量方法：同時測出杆的兩端的位置座標．座標之差就是測出的桿長．
如果與杆相對靜止的人認為桿長為．
與杆相對運動的人認為桿長為．
則 ．
一根沿自身長度方向運動的杆，其長度總比杆靜止時的長度小，而在垂直於運動方向上，杆的長度沒有變化．
3．時間間隔的相對性（鐘慢效應）
某兩個事件在不同的慣性參考係中觀察，它們的時間間隔不一樣．
在與事件發生者相對靜止的觀察者測出兩事件發生的時間間隔為，與事件發生者相對運動的觀察者測得兩事件發生的時間間隔為．
．4．相對論的時空觀
相對論認為空間和時間與物質的運動狀態有關．經典物理則認為空間和時間是脫離物質而存在的，是絕對的，空間與時間之間沒有什麼聯絡．
雖然相對論更具有普遍性，但是經典物理學作為相對論在低速運動時的特例，在自己的適用範圍內還將繼續發揮作用．
【高畫質課堂：相對論簡介】
要點三、狹義相對論的其他結論
1．相對論速度變換公式
相對論認為，如果一列沿平直軌道高速執行的火車對地面的速度為，車上的人以速度沿著火車前進的方向相對火車運動，那麼這個人相對地面的速度
． 理解這個公式時請注意：
（1）如果車上的人的運動方向與火車的運動方向相反，則取負值．
（2）如果，，這時可忽略不計，這時相對論的速度合成公式可近似變為
（3）如果與的方向相垂直或成其他角度時，情況比較複雜，上式不適用．
2．相對論質量
相對論中質量和速度的關係為
．理解這個公式時請注意：
（1）式中是物體靜止時的質量（也稱為靜質量），是物體以速度v運動時的質量．這個關係式稱為相對論質速關係，它表明物體的質量會隨速度的增大而增大．
（2）時，近似地．
（3）微觀粒子的運動速度很高，它的質量明顯地大於光子質量．例如迴旋加速器中被加速的粒子質量會變大，導致做圓周運動的週期變大後，它的運動與加在形盒上的交變電壓不再同步，迴旋加速器的加速能量因此受到了限制．
3．質能方程
愛因斯坦質能關係式：．
理解這個公式請注意：
（1）質能方程表達了物體的質量和它所具有的能量的關係：一定的質量總是和一定的能量相對應．
（2）靜止物體的能量為，這種能量叫做物體的靜質能．每個有靜質量的物體都具有靜質能．
（3）對於乙個以速率運動的物體，其動能
． （4）物體的總能量為動能與靜質能之和，即（為動質量）．
（5）由質能關係式可知．
（6）能量與動量的關係式．
【高畫質課堂：相對論簡介】
要點四、廣義相對論、宇宙學簡介
1．狹義相對論無法解決的問題
（1）萬有引力理論無法納入狹義相對論的框架．
（2）慣性參考係在狹義相對論中具有特殊的地位．
2．廣義相對論的基本原理
（1）廣義相對性原理：愛因斯坦把狹義相對性原理從勻速和靜止參考係推廣到做加速運動的參考係，認為所有的參考係都是平權的，不論它們是慣性系還是非慣性係，對於描述物理現象來說都是平等的．
（2）等效原理：在物理學上，乙個均勻的引力場等效於乙個做勻加速運動的參考係．
3．廣義相對論的幾個結論
（1）光線在引力場中偏**根據廣義相對論，物質的引力會使光線彎曲，引力場越強，彎曲越厲害．通常物體的引力場都太弱，但太陽引力場卻能引起光線比較明顯的彎曲．
（2）引力紅移：按照廣義相對論，引力場的存在使得空間不同位置的時間程序出現差別．例如，在強引力的星球附近，時間程序會變慢，因此光振動會變慢，相應的光的波長變長、頻率變小，光譜線會發生向紅光一端移動的現象．光譜線的這種移動是在引力作用下發生的，所以叫「引力紅移」．
（3）水星近日點的進動：天文觀測顯示，行星的軌道並不是嚴格閉合的，它們的近日點（或遠日點）有進動（行星繞太陽一周後，橢圓軌道的長軸也隨之有一點轉動，叫做「進動」），這個效應以離太陽最近的水星最為顯著．
廣義相對論所作出的以上預言全部被實驗觀測所證實．還有其他一些事實也支援廣義相對論．目前，廣義相對論已經在宇宙結構、宇宙演化等方面發揮主要作用．
（4）時間間隔與引力場有關，引力場的存在使得空間不同位置時間程序出現差別．
（5）杆的長度與引力場有關．
空間不是均勻的，引力越大的地方，長度越小．
4．大**宇宙學
宇宙起源於乙個奇點，在該奇點，溫度為無窮大，密度為無窮大，空間急劇膨脹，即發生宇宙大**．之後，宇宙不斷膨脹，溫度不斷降低，大約經歷200億年形成我們今天的宇宙．
宇宙還處於膨脹階段，未來將會怎樣演化，目前還不能完全確定．
要點五、本章知識結構
要點六、專題總結
1．時空的相對性
（1）「同時」的相對性：
在經典的物理學上，如果兩個事件在乙個參考係中認為是同時的，在另乙個參考係中一定也是同時的；而根據愛因斯坦的兩個假設，同時是相對的．
（2）「長度」的相對性：
①如果與杆相對靜止的人認為桿長是，與杆相對運動的人認為桿長是，則兩者之間的關係為：．
②一條沿自身長度方向運動的杆，其長度總比杆靜止時的長度小．
（3）「時間間隔」的相對性：
運動的人認為兩個事件時間間隔為，地面觀察者測得的時間間隔為，則兩者之間關係為：．
2．質速關係與質能關係
（1）質速關係
物體以速度運動時的質量與靜止時的質量之間的關係：
． （2）質能關係
①相對於乙個慣性參考係以速度運動的物體其具有的相對論能量
． 其中為物體相對於參考係靜止時的能量．
②物體的能量變化與質量變化的對應關係：
．【典型例題】
型別一、相對論的誕生
例1如圖所示，在列車車廂的光滑水平面上有一質量為的小球，正隨車廂一起以的速度勻速前進．現在給小球乙個水平向前的的拉力作用，求經過時，車廂裡的觀察者和地面的觀察者看到小球的速度分別是多少？
【思路點撥】力學規律在任何慣性系中都是相同的．
【答案】見解析
【解析】對車上的觀察者：
物體的初速，加速度
，經過時速度
． 對地上的觀察者
解法一：物體初速度
，加速度相同
．經過時速度
． 解法二：根據速度合成法則
．【總結昇華】在兩個慣性系中，雖然觀察到的結果並不相同，乙個，另乙個，但我們卻應用了同樣的運動定律和速度合成法則．也就是說，力學規律在任何慣性系中都是相同的．
例2 考慮幾個問題：
（1）如圖所示，參考係相對於參考係靜止時，人看到的光速應是多少？
（2）參考係相對於參考係以速度v向右運動，人看到的光速應是多少？
（3）參考係相對於參考係以速度v向左運動，人看到的光速又是多少？
【答案】三種情況都是．
【解析】根據速度合成法則，第一種情況人看到的光速應是，第二種情況應是，第三種情況應是，此種解法是不對的，而根據狹義相對論理論知，光速是不變的，都應是．
【總結昇華】麥克耳孫——莫雷實驗證明了光速在任何慣性參考係中的速度是不變的，對於高速物體，伽利略速度合成法則不再適用．
型別二、時間和空間的相對性
相對論簡介
1310相對論簡介 知識梳理 一 狹義相對論的基本假設 1 在不同的慣性參考係中，一切物理規律都是相同的 2 真空中的光速在不同的慣性參考係中都是相同的 二 相對論質量m 三 質能方程e mc2.針對訓練 在狹義相對論中，下列哪些說法是正確的是 一切運動物體相對於觀察者的速度都不能大於真空中的光速 ...
《15 4廣義相對論簡介》教學設計
河南省確山縣第一高中劉玉中 教學目標 1 了解廣義相對性原理和等效原理。2 了解廣義相對論的幾個結論及主要觀測證據。3 通過本節學習，激發學生探索宇宙奧秘的興趣，形成初步的相對論時空觀。教學重點 廣義相對性原理和等效原理。教學難點 理解廣義相對論的幾個結論。教學方法 在教師的引導下，共同分析 研究得...
相對論的課題
初中物理競賽練習題 2 相對運動 課後 初三 班姓名 1 在一條平直的南北方向的公路上，有甲 乙 丙三輛汽車依次向北行駛，甲 丙兩車快慢相同，乙車較甲 丙兩車開得快。1 以什麼為參照物，三輛車均向北運動 2 若以甲車為參照物，乙 丙兩車各向什麼方向運動 3 若以乙車為參照物，甲 丙兩車各向什麼方向運...