高中物理经典时空观与相对论时空观-例题解析-文档

经典时空和相对论时空观
经典时空观认为时间和空间是独立的绝对存在，不受物质和能量的影响，是永恒不变的。

相对论时空观则认为时间和空间是相互联系的，是随着物质和能量的存在而弯曲和变化的。

在经典时空观中，时间是一个不可逆的流，空间是一个无限延伸的三维空间。

相对论时空观则将时间和空间合为一个四维时空，其中时间和空间是相对的，取决于观察者的运动状态，即存在时间和空间的相对性。

相对论时空观还引入了引力波和黑洞等概念，解释了宇宙中一些奇特的现象。

例如，引力波是由两个大质量物体运动而产生的能量波动，可以被探测器观测到。

黑洞则是由质量极大的天体引力强大到无法逃逸的区域，其存在和性质也与相对论时空观密切相关。

总的来说，相对论时空观是一种更加全面和深入的时空观，已经成为现代物理学的基础之一。

它深刻地影响和改变了我们对自然界的认识，为我们理解宇宙的奥秘提供了更多的线索。

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相对论时空观解析
相对论时空观是指爱因斯坦的特殊相对论和广义相对论中对时空的理解。

这一理论从根本上改变了牛顿的经典力学中关于时间和空间的认识。

特殊相对论中，爱因斯坦提出了“光速不变原理”，即光速在任何运动状态下都是不变的。

这一原理颠覆了以往对时间和空间的绝对观念，提出了“相对论时空观”。

在相对论中，时间和空间不是分离的，而是构成一个“时空”的整体。

同时，因为物体的运动状态会影响时空的结构，所以时空也是相对的。

广义相对论进一步丰富了相对论时空观。

它将万有引力理解为时空的弯曲，即物体和物质会影响周围的时空结构，造成时空的扭曲。

这种扭曲进一步影响其他物体的运动状态和运动轨迹，使得牛顿力学中的引力概念受到了颠覆。

相对论时空观被广泛应用于现代物理学的各个领域，包括天文学、高能物理学、量子物理学等。

它对现代科学的发展产生了深远的影响。

同时，相对论时空观也具有哲学上的启示意义，使我们对时间、空间和世界本质的理解有了更为深刻的认识。

word1 / 1经典时空观与相对论时空观-备课资料学习导航学习提示1.了解经典力学的发展历程及伟大成就.2.了解经典力学的局限性和适用X 围.3.知道经典时空观.4.了解相对论时空观.本章学习内容为常识性了解内容，通过学习大致了解经典力学的发展、成就、局限.重点是经典时空观与相对论时空观的含义，难点是二者的区别.互动学习知识1.要描述一个物体的运动，必须选择________. 答案：参考系2.学过的动力学规律有哪些？答案：牛顿运动规律〔牛顿第一定律、第二定律、第三定律〕、万有引力规律.3.牛顿运动定律的适用X 围是________. 答案：低速宏观物体的运动 牛顿运动定律适用于低速宏观物体的运动，而不适用于高速的，或微观的运动，这是研究经典力学局限的基础，也是提出相对论的问题基础.知识总结1.惯性系：牛顿定律成立的参考系. 非惯性系：牛顿定律不成立的参考系.所有相对于惯性系做匀速直线运动的参考系都是惯性系.2.伽利略相对性原理：一切惯性系都是等效的，或者说，在任何惯性系中，所有力学规律的形式都是相同的.3.经典时空观的主要内容：时间和空间彼此独立、互不关联，且不受物质运动的影响. (1)同时的绝对性.在一个参考系中同时发生的事件，在其他参考系中观察也是同时的. (2)时间间隔的绝对性.任何事件经历的时间在不同的参考系中测量都是相同的. (3)长度的绝对性.无论选用什么参考系，对空间两点距离的测量结果是相同的. (4)物体的质量不随物体的运动而改变.因此，在经典时空观下，长度、时间、质量这三个基本物理量都与参考系的选择无关. 4.相对论时空观的主要内容：时间和空间相互关联，质量随物体运动状态的改变而变化. (1)两个假设：第一假设——相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律的形式都是相同的. 第二假设——光速不变原理：无论相对于哪个惯性系，光在真空中的速度都相同. (2)狭义相对论的主要结论：①“同时〞的相对性.在一个参考系中同时发生的事件，在其他参考系中观察不一定是同时的. ②时间间隔的相对性——运动的时钟变慢.注意，并非时钟“不准〞，实际是“过程〞变慢了. ③两点间长度的相对性——运动的尺子变短. ④物体的质量随物体运动速度的增大而增大.因此，在相对论时空观下，长度、时间、质量这三个基本物理量都与参考系的选择有关.。

专题72 相对论一、时间和空间的相对性 1．“同时”的相对性（1）经典的时空观：在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察也是相同的。

（2）相对论的时空观：“同时”具有相对性，即在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察不一定同时。

2．“长度”的相对性（1）经典的时空观：一条杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同。

（2）相对论的时空观：“长度”也具有相对性，一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比静止时的长度小。

3．时间间隔的相对性（1）经典的时空观：某两个事件，在不同的惯性系中观察，它们的时间间隔总是相同的。

（2）相对论的时间观：某两个事件，在不同的惯性参考系中观察，它们的时间间隔是不同的。

4．相对论时空观（1）经典时空观：空间和时间是脱离物质存在的，是绝对的，空间和时间之间也是没有联系的。

（2）相对论时空观：空间和时间与物质的运动状态有关。

二、狭义相对论1．狭义相对论的基本假设（1）在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。

（2）真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的。

2．时间间隔的相对性2)(1c v t -∆=∆τ。

3．长度的相对性20)(1cv l l -=。

4．相对论的速度变换公式21cv u v u u '++'=。

5．相对论质量2)(1cv m m -=。

6．质能方程E=mc 2。

三、对狭义相对论的理解1．惯性系：如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系叫做惯性系。

相对一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系。

2．光速的大小与选取的参考系无关，因为光速是从麦克斯韦方程组中推导出来的，无任何前提条件。

3．狭义相对论认为物体的质量m 与物体的速度v 有关，其关系式为2)(1cv m m -=。

四、广义相对论1．广义相对论的两个基本原理（1）广义相对性原理：在任何参考系中物理规律都是一样的。

经典时空观与相对论时空观-例题解析1.着重体会从绝对时空观无法解释光的传播问题出发，进而提出狭义相对论假设的思想方法.2.相对论的两个假设无法直接加以验证，但是由它导出的一系列结论却都与实验相符，这种“间接证明”的方法是科学研究中的重要方法.3.要紧抓住“两个假设”，只有深入理解了这两个“假设”的含义，才能理解应用其他各种相对论效应.4.要重新科学理解“同时”的含义.5.注意相对论中各种效应都是相互的.例如，一把尺子相对地面高速运动时，地面上的观察者测量到尺子的长度变短.如果尺子在地面上不动,而观察者相对于地面高速运动，那么观察者测量到的尺子长度和观察者不运动时相比仍然是缩短的.时钟变慢的效应也有和“尺缩效应”一样的性质.6.注意“运动的尺子变短”只是在运动方向上变短，其他方向不变.【例1】 一只完全密封而不透明的船正在静水中匀速航行，船内的人能够感知船在运动吗？能够测量船的航行速度吗？如果船是加速航行呢？解析：如果船是真正的匀速航行，船内的人又无法以船外的物体为参考系，则无法感知船在运动，更不可能测量船的速度.这是伽利略相对性原理的要求.如果船是加速或减速航行，船内的人完全可以利用牛顿定律测量出船的加速度，但依然不能测量出船的瞬时速度.【例2】 根据相对论理论，一尺子相对参考系静止时长为L 0，当它以速度v 匀速运动时，参考系上的人测量该尺子的长度将变为：L=L 0221cv (c 是光在真空中的传播速度) (5－1)称之为长度收缩公式.如果一观察者测得运动着的米尺长0.5 m(米尺的静止长度为1 m)，问此尺以多大的速度接近观察者？解析：由L=L 0221cv -得： v=c 2021L L -=c 25.01-=0.87c=2.6×108 m/s. 【例3】 根据相对论理论,如果地球上的时钟走过了时间t ，那么，以速度v 相对地球运动的飞船上的时钟走过的时间t ′则为：t ′=t 221cv -(c 是光在真空中的传播速度) (5－2)通俗地说，就是运动的时钟变慢了. 设想飞船在甲乙两个相距8亿千米的星球间飞行，甲、乙两星球及飞船上各有一个巨大的钟，现飞船相对星球以0.75c(c 是真空中光速)的速度离开甲星球飞向乙星球，飞船经过甲星球时，三个钟均调整指到3：00整.问，当飞船飞过乙星球的瞬间，飞船内的人看到乙星球上的钟和飞船上的钟分别指向多少？解析：在乙星球的观察者看来，飞船飞越的时间为： t=811100.375.0108⨯⨯⨯ s ≈3600 s=1 h 所以，飞船内的人看到乙星球上的时钟指到4：00整.在飞船内的观察者看来，飞船飞越的时间t ′则为：t ′=t 221cv -=1×275.01-h=0.66 h ≈40 min 所以，飞船内的人看到飞船上的钟指到3：40.如果飞船上的人测量两星球间的距离，将是：L=L 0221cv -=8×1011×275.01- m=5.3×1011 m. 【例4】 一张宣传画5 m 见方，平行地贴于铁路旁边的墙上，一超高速列车以 2×108 m/s 的速度接近此宣传画，这张画由司机测量将成为什么样子？(利用5－1式)解析：注意，垂直速度方向的长度不变，仍然是 5 m ，运动方向上长度变短，即为：L=L 0221cv -=5×22321-m=3.7 m 所以，司机看到的画面尺寸为：5×3.7 m 2,即形状由正方形变成了长方形.。

教学设计第二节经典时空观与相对论时空观整体设计经典力学是在研究宏观物体的低速（与光速相比)运动时总结出来的，对于微观粒子和高速运动的宏观物体经典力学不适用。

当光的电磁本质被揭示出来以后，对光在空间的传播问题的研究和思考，引发了物理学的一场革命,导致了相对论的建立，改变了我们对时间和空间的认识.那么相对论给出的时空观是怎样的呢？教学难点经典时空观与相对论时空观的主要区别.教学重点1。

知道狭义相对论的实验基础、基本原理和主要结论。

知道同时的相对性、长度的相对性、时间间隔的相对性.2。

了解经典时空观与相对论时空观的主要区别。

体会相对论的建立对人类认识世界的影响.教学方法质疑探究、讨论课时安排1课时三维目标知识与技能1。

了解伽利略相对论原理，知道时空观与参考系的联系。

2。

了解经典时空观及其基本推论，知道牛顿引入绝对时空观的原因.3.了解狭义相对论的理论基础与狭义相对论时空观的几个推论，知道相对论时空观对人们认识世界的影响。

4。

知道经典时空观与相对论时空观的主要区别.过程与方法1.通过对参考系和运动的“讨论与交流"，认识惯性系的概念与伽利略相对性原理。

2.了解绝对时空观与实验事实的矛盾.3.通过了解爱因斯坦创立狭义相对论的过程，学习创立科学理论的基本方法--“提出假设”.4。

通过“讨论与交流”理解同时的相对性.5。

对比经典时空观的推论与相对论时空观的推论,认识经典时空观与相对论时空观的区别.情感态度与价值观1.通过“讨论与交流"活动,培养学生的独立思考能力、逻辑分析能力、口头表达能力和合作学习的精神。

2.通过了解时空观的变革，从中认识物理学的发展和变革，体会相对论对人类认识世界的影响,感受物理学的发展对推动社会的作用.3.感受科学家客观求实、理性追求、批判创新的精神和富有创造性的想象力，启发学生勇于质疑、富于想象，培养思维的多向性和发散性。

4。

通过了解时空观的变革，使学生认识到自然界是可以被人认识的，科学是认识自然最有效的途径,科学对自然界有解释和预见的功能，科学知识具有想对的稳定性并不断发展和进步，从过程的意义来看，科学的本质就是探究,是不断地追求真理和不断地修正错误，不断地创新。

教课资料范本2020春物理必修 2（粤教版）分层训练：第五章第二节经典时空观与相对论时空观含分析编辑： __________________时间： __________________A级抓基础1．对于经典力学的成立.以下说法中不正确的选项是()A．标记着近代自然科学的出生B．实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合C．确定了全部自然科学理论应有的基本特点D．成为量子力学的基础分析：经典力学实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合 .并提出了全部自然科学理论应有的基本特点 .形成了由实验到数学推导这类卓有成效的研究方法 .并与其余基础科学联合 .产生了一些交错性的分支科学 .经典力学以前推进了我们这个社会的巨大进步 .并仍会在相当长时间内指导我们的科学研究．答案： D2．牛顿把天体运动与地上物体的运动一致同来 .创办了经典力学．跟着近代物理学的发展 .科学实验发现了很多经典力学没法解说的事实 .对于经典力学的限制性.以下说法正确的选项是 ()A．火车加速后 .相关速度问题不可以用经典力学来办理B．因为经典力学有限制性.所以一般力学识题都用相对论来解决C．经典力学合用于宏观、低速运动的物体D．经典力学只合用于像地球和太阳那样大的宏观物体分析：火车加速后的速度仍旧远小于光速.相关速度问题仍旧能用经典力学来办理 .A 错误；相对论并无否认经典力学.而是在其基础上发展起来的 .有各自成立范围；经典力学是狭义相对论在低速v.c 条件下的近似 .所以经典力学包括于相对论之中.经典力学是相对论的特例.B 错误；经典力学合用于宏观、低速运动的物体.不只是合用于像地球和太阳那样大的宏观物体.像乒乓球、篮球、飞鸟等也能够使用.C 正确 .D 错误．答案： C3．对于经典力学理论 .下陈述法中正确的选项是 ()A．因为相对论、量子论的提出.经典力学已经失掉了它的意义B．经典力学在今日宽泛应用.它的正确性无可思疑 .还是广泛合用的C．经典力学在历史上起了巨大的作用.跟着物理学的发展而渐渐过时 .成为一种古老的理论D．经典力学在宏观低速运动中合用分析：经典力学和其余任何理论同样.有其自己的限制性和合用范围.但对于宏观低速物体的运动 .经典力学仍旧合用 .并仍将在它的合用范围内大放异彩 .所以 D 项正确．答案： D4．(多项选择 )对于相对论 .以下说法正确的选项是 ()A．依据狭义相对论 .物体运动的速度是能够大于光速的B．质量、长度的丈量结果都随物体与察看者的相对运动状态而改变C．依据爱因斯坦的相对论.我们以前所学的物理知识、规律都是错误的D．惯性系中的察看者察看一个与他做匀速相对运动的时钟时.会看到这个时钟比与他相对静止的时钟走得慢些分析：依据狭义相对论.物体运动的速度是不可以够超出光速的.A 错误；依据相对论 .质量、长度的丈量结果都随物体与察看者的相对运动状态而改变 .B 正确；我们以前所学的物理知识、规律在宏观低速时是合用的 .全部我们不可以够说以前所学的物理知识、规律都是错误的 .C 错误；动杆变短 .动钟变慢 .这是相对论洛伦兹变换的公式获得的 .D 正确．答案： BD5．(多项选择 )判断下边说法中正确的选项是()A ．“嫦娥三号”飞向月球的过程中从卫星上向前发出的光.对地速度必定比 c 大B．“嫦娥三号”飞向月球的过程中从卫星上向后发出的光.对地速度必定比 c 小C．“嫦娥三号”飞向月球的过程中从卫星上沿垂直于速度方向发出的光对地速度为cD．“嫦娥三号”飞向月球的过程中从卫星上向任一方向发出的光对地速度都为c分析：依据狭义相对论的基本假定——光速不变原理可知：真空中的光速相对于卫星的速度 c.相对于地面的速度也为 c.对不一样的惯性系是同样的 .所以 C、D 正确 .A、B 错误．答案： CDm06．(多项选择 )对于公式 m＝.以下说法中正确的选项是 ()v21－c2A．式中的 m0是物体以速度v 运动时的质量B．当物体的运动速度v>0 时 .物体的质量m>m0.即物体的质量改变了 .故经典力学不合用C．当物体以较小速度运动时 .质量变化十分轻微 .经典力学理论仍旧合用 .只有当物体以靠近光速运动时 .质量变化才显然 .故经典力学合用于低速运动 .而不合用于高速运动D．往常因为物体的运动速度较小.质量的变化我们没法觉察.故在剖析地球上物体的运动时.不用考虑质量的变化分析：公式中 m0是静止时的质量 .m 是物体以速度v 运动时的质量.选项 A 错误；由公式可知 .只有当 v 靠近光速时 .物体的质量变化才显然 .一般状况下物体的质量变化十分细小 .故经典力学仍旧合用 .应选项 B 错误 .选项 C、D 正确．答案： CD。

第5节 相对论时空观与牛顿力学的局限性1．相对论时空观(1)绝对时空观：时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的，也叫□01牛顿力学时空观。

(2)爱因斯坦假设：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是□02相同的；真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是□03相同的。

(3)相对论时空观：运动物体的长度(空间距离)和物理过程的快慢(时间进程)都跟物体的运动状态□04有关。

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 ，那么两者之间的关系是□05Δt ＝Δτ1－⎝ ⎛⎭⎪⎫v c2，由于1－⎝ ⎛⎭⎪⎫v c 2<1，所以总有Δt □06>Δτ。

②长度收缩效应：如果与杆相对静止的人测得杆长是l 0，沿着杆的方向，以v 相对杆运动的人测得杆长是l ，那么两者之间的关系是□07l ＝l 0 1－⎝ ⎛⎭⎪⎫v c 2，由于1－⎝ ⎛⎭⎪⎫v c 2<1，所以总有l □08<l 0。

2．牛顿力学的成就与局限性(1)牛顿力学的基础是□09牛顿运动定律，它在□10宏观、□11低速的领域里与实际相符合，但是物体在以□12接近光速运动时所遵从的规律，有些与牛顿力学的结论□13并不相同。

(2)电子、质子、中子等微观粒子不仅具有□14粒子性，同时还具有波动性，它们运动的规律在很多情况下不能用牛顿力学来说明，而□15量子力学能够很好地描述微观粒子运动的规律。

(3)当物体的运动速度远小于光速c 时(c ＝3×108m/s)时，相对论物理学与经典物理学的结论□16没有区别。

当另一个重要常数即普朗克常量h 可以忽略不计时(h ＝6.63×10－34 J·s)，量子力学和牛顿力学的结论□17没有区别。

相对论与量子力学都没有否定牛顿力学，而只认为牛顿力学是它们在一定条件下的特殊情形。