相对论的诞生
教科版(2019)高中物理必修第二册5-2 相对论时空观简介 课件
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）。
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
所以闪光是同时到达前后壁的（如图）。
在台上观测，由于底面是惯性系，所以闪光时先到达
后壁而后到达前壁，不是同时发生的（如图）。
（二）运动时钟变慢（时间间隔的相对性）
在相对地面以高速v匀速运动的火车内的观察者，测得两个事
件先后发生的时间间隔为Δτ，则在地面上的观察者测得的时间间
隔为Δt。则Δτ和Δt之间的关系为：
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。
二、狭义相对论
（一）同时的相对性
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，而是一先一后发生的。
思考：同时为什么是相对的？
讨论交流
假设一列火车在平直的轨道上以很高的速度u匀速驶过站台，在车厢的正
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。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解决了天文学上的百
人教版选修3-4 15.1 相对论的诞生 时间和空间的相对性 教案
图示是目前世界上最为豪华的游轮之一。
如果游轮在平静的海面上匀速前行,而你在游轮最底部的船舱内,看不到外面的大海和任何游轮之外的物体,你有什么方法能够得知轮船是在海面上匀速前进还是静止?是的,在轮船没有加速度时,由于我们没有参考系(在船舱底部),所以无法判断轮船到底是匀速前进还是静止,只有具有加速度时我们才能够判断。
对于惯性参考系来讲,一切物理规律都是等价的,只是它们的初始状态不同,这就是相对论的开始。
怎么样?相对论没有你想象的那么难吧!课时15.1相对论的诞生时间和空间的相对性1.了解经典相对性的原理。
2.知道狭义相对论的实验基础,知道狭义相对论关于时空相对性的主要结论。
3.了解狭义相对论的两个基本假设。
通过实例,了解时间和空间的相对性,体会相对论时空观与低速世界情景的差异。
4.了解经典时空观与相对论时空观的主要区别,体会相对论时空观的建立对人类认识世界的影响。
重点难点:狭义相对论的基本假设,长度与时间间隔的相对性。
教学建议:通过本节的学习,了解面对迈克耳孙—莫雷实验的结果,爱因斯坦通过否定以太的存在,同时否定了牛顿力学的绝对空间和绝对时间。
了解狭义相对论的两个基本假设,同时以这两个原理为基础,通过对一些简单现象的分析和逻辑推理,得到“同时”的相对性与时间间隔的相对性。
导入新课:1994年初,一架意大利客机在非洲河岸上空飞行,突然,客机从地面控制室的雷达屏幕上消失了。
正当机场工作人员焦急万分之际,客机又在原来的空域出现,雷达又追踪到了客机的信号,最后,这架客机安全降落在意大利内地机场。
对此现象专家们认为,唯一的解释是在“失踪”的一刹那,时间“静止”不动了,或者说出现了时光倒流。
同学们,时光真的会倒流吗?1.相对论的诞生(1)经典相对性的原理:力学规律在任何①惯性系中都是相同的。
(2)狭义相对论的两个基本假设狭义相对性原理:在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是②相同的。
光速不变原理:真空中的光速在不同的惯性参考系中都是③相同的,光速与光源、观察者间的④相对运动没有关系。
从牛顿到爱因斯坦揭开相对论的面纱
从牛顿到爱因斯坦揭开相对论的面纱爱因斯坦是20世纪最伟大的科学家之一，他的相对论理论彻底改变了我们对时间、空间和物质的认识。
然而，在爱因斯坦之前，还有一个科学巨人——牛顿，他的经典力学为相对论的发展奠定了基础。
本文将带领读者了解从牛顿到爱因斯坦的科学旅程，揭开相对论的面纱。
1. 牛顿力学的奠基众所周知，牛顿是物理学的奠基人之一。
他的三大定律：惯性定律、牛顿第二定律和作用-反作用定律，构建了经典力学的基本框架。
牛顿力学在描述天体运动、机械物体的运动以及其他日常现象方面非常成功。
然而，牛顿力学无法解释光在真空中的传播以及高速运动体的行为，这为爱因斯坦的相对论理论的诞生创造了机会。
2. 爱因斯坦的相对论思想爱因斯坦在狭义相对论和广义相对论两方面做出了开创性贡献。
狭义相对论主要探讨的是高速相对运动下的时空关系，提出了著名的相对论性质能量公式E=mc²，并阐述了尺缩效应和时间膨胀效应等相对论效应。
广义相对论则进一步扩展了狭义相对论的观点，将引力看作是时空弯曲的结果，提出了曲率引力方程，成功解释了水星近日点进动等多个实验验证。
3. 实验验证与科学共识相对论理论的提出需要实验验证来验证其准确性。
光的干涉实验、测量光速的迈克尔逊-莫雷实验等实验证据为相对论打下坚实的基础。
此外，引力波的探测和日食观测等也进一步证实了爱因斯坦的理论。
科学界逐渐形成共识，相对论成为现代物理学的重要基石。
4. 相对论的影响与应用相对论不仅在理论物理学中有着重要地位，也为现代技术的发展做出了贡献。
相对论对GPS导航系统的精确定位起到了关键作用，也对粒子加速器、核裂变等领域产生了重大影响。
此外，相对论的思想也渗透到哲学、文学等领域，引发了广泛的思考和探索。
5. 相对论的局限性和未来的发展尽管相对论在解释各类经典实验上具有高度准确性，但它仍有一些局限性。
比如，相对论无法与量子力学进行统一，无法解释黑洞内部的奇点等问题。
这些问题成为了现代物理学研究中的难题，也催生了超弦理论等新的物理学理论的提出。
细节成功的名人例子
细节成功的名人例子
以下是几个细节成功的名人例子：
1. 牛顿：苹果的故事
牛顿坐在苹果树下思考行星绕日运动的原因，一只苹果落下来，他因此发现了万有引力定律。
这个故事告诉我们，有时候，一个看似微不足道的细节，也能成为你成功的关键。
2. 爱因斯坦：相对论的诞生
爱因斯坦在思考相对论的过程中，曾经在一个火车站台上等待火车的时间里，反复思考和计算。
最终，他得出了震惊世界的相对论公式。
这个故事告诉我们，成功有时候来自于你如何利用每一个时间片段，哪怕是很短的时间。
3. 贝多芬：月光曲的创作
贝多芬在创作月光曲的过程中，曾经在月光下散步，思考如何将月光的美妙感觉融入到音乐中。
最终，他成功地将月光的美妙感觉融入到了他的音乐中，创作出了著名的月光曲。
这个故事告诉我们，有时候，成功的细节来自于你对周围环境的感受和思考。
4. 乔布斯：苹果公司的创立
乔布斯在苹果公司的创立过程中，曾经注重每一个细节，从产品的设计到包装的样式，他都亲自参与。
最终，苹果公司成为了全球最有影响力的科技公司之一。
这个故事告诉我们，成功有时候来自于你对细节的注重和追求。
(人教)高中物理选修34课件：15.12相对论的诞生 时间和空间的相对性
都是_一__样__的___．
(2)两个基本假设
狭义相对性 在不同的_惯__性___参考系中，一切
原理
物理规律都是_相__同___的
光速不变原 真空中的光速在不同的惯性参考
理
系中都是_相__同___的
二、时间和空间的相对性 1．“同时”的相对性 在经典物理学上，如果两个事件在一个参考系中认为是同 时的，在另一个参考系中一定也是同时的；而根据爱因斯坦的 两个假设，同时是_相__对___的． 2．长度的相对性 (1)经典物理学认为，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)如果与杆相对静止人认为杆长是 L0，与杆相对运动的 人认为杆长是 L，则两者之间的关系为 L＝L0 1－vc2.
(3)一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的 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)相对论的时空观：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． 设 Δτ 表示相对事件发生地静止的惯性系中观测的时间间 隔，Δt 表示相对事件发生地以 v 高速运动的参考系中观察同样
A．飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为 1.5c B．飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为 0.5c C．在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是 c D．在地面上任何地方的观察者看到的光速都是 c
解析： 答案： CD
样理解“动尺变短”和“动钟变慢” 1．怎样理解“动尺变短”？ 狭义相对论中的长度公式：l＝l0 1－vc2中，l0 是相对于 杆静止的观察者测出的杆的长度，而 l 可以认为是杆沿自己的长 度方向以速度 v 运动时，静止的观察者测量的长度．还可以认 为是杆不动，而观察者沿杆的长度方向以速度 v 运动时测出的 杆的长度．
相对论的发现过程
相对论的发现过程引言相对论是物理学中一项重要的理论，对于我们对于时间、空间和能量的理解产生了深远的影响。
相对论的发现过程涉及到众多科学家的研究和贡献，本文将从最早的思考开始，逐步介绍相对论的发现过程。
1.特殊相对论的先驱1.1爱因斯坦与光速不变原理爱因斯坦是相对论的奠基人之一。
在19世纪末，他开始思考光的性质和传播方式，并提出了光速不变原理，即光速在任何参考系中都是恒定的。
这个假设推翻了牛顿时代的经典观念，成为后来相对论发展的重要基石。
1.2迈克尔逊莫雷实验为了验证光速不变原理，迈克尔逊和莫雷进行了一系列的实验。
他们使用干涉仪测量了不同方向上的光速，然而结果却出乎意料地显示光速并未受到地球运动的影响。
这个实验引起了广泛的关注，为后来相对论的发展奠定了基础。
2.狭义相对论的诞生2.1爱因斯坦的特殊相对论1905年，爱因斯坦发表了他的特殊相对论理论。
在这一理论中，他提出了两个重要的假设：光速不变原理和等效性原理。
他将时间和空间视为相对的概念，并引入了著名的洛伦兹变换，解释了运动物体在不同参考系下的观测结果。
2.2麦克斯韦方程与狭义相对论爱因斯坦的特殊相对论与当时已经建立起来的麦克斯韦方程组是一致的。
麦克斯韦方程预言了电磁波的存在，并且揭示了光速的固定值。
特殊相对论将光速不变原理与麦克斯韦方程联系在一起，形成了一个统一而完整的理论框架。
3.广义相对论的发展3.1引力场和等效原理爱因斯坦进一步深化了他的思考，开始探索引力场与物质的关系。
他提出了等效原理，即质量和引力场之间存在一种等效关系。
这个思想为后来广义相对论的建立打下了基础。
3.2弯曲时空与爱因斯坦场方程1915年，爱因斯坦最终完成了他的广义相对论理论。
在广义相对论中，他认为引力是由于物体在时空中造成的弯曲效应所产生的，并通过张量分析建立了著名的爱因斯坦场方程。
这一理论解释了离心力、引力透镜效应以及黑洞等现象，并成功预测了水星轨道的进动。
结论相对论的发现过程是一个漫长而复杂的历程，涉及到众多科学家的研究和努力。
相对论的诞生PPT
当时人们为了解决这个困难，提出了三 种可能： （1）麦克斯韦电磁理论有错，正确的电磁 方程组应满足伽利略不变性。 （2）牛顿力学与麦克斯韦电磁理论都对， 但麦克斯韦电磁理论只在某一特殊的惯 性系成立。 （3）牛顿力学与伽利略变换不对，应存 在某种变换，麦克斯韦电磁理论在这种 新的变换下具有不变性。这意味着经典 牛顿力学要作修改，修改后的力学方程 在新的变换下具有不变性。
第十五章 相对论简介
15.1 相对论的诞生
一、问题的提出
• 如果有人对你说：“你头脑 中的一些概念是不科学的．” 你相信吗？
一、问题的提出
• 人们头脑中的概念从科学性 来讲，可以分为两类：第一 类是科学的：第二类是经验 的，但不是科学的．
一、问题的提出
• 请问： • 1、标准尺的长度静止时和运 动时的长度是一样吗？ • 2标准钟的快慢运动时和静止 时是一样吗？在高山顶和山 谷是一样吗？
对两个基本原理的正确理解
①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； ②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 ③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。
相对论的时空观念与人 们固有的时空观念差别 很大，很难被普通人所 理解。人们都称赞爱因 斯坦伟大，但又常常弄 不懂这伟大的内容。这 使人们想起英国诗人波 谱歌颂牛顿的诗句:
麦克尔逊莫 雷 实 验
任何参照系中测得的光在真空的速 率都应该是一样的． 这一结论还特别为后来的很多精确 的实验所证实，最著名的是1887年 迈克尔逊和莫雷所做的实验。它们 都明确无误地证明光速的测量结果 与光源和测量者的相对运动无关， 亦即与参照系无关。
可见光和电磁波的运动不服从伽利 略相对原理.
人类历史上的重大科学发现
人类历史上的重大科学发现人类历史上的重大科学发现人类历史上的重大科学发现，是我们进步和文明发展的重要基石。
这些发现深刻地改变了我们对世界的认识，推动了科学技术的飞速发展。
本文将介绍几个人类历史上的重大科学发现，展示了人类智慧的伟大成果。
1. 相对论的诞生相对论的诞生是人类历史上的一大突破。
1905年，爱因斯坦提出了狭义相对论，认为时间和空间是相对的，与观察者的运动状态有关。
他还建立了著名的质能关系公式E=mc²，揭示了质量与能量之间的等价关系。
这一重大发现引领着物理学的新方向，为原子核能的开发和应用奠定了理论基础。
2. DNA双螺旋结构的发现1953年，詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克发现了DNA的双螺旋结构，这是生命起源和进化的基础。
他们的发现解释了遗传信息的传递和复制机制，为后来的基因工程和遗传疾病的研究提供了重要依据。
DNA的发现揭示了生命的奥秘，也开启了生物科学的新篇章。
3. 量子力学的提出量子力学的提出彻底颠覆了经典物理学的观念，引领了新的时代。
20世纪初，量子力学的奠基人之一马克斯·普朗克提出了能量量子化的概念，后来由波尔和薛定谔等人进一步发展。
量子力学揭示了微观世界的奇妙现象，如波粒二象性、不确定性原理等，为微观领域的研究提供了全新的理论框架。
4. 化学元素周期表的创立化学元素周期表的创立是化学史上的一大里程碑。
1869年，俄国化学家门捷列夫发现了元素周期律，整理出了一张包含了所有元素的分类表。
这张表的发现，不仅极大地简化了化学研究，还揭示了元素之间的规律和关系，为化学的发展和应用带来了深远影响。
5. 地球自转与公转的证明人类历史上最早的重大科学发现之一，是地球自转与公转的证明。
古希腊著名天文学家亚里士多德在公元前4世纪提出了地心说，即认为地球是宇宙的中心。
然而，16世纪时，哥白尼提出了地日说，即地球绕太阳运动的学说。
这一理论经过科学推理和观测验证，被证明是正确的，深刻改变了人类对宇宙的认识。
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第十五章相对论简介
学习目标：
1、理解经典的相对性原理。
2、理解狭义相对论的两个基本假说。
3、理解同时性的相对性。
4、知道时间间隔的相对性和长度的相对性。
5、知道爱因斯坦质能方程。
6、知道广义相对论原理和等效原理。
7、知道光线在引力场中的弯曲及其验证。
新课教学：
活动一、阅读课本96—98页，了解下列基本知识点
1、经典的相对性原理
（1）惯性系：
（2）伽利略相对性原理：
2、相对性原理与电磁规律
3、狭义相对论的两个假设
（1）爱因斯坦相对性原理：
（2）光速不变原理：
即时训练：根据你的理解，你认为下列哪些观点是正确的是（）
Ａ、在经典力学中，物体的质量是不随物体运动状态而改变的
Ｂ、以牛顿运动定律为基础的经典力学理论具有局限性，它只适用于低速运动，不适用于高速运动；
只适用于宏观世界，不适用于微观世界
Ｃ、相对论与量子力学的出现否定了经典力学理论
Ｄ、伽理略的“自然数学化”的方法和牛顿的“归纳演绎法”是经典力学方法的典型
活动二：阅读课本98—103页，知道时间和空间的相对性
1、“同时”的相对性
2、长度的相对性
3、时间间隔的相对性
即时训练：用相对论的观点判断下列说法是否正确（）
A、时间和空间都是绝对的，在任何参考系中一个事件发生的时间和一个物体的长度总不会改变
B、在地面上的人看来，以10km/s的速度运动的飞船中的时钟回变快，但是飞船中的宇航员却看到
时钟可能是正确的
C、在地面上的人看来，以10km/s的速度运动的飞船在运动方向上会变窄，而飞船中的宇航员却感
到地面上的人看起来比飞船中的人扁一些
D、当物体运动的速度v<<c，“时间膨胀”和“长度收缩”效果可忽略不计
活动三：阅读课本105—106页，了解狭义相对论的其他结论1、相对论质量
2、质能方程
活动四：阅读课本107—109页，了解广义相对论简介
1、超越狭义相对论的思考
狭义相对论是之间的理论。
2、广义相对论原理和等效原理
（1）广义相对论原理
（2）等效原理
3、广义相对论的几个结论
（1）物质的引力使光线弯曲
（2）引力红移
即时训练：下列说法正确的是（）
A、万有引力可以用狭义相对论作出正确的解释
B、电磁力可以用狭义相对论作出正确的解释
C、狭义相对论是惯性参考系之间的理论
D、万有引力理论无法纳入狭义相对论的框架。