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5.3奇特的相对论效应5.4走近广义相对论5.5无穷的宇宙第5章新时空观的确立1.了解运动时钟延缓.(重点)2.了解长度效应收缩.(重点)3.了解爱因斯坦质量公式和质能方程.(重点)4.了解广义相对论的两个基本原理.(重点)5.了解宇宙的起源及演化.第5章新时空观的确立一、奇特的相对论效应1.运动时钟延缓在一个相对于我们做__________的惯性系中发生的物理过程，在我们看来，它所经历的时间比在这个惯性系中直接观测到的时间____.2.运动长度收缩爱因斯坦认为，长度的测量跟________的选择有关，如果某一惯性系相对于静止惯性系以速度v运动，在运动惯性系中测得的长度为L′，在静止惯性系中测得的长度为L，那么L总要比L′____一些，这种效应叫做运动__________或__________，这个效应显示了空间的________.高速运动长参考系短长度收缩尺缩效应相对性3.爱因斯坦质量公式爱因斯坦认为，牛顿力学中质量与速度无关，只是低速情况下的近似.实际上物体的质量随速度的增大而______.物体以速度v运动时的质量m跟它静止时的质量m0之间的关系为m＝m01－v2c2.增加4.质能关系狭义相对论的一个重要结论是：物体的质量跟它具有的______是相互联系的.爱因斯坦于1905年给出关系式__________，通常叫爱因斯坦的__________，在一个物理过程中，物体的质量发生了变化，其能量也相应发生变化，即满足关系式__________.二、走近广义相对论1.广义相对论的两个基本原理(1)在任何参考系中(包括惯性参考系)，物理______和______都是相同的，这一原理叫做________________.能量E＝mc2质能关系ΔE＝Δmc2过程规律广义相对性原理(2)一个均匀引力场与一个做加速运动的________等价.这一原理叫做__________.2.广义相对论的预言与证实(1)时空弯曲：广义相对论认为______不是直的，而是______或扭曲的，如果质量越大，时空弯曲的程度也就______.(2)光线弯曲：按照爱因斯坦的广义相对论，在引力场存在的情况下，光线是沿______的路径传播的，光线在引力场中弯曲的一个推论是__________效应.参考系等效原理时空弯曲越大弯曲引力透镜(3)引力红移：根据爱因斯坦广义相对论，在强引力场中，时钟要走得____.因此光在引力场中传播时，它的频率或波长会发生变化，计算表明，氢原子发射的光从太阳传播到地球时，频率要比地球上氢原子发射的光的频率低，这就是______________.三、无穷的宇宙1.宇宙的起源目前最有影响的是____________，它是由俄裔美国物理学家伽莫夫在1948年首先提出的.该理论认为，我们观察到的宇宙，产生于最初的一次大爆炸.那时宇宙的温度极高、密度极大、体积极小，伽莫夫根据大爆炸理论预言，作为爆炸的后果，宇宙慢引力红移效应大爆炸学说空间应该存在当时产生的微波辐射.20世纪60年代美国科学家威尔逊和彭齐亚斯在一次实验中意外接收到一种来自空间的一种微波噪声，被认为是一百多亿年前的宇宙存留到今天的遗迹.为此他们获得了1978年的诺贝尔物理学奖.2.宇宙的演化1929年，美国天文学家哈勃用望远镜对远距离星云进行观测时，发现那些存在“红移”现象的恒星正在离我们远去，也说明星系系统处于一种______状态.在宇宙演化过程中，______是恒星演化的结果.膨胀黑洞狭义相对论的几个主要效应的理解1.时间延缓的理解如图所示，K′系中，A′处有闪光光源及时钟C′.M′为反射镜，K′系相对K系以速度u向右运动.第一事件：闪光从A′发出；第二件事：经反射返回A′.K′系中Δt＝2dc；K系中Δt＝2lc＝2cd2＋uΔt22；解之，可得Δt＝Δt′1－u2c2.可见，在运动参考系中观测，事物变化过程的时间间隔变大了，这叫做狭义相对论中的时间膨胀(动钟变慢).时间延缓效应的理解：(1)时间延缓效应的来源是光速不变原理；(2)时间延缓效应是时空的一种属性；在运动参考系中的时间节奏变缓慢了(一切物理过程、化学过程、乃至观察者自己的生命节奏变慢了).(3)运动是相对的；固有时间：在某个参考系中，同一地点先后发生了两个事件，用固定在该参考系中的钟来测定两事件的时间间隔称为两事件的静止时间或固有时间，也称原时.(4)日常生活中的时间延缓效应可以忽略，在运动速度接近光速时，则变得特别重要.2.长度相对性的理解观察者与被测物体有相对运动时，长度的测量值等于其原长的1－u2c2倍，即物体沿运动方向缩短了，这就是洛伦兹收缩(长度缩短).(1)观察运动的物体其长度要收缩，收缩只出现在运动方向.固有长度值最大.如图所示.(2)低速空间相对论效应可忽略.(3)长度收缩是相对的，K系认为静止在K′系中的尺收缩，反之，K′系认为静止在K系中的尺收缩.3.相对质量和质能方程的理解(1)相对质量物体以速度v运动时的质量m与静止时的质量m0之间有如下关系m＝m01－vc2.理解这个公式时请注意：①式中m0是物体静止时的质量(也称为静质量)，m是物体以速度v运动时的质量.这个关系式称为相对论质速关系，它表明物体的质量会随速度的增大而增大.②v≪c时，近似地认为m＝m0.③当微观粒子的运动速度很高时，它的质量明显地大于静止质量，例如回旋加速器中被加速的粒子质量会变大，导致做圆周运动周期变大，它的运动与加在D形盒上的交变电压不再同步，回旋加速器的加速能量因此受到了限制.(2)质能方程爱因斯坦质能方程E＝mc2＝m0c21－vc2.理解这个公式时请注意：①质能方程表达了物体的质量和它所具有的能量的关系：一定的质量总是和一定的能量相对应.②静止物体的能量为E0＝m0c2，这种能量叫做物体的静质能，每个有静质量的物体都具有静质能.③对于一个以速率v运动的物体，其动能Ek＝E－E0＝mc2－m0c2.④物体的总能量为动能与静质能之和，即E＝Ek＋E0＝mc2(m为动质量).⑤由质能方程可知ΔE＝Δmc2.⑥相对论能量、质能关系物体的总能量：E＝Ek＋m0c2＝mc2其中m0c2称为静质能.质能关系：m＝Ec2物理意义：对于相应能量E有相应质量m.推广：ΔE＝Δmc2.长度测量与被测物体相对于观察者的运动有关，物体在运动方向长度缩短了.一艘宇宙飞船的船身长度为l0＝90m，相对地面以u＝0.8c的速度从一观测站的上空飞过.(1)观测站测得飞船的船身通过观测站的时间间隔是多少？(2)宇航员测得船身通过观测站的时间间隔是多少？[思路点拨]利用长度和时间的相对性求解.[解析](1)观测站测得船身的长度为l＝l01－u2c2＝901－0.82m＝54m，通过观测站的时间间隔为Δt＝lu＝540.8cs＝2.25×10－7s.(2)宇航员测得飞船船身通过观测站的时间间隔为Δt′＝l0u＝900.8cs＝3.75×10－7s.[答案](1)2.25×10－7s(2)3.75×10－7s(1)熟记狭义相对论的几个结论是解答此类问题的关键.(2)应用相对论的关键是理解“相对性”的几个方面，如时间相对性和空间相对性.1.假设，有一太空船以0.8c的速度飞越“月球太空站”.一科学家在月球上量得运动中的太空船长度为200m，此太空船最后在月球上登陆，此科学家再度测量静止的太空船的长度，他测量的结果如何？解析：在月球上测得运动的飞船的长度为l，静止的飞船长度为l0，依据狭义相对论的长度收缩效应，有l＝l01－vc2，所以l0＝lcc2－v2＝200cc2－0.82c2m≈333m.答案：333m对广义相对论的进一步认识1.狭义相对论无法解决的问题(1)万有引力理论无法纳入狭义相对论的框架.(2)惯性参考系在狭义相对论中具有特殊的地位.2.广义相对论的基本原理(1)广义相对性原理：爱因斯坦把狭义相对性原理从匀速和静止参考系推广到做加速运动的参考系，认为所有的参考系都是平权的，不论它们是惯性系还是非惯性系，对于描述物理现象来说都是平等的.(2)等效原理：在物理学上，一个均匀的引力场等效于一个做匀加速运动的参考系.3.广义相对论的时空结构加速参考系中出现的惯性力等效于引力，引力的出现对时空的影响，也就等效于加速参考系中的时空结构，通过对转动大圆盘的研究，得出如下结论：(1)引力场中，时钟变慢，引力场越强，时钟变慢越甚，这就是引力的存在对时间的影响.(2)引力的存在会使空间变形，在引力方向上，空间间隔不变，在与引力垂直的方向上，空间间隔变短(直尺变短)，发生了弯曲；引力越强的地方，这种效应越明显.引力场是由质量不为零的物质产生的，引力使时空发生变化，也就是物质的存在使时间的流逝和空间的大小发生变化，广义相对论的时空结构认为时间和空间不仅与参考系有关，还与物质的运动和分布有关，在密度越大，质量越大处时空弯曲越严重.4.广义相对论的实验检验(1)水星近日点的进动；(2)光线在引力场中的弯曲；(3)引力红移.(多选)下列说法中正确的是()A.在任何参考系中，物理规律都是相同的，这就是广义相对性原理B.在不同的参考系中，物理规律都是不同的，例如牛顿定律仅适用于惯性参考系C.一个均匀的引力场与一个做匀速运动的参考系等价，这就是著名的等效原理D.一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价，这就是著名的等效原理[解析]根据广义相对性原理和等效原理可知，选项A、D正确，C错误；根据狭义相对论两个基本假设可知，选项B错误.[答案]AD(1)广义相对论原理与狭义相对论原理并不相同，狭义相对论原理仅适用于惯性系，而广义相对性原理适用于一切参考系.(2)狭义相对论中时间进程变慢，是由参考系不同造成，广义相对论中时间进程变慢，是由引力场造成.2.(多选)以下说法中，错误的是()A.矮星表面的引力很强B.时钟在引力场弱的地方比在引力场强的地方走得快些C.在引力场越弱的地方，物体长度越长D.在引力场强的地方，光谱线向绿端偏移解析：选CD.因矮星体积很小，质量却不小，所以矮星表面引力很强，故选项A正确；根据广义相对论的结论可知，引力场越强，时间进程越慢，故选项B正确，C错误；在引力场强的地方光谱线向红端偏移称为“引力红移”，故选项D错误.质能方程的应用一个电子被电压为106V的电场加速后，其质量为多少？速率为多大？[解析]Ek＝eU＝1.6×10－19×106J＝1.6×10－13JEk＝mc2－m0c2，m＝Ekc2＋m0＝1.6×10－13（3×108）2kg＋9.1×10－31kg≈2.69×10－30kg.由m＝m01－v2c2得v＝c1－m20m2＝2.82×108m·s－1≈0.94c.[答案]2.69×10－30kg0.94c(1)质能方程E＝mc2，反映了物体的质量和能量之间的关系.物体运动的动能Ek为运动时能量E和静止时能量E0之差，即Ek＝E－E0.(2)根据相对论质量公式，爱因斯坦质能方程变为E＝mc2＝m0c21－vc2.当物体低速运动时，vc≪1，则E＝m0c21－vc2≈m0c21＋12vc2.