相對論時空觀簡介 教案 高中物理新教科版必修第二冊（2022-2023學年）

相對論時空觀簡介

【教學目標】

1.了解相對論的誕生及發(fā)展歷程。

2.理解狹義相對論中時間和空間的相對性。

3.了解廣義相對性原理和等效原理。

4.初步認識狹義相對論和廣義相對論的內(nèi)容和基本原理。

【教學重難點】

1.通過本節(jié)內(nèi)容的學習，認識科學假設在科學發(fā)現(xiàn)上的重要作用，進一步理解邏輯推理的力量。

2.通過本節(jié)內(nèi)容的學習，激發(fā)探索宇宙奧秘的興趣，形成初步的相對論時空觀。

【教學過程】

一、導入新課

請同學們回憶一下什么是慣性系？什么是非慣性系？舉例說明。

牛頓運動定律能夠成立的參考系叫慣性系，勻速運動的汽車輪船等作為參考系就是慣性系。牛頓運動定

律不成立的參考系稱為非慣性系。例如我們坐在加速的車廂里，以車廂為參考系觀察路邊的樹木房屋向后方

加速運動，根據(jù)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。這里加速的車廂就是非慣性系。

師：很好，根據(jù)慣性系的概念，不難推出，相對于一個慣性系做勻速運動的另一個參考系也是慣性系。

二、新課學習

(-)相對論的誕生

教師引導學生探究一個簡單的力學問題：如圖，在列車車廂的光滑水平面上有一個質量為m=0.5kg的

小球，正隨車廂一起以20m∕s的速度勻速前進。現(xiàn)在給小球一個水平向前的F=5N的拉力作用，求經(jīng)IOs時，

車廂里的觀察者和地面的觀察者看到小球的速度分別是多少？

通過這個例子大家看到，在兩個慣性系中，雖然觀察到的結果并不相同，一個是IOmZS,另一個是30m∕s,

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，我們相信：力學規(guī)律在任何慣性系中都是相同

的。這就是伽利略相對性原理。在一個慣性參考系內(nèi)的任何力學實驗都無法判斷這個參考系是否相對于另一

個參考系做勻速運動或者說任何參考系都是平權的。(教師還可引導學生舉例說明相對性原理，并進行討論)

教師引導學生讀下圖，考慮幾個問題：

J,'ts,

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O,

(1)參考系0,相對于參考系O靜止時，人看到的光速應是多少？

(2)參考系O相對于參考系0以速度V向右運動，人看到的光速應是多少？

(3)參考系0,相對于參考系0以速度V向左運動，人看到的光速又是多少？

小結：不論光源和觀察者怎樣運動，光速都是相同的。這與我們從速度合成法則推導的結論發(fā)生了矛盾。

問題出在哪里呢？

過渡：這一矛盾，不僅對我們的推理給予否定，還對麥克斯韋電磁場理論(真空中的光速是一個常量，

在不同慣性參考系中應當有相同的值，這與經(jīng)典力學相矛盾。)提出了挑戰(zhàn)：要么否定特殊參考系0的存

在，要么放棄麥克斯韋電磁場理論。愛因斯坦選擇了后者，提出了兩條假設：

(1)對不同的慣性系，物理規(guī)律(包括力學的和電磁學的)都是一樣的；

(2)光在真空中運動的速度在任何慣性系中測得的數(shù)值都是相同的。

在這兩個基本假設的基礎上，愛因斯坦于1905年創(chuàng)立了狹義相對論。

教師啟發(fā)學生思考：為什么這兩個結論被稱為假設呢？根據(jù)這兩個假設，我們可以得出那些推論呢？

(二)狹義相對論

1.同時的相對性

同時是相對的，是指相隔一定距離發(fā)生的兩件事，在一個參考系中觀測是同時發(fā)生的，在相對于此參考

系運動的另一個參考系中觀測就可能不是同時，而是一先一后發(fā)生的。

思考：(1)同時為什么是相對的？

(2)假設一列火車在平直的軌道上以很高的速度U勻速駛過站臺，在車廂的正中放有一個閃光燈?，F(xiàn)

在使該燈發(fā)出一次閃光向周圍傳播。閃光照到車廂的前壁和后壁，是兩個事件。小麗和她的靜止在火車參考

系中的小伙伴們在車上觀測，小明和他的靜止在站臺參考系中的小伙伴們在站臺上觀測，他們認為這兩個事

件是同時發(fā)生的嗎？即閃光是同時到達前后壁的嗎？

【例1】利用愛因斯坦理想實驗說明同時的相對性。

解析：假設一列很長的火車在沿平直軌道飛快地勻速行駛，車廂中央有一個光源發(fā)出一個閃光，閃光照

到了車廂的前壁和后壁，這是兩個事件。車上的觀察者認為兩個事件是同時的，在他看來這很好接受，因為

車廂是個慣性系，光向前、向后傳播的速度相同，光源又在車廂的中央，閃光當然會同時到達前后兩壁。

車下的觀察者則不以為然，他觀測到，閃光先到達后壁，后到達前壁。他的解釋是：地面也是一個慣性

系，閃光向前、向后傳播的速度對地面也是相同的，但是在閃光飛向兩壁的過程中，車廂向前行進了一段距

離，所以向前的光傳播的路程長些，到達前壁的時刻也就晚些，這兩個事件不同時。

2.運動時鐘變慢（時間間隔的相對性）

（1）經(jīng)典的時空觀

某兩個事件，在不同的慣性系中觀察，它們的時間間隔總是相同的。

（2）相對論的時空觀

某兩個事件，在不同的慣性參考系中觀察，它們的時間間隔是不同的。

設?τ表示相對事件發(fā)生地靜止的慣性系中觀測的時間間隔，?t表示相對事件發(fā)生地以V調整運動的參

?r

考系中觀察同樣兩事件的時間間隔，則它們的關系是4=

同樣的兩件事，在它們發(fā)生于同一地點的參考系內(nèi)所經(jīng)歷的時間最短：在其他參考系內(nèi)觀測，這段時間

要長些。這一現(xiàn)象稱為時間的相對性，也稱為“動鐘變慢”。

【例2】一對攣生兄弟，出生后甲乘高速飛船去旅行，測量出自己飛行30年回到地面上，乙在地面上

生活，問甲回來時30歲，乙這時是多少歲？（已知飛船速度v=3c）

2

解析：已知飛船觀察者甲經(jīng)時間Aτ=30年，地面上的觀察者乙經(jīng)過時間為

可見甲的李生兄弟已經(jīng)60歲了。

3.長度的相對性

（1）經(jīng)典的時空觀

一條桿的長度不會因為觀察者是否與桿做相對運動而不同。

(2)相對論的時空觀

長度也具有相對性，一條沿自身長度方向運動的桿，其長度總比靜止時的長度小。設相對于桿靜止的觀

察者認為桿的長度為Io,與桿有相對運動的人認為桿的長度為1,桿相對于觀察者的速度為V,則1、1。、V的

關系是:

這就是狹義相對論的長度變換公式。它說明，一根尺子在運動時的長度總要比它靜止時的長度小

<1),這一現(xiàn)象常通俗地稱為“動尺收縮

［例3］假想在2015年，有一太空船以0.8c的美度飛向“月球太空站一科學家在月球上測量運動中

的太空船長度為200m,此太空船最后在月球上登陸,此科學家再度測量靜止的太空船的長度，測量的結果

如何？

解析：設在月球上測得運動的太空船的長度為1,靜止的太空船長度為Io,依據(jù)狹義相對論的長度收縮

效應有：

【討論交流】(1)如何認識“同時”的相對性？

(2)如何正確理解時間間隔的相對性？

(3)怎樣理解長度的相對性？

4.相對論質量和能量

(1)質能方程式

愛因斯坦的質能方程：E=mc2?

質量虧損Am與對應的能量變化ΔE之間的關系:AE=Amc。

(2)相對論質量

物體以高速V運動時的質量m與靜止時的質量I°之間的關系是m=,。此式中mo是V=O時

J/、2

物體的質量，稱為靜質量，它是不變的量。

5.相對論時空觀

狹義相對論的時間變換公式和長度變換公式說明，同一段時間或長度在不同的慣性系內(nèi)測得的結果是

不一樣的。這就是說，時間和空間的量度是與物體的運動有關的，是相對的。

運動物體的長度測量建立在必須同時進行觀測的基礎上，說明時間和空間的量度又是相互緊密聯(lián)系的。

經(jīng)典時空觀是相對論時空觀的特殊表現(xiàn)。在低速范圍內(nèi)，在廣泛的技術領域，建立在經(jīng)典時空觀的基礎

上的牛頓運動定律仍然成立。探索太空的宇宙航行能夠實現(xiàn)就是明證。

師：下面我們來看看經(jīng)典物理學的時空觀與相時論時空觀的差異。教師課件出示表格。

經(jīng)典時空觀相對論時空觀_______________________________

天然存在；一分一秒地流逝；與物質運動無

時間與物質存在與否及運動狀態(tài)有關

關_____________________________________

空間一個大盒子；物質運動的場所與物質存在與否及運動狀態(tài)有關______________

聯(lián)系二者脫離，沒有聯(lián)系，獨立存在物質、時間、空間是緊密聯(lián)系的統(tǒng)一體

適用范圍低速運動物體遵循經(jīng)典物理學規(guī)律更有普遍意義，廣泛適用_____________________

過渡：教師課件出示“人在舟中，閉牖而坐，舟行而人不覺?！奔皩鋱D，引導學生思考狹義相對論

所遇到的困難。

小結：狹義相對論的困難：困難之一是無法解釋慣性系的優(yōu)先地位；困難之二是萬有引力定律無法納入

相對論的體系。

(H)廣義相對論

教師引導學生說一說狹義相對論中無法解釋的幾個問題是什么？

生：狹義相對論無法解釋引力作用以什么速度傳遞；狹義相對論是慣性參考系之間的理論。為什么慣性

參考系有這樣特殊的地位？狹義相對論無法解釋。

師：愛因斯坦認真思考了以上問題，又向前邁進了一大步，把相對性原理推廣到包括非慣性系在內(nèi)的任

意參考系，提出了廣義相對性原理。

1.愛因斯坦有一個基本思想：自然界遵循的規(guī)律是統(tǒng)一的。

2.兩個基本假設

(1)廣義相對性原理：在任何參考系中，物理規(guī)律都是相同的。

(2)等效原理：一個均勻的引力場與一個做勻加速運動的參考系等價(如圖所示)。

3.廣義相對論誕生

(1)引力作用使光波發(fā)生頻移，從引力勢能低處發(fā)出的光波在引力勢能高處接收到時其頻率變低，發(fā)

生“紅移”；相反，從引力勢能高處向引力勢能低處發(fā)射光波，接收到的頻率變高，發(fā)生“藍移”。這已被地

面上精密的實驗證實。

(2)水星繞太陽運動的軌道與根據(jù)牛頓萬有引力定律計算所得的不一致，這是一個在天文學史上長達

百年的困惑。愛因斯坦用新建立的引力場方程取代了經(jīng)典的萬有引力定律，計算結果和實際觀測符合得很好

解決了天文學上的百年疑難。