（新課標(biāo)）2018-2019學(xué)年高考物理 3.2-3.3 相對論時空觀 宇宙的起源與演化學(xué)案.doc

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3.2　相對論時空觀 3.3　宇宙的起源與演化 學(xué)習(xí)目標(biāo) 核心凝煉 1.了解經(jīng)典的相對性原理。 2個基本假設(shè)——狹義相對性原理、光速不變原理 3個相對性——“同時”的相對性、長度的相對性、時間間隔的相對性 2.知道狹義相對論的兩個基本假設(shè)。 3.理解“同時”的相對性和長度的相對性。 4.了解宇宙的起源與演化。 一、經(jīng)典的相對性原理 1.慣性系：牛頓運(yùn)動定律能夠成立的參考系。相對一個慣性系做勻速直線運(yùn)動的另一個參考系也是慣性系。 2.伽利略相對性原理：力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的。 二、狹義相對論的兩個基本假設(shè) 1.狹義相對性原理：在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的。 2.光速不變原理：真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的。 三、時間和空間的相對性 1.“同時”的相對性 (1)經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為：如果兩個事件在一個參考系中是同時的，在另一個參考系中一定也是同時的。 (2)狹義相對論的時空觀認(rèn)為：同時是相對的，即在同一個參考系中不同地點同時發(fā)生的兩個事件，在另一個參考系中不一定是同時的。 2.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(yùn)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(yùn)動的桿，其長度總比靜止時的長度小。與桿相對靜止的人認(rèn)為桿長為l0，與桿相對運(yùn)動的人認(rèn)為桿長是l，那么兩者之間的關(guān)系是l＝l0。 3.時間間隔的相對性 (1)經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為：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(shè)Δτ表示相對事件發(fā)生地靜止的慣性系中觀測的兩事件的時間間隔，Δt表示相對事件發(fā)生地以速度v高速運(yùn)動的參考系中觀測的同樣兩事件的時間間隔，則它們的關(guān)系是Δt＝。 4.相對論時空觀 (1)經(jīng)典時空觀：空間和時間是脫離物質(zhì)存在的，是絕對的，空間和時間之間也是沒有聯(lián)系的。 (2)相對論時空觀：空間和時間與物質(zhì)的運(yùn)動狀態(tài)有關(guān)。 [理解概念] 判斷下列說法是否正確。 (1)一根桿的長度不會因為觀察者是否與桿做相對運(yùn)動而不同，這是經(jīng)典物理學(xué)家的觀點。(√) (2)一根桿的長度靜止時為l0，不管桿如何運(yùn)動，桿的長度均小于l0。() (3)“動鐘變慢”是時鐘的精度因運(yùn)動而發(fā)生了變化。() (4)長度、時間的測量結(jié)果會隨物體與觀察者的相對運(yùn)動狀態(tài)的改變而改變。(√) (5)高速運(yùn)動的飛船中的宇航員發(fā)現(xiàn)地面的時鐘變慢了。(√) (6)地面上的人認(rèn)為兩個事件同時發(fā)生，而高速運(yùn)動的飛船中的宇航員卻不這么認(rèn)為。(√) 四、宇宙及恒星的演化 1.宇宙演化 根據(jù)大爆炸理論，在宇宙形成之初是“粒子家族”盡顯風(fēng)采的時期。在大爆炸之后逐漸形成了夸克、輕子和膠子等粒子，隨后經(jīng)過強(qiáng)子時代、輕子時代、核合成時代。繼續(xù)冷卻，質(zhì)子、電子、原子等與光子分離而逐步組成恒星和星系。 2.恒星的演化 (1)恒星的形成：大爆炸后，在萬有引力作用下形成星云團(tuán)，進(jìn)一步凝聚使引力勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能，溫度升高，直到發(fā)光，于是恒星誕生了。 (2)恒星演變：核聚變反應(yīng)，層級遞進(jìn)地在恒星內(nèi)發(fā)生，直到各種熱核反應(yīng)不再發(fā)生時，恒星的中心密度達(dá)到極大。 (3)恒星歸宿：恒星最后的歸宿有三種，它們是白矮星、中子星、黑洞。 　經(jīng)典的相對性原理及狹義相對論的兩個基本假設(shè) [觀察探究] 如圖1所示，結(jié)合狹義相對論考慮幾個問題： 圖1 (1)參考系O′相對于參考系O靜止時，人看到的光速應(yīng)是多少？ (2)參考系O′相對于參考系O以速度v向右運(yùn)動，人看到的光速應(yīng)是多少？ (3)參考系O′相對于參考系O以速度v向左運(yùn)動，人看到的光速又是多少？ 答案　根據(jù)速度合成法則，第一種情況人看到的光速應(yīng)是c，第二種情況應(yīng)是c－v，第三種情況應(yīng)是c＋v，而根據(jù)狹義相對論理論，光速是不變的，都應(yīng)是c。 [探究歸納]　 應(yīng)用狹義相對論的幾點注意 (1)慣性系與非慣性系的確定：我們通常選取大地為慣性系，相對于地面靜止或做勻速運(yùn)動的物體都是慣性參考系，相對于地面做變速運(yùn)動的物體都是非慣性參考系。 (2)光的傳播速度與慣性系的選取無關(guān)。在任何情況下，真空中的光速都是c。 (3)力學(xué)規(guī)律相對于慣性系來說都是相同的。 [試題案例] [例1] (多選)關(guān)于狹義相對論，下列說法正確的是(　　) A.狹義相對論認(rèn)為在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的 B.狹義相對論認(rèn)為在一切慣性系中，光在真空中的速度都等于c，與光源的運(yùn)動無關(guān) C.狹義相對論只涉及無加速度運(yùn)動的慣性系 D.狹義相對論任何情況下都適用 解析　根據(jù)狹義相對論的基本假設(shè)可知，選項A、B正確；狹義相對論只涉及慣性參考系，不涉及非慣性參考系，選項D錯誤，C正確。 答案　ABC [針對訓(xùn)練1] (多選)根據(jù)伽利略相對性原理，可以得到下列哪些結(jié)論(　　) A.力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的 B.同一力學(xué)規(guī)律在不同的慣性系中可能不同 C.在一個慣性參考系里不能用力學(xué)實驗判斷該參考系是否做勻速直線運(yùn)動 D.在一個慣性參考系里可以用力學(xué)實驗判斷該參考系是否做勻速直線運(yùn)動 解析　由伽利略相對性原理可知A、C正確。 答案　AC 　時間和空間的相對性 [探究歸納]　 狹義相對論中的主要效應(yīng) (1)長度收縮效應(yīng)：運(yùn)動長度l會收縮，即l＝l0。 (2)時間延緩效應(yīng)：運(yùn)動時鐘會變慢，即Δt＝。 [試題案例] [例2] 地面上長100 km的鐵路上空有一火箭沿鐵路方向以30 km/s的速度掠過，則火箭上的人看到鐵路的長度應(yīng)該為多少？如果火箭的速度達(dá)到0.6c，則火箭上的人看到的鐵路的長度又是多少？ 解析　當(dāng)火箭速度較低時，長度基本不變，還是100 km。 當(dāng)火箭的速度達(dá)到0.6c時，由相對論長度公式 l＝l0 ， 代入相應(yīng)的數(shù)據(jù)解得l＝100 km＝80 km 答案　100 km　80 km 由公式l＝l0知，相對于地面以速度v運(yùn)動的物體，從地面上看，沿著運(yùn)動方向上的長度變短了，速度越大，變短得越多。 兩種情況： (1)在垂直于運(yùn)動方向不發(fā)生長度收縮效應(yīng)現(xiàn)象。 (2)我們平常觀察不到這種長度收縮效應(yīng)，是因為我們生活在比光速低得多的低速世界里，長度收縮效應(yīng)極不明顯，即使運(yùn)動物體的速度達(dá)到v＝30 000 km/s(即0.1c)，長度收縮效應(yīng)也只不過是5%，因此，在低速運(yùn)動中，v?c，l≈l0，長度收縮效應(yīng)可忽略不計。 [例3] A、B兩火箭沿同一方向高速飛過地面上的某處，vA＞vB，在火箭A上的人觀察到的結(jié)果正確的是(　　) A.火箭A上的時鐘走得最快 B.地面上的時鐘走得最快 C.火箭B上的時鐘走得最快 D.火箭B上的時鐘走得最慢 解析　在火箭A上的人看來，地面和火箭B都高速遠(yuǎn)離自己，由Δt＝知，在火箭A上的人觀察到的結(jié)果是地面和火箭B上的時鐘都變慢了，且vA＞vB，故地面的時鐘最慢，因此A正確，B、C、D錯誤。 答案　A 運(yùn)動的時鐘變慢Δt＝的理解 (1)時間延緩效應(yīng)是時空的一種屬性：在運(yùn)動參考系中的時間節(jié)奏變慢了。(一切物理過程、化學(xué)過程乃至觀察者自己的生命節(jié)奏都變慢了) (2)由于運(yùn)動是相對的，故在某一個參考系中觀察另一個不同參考系里發(fā)生的物理事件時，總能感到時間延緩效應(yīng)。 (3)日常生活中的時間延緩效應(yīng)可以忽略不計，在運(yùn)動速度接近光速時，則變得特別明顯。 [針對訓(xùn)練2] 某宇航員要到離地球5光年的星球上去旅行，如果地球指揮中心希望把這路程縮短為3光年，則他所乘飛船相對地球的速度為(　　) A.0.5c B.0.6c C.0.8c D.0.9c 解析　由l＝l0，＝，解得v＝c，故C正確。 答案　C 1.(宇宙的起源)根據(jù)宇宙大爆炸的理論，在宇宙形成之初是“粒子家族”盡顯風(fēng)采的時期，那么在大爆炸之后最早產(chǎn)生的粒子是(　　) A.夸克、輕子、膠子等粒子 B.質(zhì)子和中子等強(qiáng)子 C.光子、中微子和電子等輕子 D.氫核、氘核、氦核等輕核 解析　宇宙形成之初產(chǎn)生了夸克、輕子和膠子等粒子，之后又經(jīng)歷了質(zhì)子和中子等強(qiáng)子時代，再之后是自由光子、中微子、電子大量存在的輕子時代，再之后是中子和質(zhì)子組合成氘核，并形成氦核的核合成時代，之后電子和質(zhì)子復(fù)合成氫原子，最后形成恒星和星系，因此A正確，B、C、D錯誤。 答案　A 2.(相對論的時空觀)對于時空觀的認(rèn)識，下列說法正確的是(　　) A.相對論給出了物體在低速運(yùn)動時所遵循的規(guī)律 B.相對論具有普遍性，經(jīng)典物理學(xué)為它在低速運(yùn)動時的特例 C.相對論的出現(xiàn)使經(jīng)典物理學(xué)在自己的適用范圍內(nèi)不再繼續(xù)發(fā)揮作用 D.經(jīng)典物理學(xué)建立在實驗的基礎(chǔ)上，它的結(jié)論又受到無數(shù)次實驗的檢驗，因此在任何情況下都適用 解析　相對論給出了物體在高速運(yùn)動時所遵循的規(guī)律，經(jīng)典物理學(xué)為它在低速運(yùn)動時的特例，在自己的適用范圍內(nèi)還將繼續(xù)發(fā)揮作用。經(jīng)典物理學(xué)有簡捷的優(yōu)勢。因此A、C、D錯誤，B正確。 答案　B 3.(時間、空間的相對性)(多選)在地面附近有一高速飛過的火箭，關(guān)于地面上的人和火箭中的人觀察到的現(xiàn)象中正確的是(　　) A.地面上的人觀察到火箭變短了，火箭上的時間進(jìn)程變快了 B.地面上的人觀察到火箭變短了，火箭上的時間進(jìn)程變慢了 C.火箭上的人觀察到火箭的長度和時間進(jìn)程均無變化 D.火箭上的人看地面上的物體長度變小，時間進(jìn)程變慢了 解析　因為l＝l0和Δt＝，可知l＜l0，Δt＞Δτ。一個相對地面做高速運(yùn)動的慣性系中發(fā)生的物理過程，在地面上的人看來，火箭的長度變短了，它所經(jīng)歷的時間比在這個慣性系中直接觀察到的時間變長了，慣性系速度越大，觀察到的火箭的長度越短，所經(jīng)歷的過程時間越長。火箭上的人觀察到火箭的長度和時間進(jìn)程均無變化。同樣，火箭上的人看地面上的物體長度也是變小，時間進(jìn)程變慢了，選項B、C、D正確。 答案　BCD 4.(相對論的時空觀)(多選)關(guān)于時間和空間，在學(xué)習(xí)狹義相對論后我們應(yīng)認(rèn)識到(　　) A.因為時間是絕對的，所以我們在不同的參考系中觀察到的時間進(jìn)程都是相同的 B.空間與時間之間是沒有聯(lián)系的 C.有物質(zhì)才有空間和時間 D.在一個確定的參考系中觀察，運(yùn)動物體的空間距離和時間進(jìn)程跟物體的運(yùn)動狀態(tài)有關(guān) 解析　經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為空間和時間是脫離物質(zhì)存在的，是絕對的，空間與時間之間是沒有聯(lián)系的，在相對論中，時間和空間是和物質(zhì)的運(yùn)動相聯(lián)系的，只有在物質(zhì)存在時才有空間和時間的概念，時間和空間是相互聯(lián)系且是相對的。選項C、D正確。 答案　CD 合格性檢測 1.(2018大連高二檢測)在狹義相對論中，下列說法中正確的是(　　) A.經(jīng)典物理學(xué)可視為相對論在低速運(yùn)動時的特例 B.真空中光速在不同的慣性參考系中是不相同的 C.在高速運(yùn)動情況下，慣性參考系中的物理規(guī)律不一定相同 D.狹義相對論全面否定了經(jīng)典物理學(xué) 解析　相對論的出現(xiàn)，并沒有否定經(jīng)典物理學(xué)，經(jīng)典物理學(xué)是相對論在低速運(yùn)動條件下的特殊情形，故A正確，D錯誤；根據(jù)狹義相對論的光速不變原理，真空中光速在不同的慣性參考系中是相同的，故B錯誤；根據(jù)狹義相對論的相對性原理，物理規(guī)律在所有慣性系中都是相同的，故C錯誤。 答案　A 2.(多選)如果牛頓運(yùn)動定律在參考系A(chǔ)中成立，而參考系B相對于A做勻速直線運(yùn)動，則在參考系B中(　　) A.牛頓運(yùn)動定律也同樣成立 B.牛頓運(yùn)動定律不能成立 C.A和B兩個參考系中，一切物理定律都是相同的 D.參考系B也是慣性參考系 解析　根據(jù)狹義相對性原理，在不同的慣性參考系中一切物理定律都是相同的。 答案　ACD 3.如圖1所示，強(qiáng)強(qiáng)乘坐速度為0.9c(c為光速)的宇宙飛船追趕正前方的壯壯，壯壯的飛行速度為0.5c，強(qiáng)強(qiáng)向壯壯發(fā)出一束光進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，則壯壯觀測到該光束的傳播速度為(　　) 圖1 A.0.4c B.0.5c C.0.9c D.c 解析　根據(jù)愛因斯坦相對論，在任何參考系中，光速不變，即光速不隨光源和觀察者所在參考系的相對運(yùn)動而改變，所以壯壯觀測到該光束的傳播速度為c，所以選項A、B、C錯誤，D正確。 答案　D 4.(2018寧波高二檢測)(多選)甲乘客乘坐在接近光速的火車上，乙觀察者站在鐵軌附近的地面上，甲、乙兩人手中各持一把沿火車前進(jìn)方向放置的米尺。則下列說法正確的是(　　) A.甲看到乙手中尺子長度比甲看到自己手中的尺子長度要長 B.甲看到乙手中尺子長度比甲看到自己手中的尺子長度要短 C.乙看到甲手中尺子長度比乙看到自己手中的尺子長度要長 D.乙看到甲手中尺子長度比乙看到自己手中的尺子長度要短 解析　由l＝l0可知，選項B、D正確。 答案　BD 5.一艘太空飛船靜止時的長度為30 m，他以0.6c(c為光速)的速度沿長度方向飛行越過地球，下列說法正確的是(　　) A.飛船上的觀測者測得該飛船的長度小于30 m B.地球上的觀測者測得該飛船的長度小于30 m C.飛船上的觀測者測得地球上發(fā)來的光信號速度小于c D.地球上的觀測者測得飛船上發(fā)來的光信號速度小于c 解析　由l＝l0知A錯誤，B正確；由狹義相對論的基本假設(shè)知光信號的速度都等于c，C、D項錯誤。 答案　B 6.假設(shè)地面上有一火車以接近光速的速度運(yùn)行，其內(nèi)站立著一個中等身材的人，站在路旁的人觀察車?yán)锏娜耍^察的結(jié)果是(　　) A.這個人是一個矮胖子 B.這個人是一個瘦高個子 C.這個人矮但不胖 D.這個人瘦但不高 解析　取路旁的人為慣性系，車上的人相對于路旁的人高速運(yùn)動，根據(jù)尺縮效應(yīng)，人在運(yùn)動方向上將變窄，但在垂直于運(yùn)動方向上沒有發(fā)生變化，故選項D正確。 答案　D 7.話說有兄弟兩個，哥哥乘坐宇宙飛船以接近光速的速度離開地球去遨游太空，經(jīng)過一段時間返回地球，哥哥驚奇地發(fā)現(xiàn)弟弟比自己要蒼老許多，則該現(xiàn)象的科學(xué)解釋是(　　) A.哥哥在太空中發(fā)生了基因突變，停止生長了 B.弟弟思念哥哥而加速生長 C.由相對論可知，物體速度越大，其時間進(jìn)程越慢，生理進(jìn)程也越慢 D.這是神話，科學(xué)無法解釋 解析　根據(jù)公式Δt＝可知，物體的速度越大，其時間進(jìn)程越慢。 答案　C 8.(多選)用相對論的觀點判斷下列說法正確的是(　　) A.時間和空間都是絕對的，在任何參考系中一個事件發(fā)生的時間和一個物體的長度總不會改變 B.在地面上看，以10 km/s的速度運(yùn)動的飛船中的時鐘會變快，但是飛船中的宇航員卻看到時鐘是準(zhǔn)確的 C.在地面上的人看來，以10 km/s的速度運(yùn)動的飛船在運(yùn)動方向上會變短，而飛船中的宇航員卻感覺到地面上的人看起來比飛船中的人扁一些 D.當(dāng)物體運(yùn)動的速度v遠(yuǎn)小于c時，“長度收縮”和“時間膨脹”效果可忽略不計 解析　時間和空間都是相對的，沒有絕對準(zhǔn)確的時間和空間，所以A、B錯誤；由l＝l0可知兩處的人都感覺l＜l0，所以C正確；由尺縮效應(yīng)和鐘慢效應(yīng)公式可知，當(dāng)v遠(yuǎn)小于c時，尺縮效應(yīng)和鐘慢效應(yīng)都可以忽略不計，所以D正確。 答案　CD 9.如圖2，假設(shè)一根10 m長的梭鏢以光速穿過一根10 m長的管子，它們的長度都是在靜止?fàn)顟B(tài)下測量的。以下敘述中最好地描述了梭鏢穿過管子情況的是(　　) 圖2 A.梭鏢收縮變短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它 B.管子收縮變短，因此在某些位置上，梭鏢從管子的兩端伸出來 C.兩者都收縮，且收縮量相等，因此在某個位置，管子恰好遮住梭鏢 D.所有這些都與觀察者的運(yùn)動情況有關(guān) 解析　如果你是在相對于管子靜止的參考系中觀察運(yùn)動著的梭鏢，那么梭鏢看起來就比管子短，在某些位置梭鏢會完全在管子內(nèi)部。然而當(dāng)你和梭鏢一起運(yùn)動時，你看到的管子就縮短了，所以在某些位置，你可以看到梭鏢兩端都伸出管子，則D正確，A、B、C錯誤。 答案　D