第1、2、3節(jié)初識相對論相對論中的神奇時空探索宇宙的奧秘核心素養(yǎng)目標(biāo)物理觀念1.知道狹義相對論的兩個基本原理的內(nèi)容。2.知道狹義相對論關(guān)于時空相對性的主要結(jié)論。3.初步了解時間延緩效應(yīng)和長度收縮效應(yīng)的主要內(nèi)

容及推理的思維過程?？茖W(xué)思維了解人類對宇宙的起源和演化的研究進(jìn)程，了解什

么是科學(xué)探究和科學(xué)思維?？茖W(xué)探究了解人類對宇宙永不停息的探索歷程，體會科學(xué)家

進(jìn)行科學(xué)探究的態(tài)度和責(zé)任。目錄01.基礎(chǔ)知識·準(zhǔn)落實(shí)02.核心要點(diǎn)·快突破03.教學(xué)效果·勤檢測04.課時訓(xùn)練·提素能基礎(chǔ)知識·準(zhǔn)落實(shí)梳理歸納自主學(xué)習(xí)01

知識點(diǎn)一

初識相對論1.

邁克爾孫—莫雷實(shí)驗（1）經(jīng)典物理學(xué)家曾認(rèn)為，“以太”是光波的

，這

種介質(zhì)絕對靜止、密度極小、硬度極大、完全透明，充滿宇

宙空間，滲透于一切物體。（2）邁克爾孫—莫雷實(shí)驗證明，不論地球運(yùn)動的方向同光的射向

一致還是相反，測出的光速都

，在地球同設(shè)想的

“以太”之間沒有

，找不到“以太”。傳播介質(zhì)相同相對運(yùn)動2.

狹義相對論的兩個基本假設(shè)（1）相對性原理：所有

?在一切慣性參考系中都具有

相同的形式。（2）光速不變原理：在一切慣性參考系中，測量到的真空中的光

速c都

（c＝3×108

m/s）。物理規(guī)律一樣知識點(diǎn)二相對論中的神奇時空1.

時間延緩效應(yīng)（1）經(jīng)典的時空觀：時間是絕對時間，就像一條長河，源源不斷

地從過去到現(xiàn)在直至將來，與運(yùn)動無關(guān)。

（2）相對論的時空觀：當(dāng)時鐘相對于觀測者靜止時，時鐘走得快

些；當(dāng)時鐘相對于觀測者高速運(yùn)動時，觀測者則認(rèn)為時鐘變

慢了。

時間延緩時鐘變慢2.

長度收縮效應(yīng)（1）經(jīng)典的時空觀：空間是絕對空間，與運(yùn)動

?。（2）相對論的時空觀：空間與運(yùn)動密切

?。

無關(guān)相關(guān)

長度收縮3.

質(zhì)能關(guān)系（1）經(jīng)典力學(xué)：在經(jīng)典力學(xué)中，

和

?是兩個獨(dú)立

的概念。（2）質(zhì)能關(guān)系式：E＝

，其中m是物體的質(zhì)量，E是它具有

的能量。4.

奇妙的時空彎曲愛因斯坦的廣義相對論認(rèn)為，由于物質(zhì)的存在，空間和時間會發(fā)生

彎曲。天體之間的引力作用是時空彎曲的結(jié)果。質(zhì)量能量mc2

知識點(diǎn)三探索宇宙的奧秘1.

宇宙的起源“大爆炸”宇宙模型認(rèn)為，宇宙起源于一個“奇點(diǎn)”，在該奇點(diǎn)，

溫度

，物質(zhì)密度

，即發(fā)生宇宙大爆炸之后，

宇宙不斷膨脹，溫度不斷降低。無限高無限大2.

宇宙的演化通過觀測和理論分析，科學(xué)家推測宇宙的大部分都是由

?

和

組成的，但人類對暗物質(zhì)和暗能量的本質(zhì)至今仍不了

解，現(xiàn)有的天文觀測資料不能確定宇宙的未來將走向何處，這有待

于人類的進(jìn)一步探索。暗物質(zhì)暗能量3.

永不停息的探索（1）2016年，我國落成啟用了世界上最大單口徑、最靈敏、具有

我國自主知識產(chǎn)權(quán)的射電望遠(yuǎn)鏡——“中國天眼”。（2）為了擺脫大氣層對天文觀測的影響，人類還先后發(fā)射了許多

人造衛(wèi)星及宇宙飛行器用于天文觀測。（3）

開啟了探索宇宙的新窗口，它可讓我們傾聽宇

宙，了解宇宙。引力波【情景思辨】地球繞太陽公轉(zhuǎn)的速度是3×104

m/s。設(shè)在美國伊利諾斯州費(fèi)米實(shí)

驗室的圓形粒子加速器可以把電子加速到0.999

999

999

987倍光速的

速度，光速c＝3×108

m/s。（1）地球的公轉(zhuǎn)速度在狹義相對論中屬于低速。

（

√

）（2）被加速器加速后的電子的速度屬于高速。

（

√

）（3）狹義相對論只適用于高速運(yùn)動（速度接近真空中的光速的運(yùn)

動）不適用于低速運(yùn)動。

（

×

）√√×核心要點(diǎn)·快突破互動探究深化認(rèn)知02

要點(diǎn)一經(jīng)典力學(xué)體系與狹義相對論【探究】

（1）如圖所示，小球相對于參考系O以速度v0向右拋出，人相對于

參考系O'靜止，當(dāng)參考系O'相對于參考系O靜止、以速度v向右運(yùn)動和

以速度v向左運(yùn)動時，人觀察到小球的速度分別為多大？提示：

分別為v0、v0－v、v0＋v

（2）如圖所示，假設(shè)在真空環(huán)境中，光源相對于參考系O靜止，人相

對于參考系O'靜止，當(dāng)參考系O'相對于參考系O靜止、以速度v

向右運(yùn)動和以速度v向左運(yùn)動時，人觀察到的光源發(fā)出光的傳播

速度分別為多大？提示：

人觀察到的光速都是真空中的光速c（c＝3×108m/s）?！練w納】1.

經(jīng)典力學(xué)體系（1）慣性系與非慣性系①凡是牛頓運(yùn)動定律成立的參考系，稱為慣性系，相對于一

個慣性系做勻速直線運(yùn)動的另一個參考系也是慣性系。慣性

系就是沒有加速度的參考系，如地面。②牛頓運(yùn)動定律不成立的參考系稱為非慣性參考系，如加速

中的汽車，這個汽車作為參考系就是非慣性參考系。（2）伽利略的相對性原理表述1：對于所有的慣性系，力學(xué)規(guī)律都是相同的。表述2：在一個慣性系內(nèi)進(jìn)行的任何力學(xué)實(shí)驗都不能判斷這個

慣性系是否相對于另一個慣性系做勻速直線運(yùn)動。表述3：一切慣性參考系都是等效的。（3）牛頓運(yùn)動定律的適用范圍①宏觀：能用通常方法測量與觀察的物體。②低速：遠(yuǎn)小于光速的速度。③弱引力：物體的半徑遠(yuǎn)小于引力半徑時物體之間存在的作

用力。2.

狹義相對論的兩個基本原理（1）相對性原理：所有物理規(guī)律在一切慣性參考系中都具有相同

的形式。相對性原理表明：在某個慣性系中描述某個物理系統(tǒng)的某個

物理過程的物理定律，在其他一切慣性系中對該系統(tǒng)該過程

做出描述的物理定律皆保持形式不變。（2）光速不變原理：在一切慣性參考系中，測量到的真空中的光

速c都一樣（c＝3×108

m/s）。光速不變原理表明：在一切慣性系中觀測真空中傳播的光，

其傳播速度均為c，與光源或觀察者的運(yùn)動無關(guān)。這一結(jié)論實(shí)

際上已被大量的實(shí)驗證實(shí)。【典例1】

（多選）一列很長的火車沿平直軌道飛快地勻速前進(jìn)，

車廂中央有一個光源發(fā)出了一個閃光，閃光照到了車廂的前壁和后

壁。下列說法正確的是（

）A.

車廂里的觀察者認(rèn)為閃光是同時到達(dá)兩壁的B.

靜止在地面上的觀察者認(rèn)為閃光是同時到達(dá)兩壁的C.

靜止在地面上的觀察者認(rèn)為閃光先到達(dá)后壁D.

靜止在地面上的觀察者認(rèn)為閃光先到達(dá)前壁解析：車廂勻速前進(jìn)，因此車廂是慣性參考系，閃光向前和向后傳播

的速度相等，而光源在車廂中央，因此閃光同時到達(dá)前壁和后壁，A

正確；靜止在地面上的觀察者以地面為參考系（慣性參考系），閃光

向前和向后傳播的速度相等，但閃光飛向兩壁的過程中，車廂向前行

進(jìn)了一段距離，因此閃光向前傳播的路程長些，故閃光先到達(dá)后壁，

后到達(dá)前壁，C正確，B、D錯誤。

1.

在高速世界里，時間和空間都是相對的，都會隨慣性參考系的選擇

不同而不同。愛因斯坦根據(jù)基于相對性原理和光速不變原理，建立

了狹義相對論，下面正確的是（

）A.

相對性原理是指，物理規(guī)律在一切參考系中都具有相同的形式B.

光速不變原理是指，在一切參考系中，測量到的真空中的光速c都

一樣C.

光速不變原理是指，在一切慣性參考系中，測量到的真空中的光

速c都一樣D.

上面所述均不正確解析：

根據(jù)相對性原理，在所有慣性系中，而不是參考系中，

物理定律有相同的形式，即一切物理規(guī)律都是相同的，故A錯誤；

光速不變原理，是指在一切慣性參考系中，測量到的真空中的光速

c都一樣，故C正確，B、D錯誤。2.

經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動定律，但它也有自己的局限性，以下說

法正確的是（

）A.

經(jīng)典力學(xué)適用于研究接近光速運(yùn)行的物體的規(guī)律B.

經(jīng)典力學(xué)一般不適用于微觀粒子C.

經(jīng)典力學(xué)和相對論是完全對立的D.

研究在高速公路上行駛的汽車的運(yùn)動規(guī)律不適用牛頓運(yùn)動定律解析：

經(jīng)典力學(xué)適用于研究宏觀低速物體的運(yùn)動，而不適用研

究接近光速運(yùn)行的物體的規(guī)律，選項A錯誤；經(jīng)典力學(xué)適用于研究

宏觀低速物體的運(yùn)動，一般不適用于微觀粒子，選項B正確；相對

論是在經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，不是對經(jīng)典力學(xué)的全面否

定，選項C錯誤；研究在高速公路上行駛的汽車的運(yùn)動規(guī)律適用牛

頓運(yùn)動定律，選項D錯誤。要點(diǎn)二相對論時空觀的理解與應(yīng)用1.

兩個原理（1）相對性原理。（2）光速不變原理。2.

兩個效應(yīng)

3.

兩種關(guān)系（1）質(zhì)能關(guān)系①按照相對論及基本力學(xué)定律可推出質(zhì)量和能量有如下關(guān)

系：E＝mc2，這就是著名的質(zhì)能方程。②質(zhì)量和能量是物質(zhì)不可分離的屬性，當(dāng)物質(zhì)的質(zhì)量減少或

增加時，必然伴隨著能量的減少或增加，其關(guān)系為ΔE＝

Δmc2。（2）質(zhì)速關(guān)系①在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量與物體的運(yùn)動無關(guān)，但在相對

論中，運(yùn)動物體的質(zhì)量隨其運(yùn)動速度的變化而變化。

【典例2】

（多選）愛因斯坦的相對論時空觀告知我們：我們在靜

止地面看到某物體長度l0和運(yùn)動所間隔的時間t，比較相對地面很大速

度v的參考系中對應(yīng)的該物體的長度和間隔的時間來說（

）A.

在靜止地面看物體長度偏大B.

在靜止地面看物體長度偏小C.

在地面看物體運(yùn)動所間隔的時間t偏大D.

在地面看物體運(yùn)動所間隔的時間t偏小

1.

（多選）如圖所示，甲、乙兩人分別乘坐速度為0.6c和0.8c（c為

真空中光速）的飛船反向運(yùn)動。則下列說法正確的是（

）A.

甲、乙兩人相對速度為1.4cB.

甲觀察到乙的身高不變C.

甲觀察到乙所乘的飛船變短D.

甲觀察到乙所帶的鐘表顯示時間變快解析：

如果把兩個人中的一個看成靜止，那么另一個相對

有一個運(yùn)動速度，但不能用經(jīng)典力學(xué)中的速度合成公式，而應(yīng)

用相對論速度合成公式，合成的速度接近光速，也就是說，如

果把甲看成靜止，那么乙相對甲以某個接近光速的速度飛行，

故A錯誤；身高是豎直方向，他們的運(yùn)動方向為水平，所以身

高不變，兩者看到對方的身高不變，故B正確；根據(jù)相對論的

長度收縮效應(yīng)，甲觀察到乙所乘的飛船變短，故C正確；根據(jù)

相對論的時鐘變慢效應(yīng)，可以推測兩人在接近光速運(yùn)動時，相

對地球來說時間都變慢了，但乙相對于甲的速度更大，因此可

以推測，乙的鐘要更慢一點(diǎn)，故D錯誤。2.

（多選）下列關(guān)于E＝mc2的說法正確的是（

）A.

質(zhì)量為m的物體，就儲存有mc2的能量B.

質(zhì)量為m的物體，對應(yīng)著mc2的能量C.

如果物體質(zhì)量減少Δm，就將該質(zhì)量轉(zhuǎn)化為mc2的能量D.

如果物體質(zhì)量減少Δm，就將釋放Δmc2的能量解析：

由質(zhì)能關(guān)系式可知，能量與質(zhì)量之間存在著一定的

對應(yīng)關(guān)系，E＝mc2說明質(zhì)量為m的物體，對應(yīng)著mc2的能量，不

能說儲存有mc2的能量，A錯誤，B正確；如果物體質(zhì)量減少

Δm，該減少的質(zhì)量將轉(zhuǎn)化為Δmc2的能量，釋放Δmc2的能量，C

錯誤，D正確。要點(diǎn)回眸教學(xué)效果·勤檢測強(qiáng)化技能查缺補(bǔ)漏03

1.

對于經(jīng)典力學(xué)理論，下列說法正確的是（

）A.

由于相對論、量子理論的提出，經(jīng)典力學(xué)已經(jīng)過時了B.

經(jīng)典力學(xué)在今天廣泛應(yīng)用，它的正確性無可懷疑，仍是普遍適用

的C.

經(jīng)典力學(xué)在歷史上起了巨大的作用，隨著物理學(xué)的發(fā)展而逐漸過

時，成為一種古老的理論D.

經(jīng)典力學(xué)在宏觀低速運(yùn)動中，引力不太大時適用解析：

經(jīng)典力學(xué)和其他任何理論一樣，有其自身的局限性和適

用范圍，對于低速宏觀物體的運(yùn)動，經(jīng)典力學(xué)仍然適用，并仍將在

它適用范圍內(nèi)大放異彩，所以D正確。2.

（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短，時間進(jìn)程變慢了

3.

A、B兩火箭沿同一方向高速飛過地面上的某處，vA＝2vB，在火箭

A上的人觀察到的結(jié)果是（

）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

4.

星際航行是行星際航行和恒星際航行的統(tǒng)稱，行星際航行是指太陽

系內(nèi)的航行，恒星際航行是指太陽系外的恒星際空間的飛行。不載

人行星際航行已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，而恒星際航行尚處于探索階段。探究：半人馬星座α星是離太陽系最近的恒星，它距地球為4.3×1016

m，設(shè)有一宇宙飛船自地球往返于半人馬星座α星之間，若宇宙飛船的速度為0.999c，按地球上的時鐘計算，飛船往返一次

需多長時間？如以飛船上的時鐘計算，往返一次的時間又為多長？答案：9年0.4年

04課時訓(xùn)練·提素能分層達(dá)標(biāo)素養(yǎng)提升

123456789101112131.

經(jīng)典力學(xué)只適用于低速運(yùn)動，不適用于高速運(yùn)動，這里的“高速”

是指（

）A.

聲音在空氣中的傳播速度B.

第一宇宙速度C.

高鐵列車允許行駛的最大速度D.

接近真空中光的傳播速度解析：

這里的“高速”是指接近真空中光的傳播速度，故A、

B、C錯誤，D正確。2.

如圖所示，按照狹義相對論的觀點(diǎn)，火箭A是迎著光飛行的，火箭

B是“追趕”著光飛行的，若火箭相對地面的速度為v，則兩火箭

上的觀察者測出的光速分別為（

）A.

c＋v，c－vB.

c－v，c＋vC.

c，cD.

無法確定解析：

根據(jù)光速不變原理，在一切慣性參考系中，測量到的真

空中的光速c都一樣，因此在火箭A、B兩個慣性參考系中，觀察者

測量到的光速一樣大，均為c，故選項C正確。123456789101112133.

（多選）關(guān)于牛頓力學(xué)的偉大成就，下列論述正確的是（

）A.

牛頓力學(xué)第一次實(shí)現(xiàn)了對自然界認(rèn)識的理論大綜合B.

牛頓力學(xué)第一次預(yù)言了宇宙中黑洞的存在C.

牛頓力學(xué)第一次向人們展示了時間的相對性D.

人們借助于牛頓力學(xué)中的研究方法，建立了完整的經(jīng)典物理學(xué)體

系12345678910111213解析：

牛頓力學(xué)把天上物體和地面上物體的運(yùn)動統(tǒng)一了起

來，第一次實(shí)現(xiàn)了人類對自然界認(rèn)識的理論大綜合。在研究方法

上，人們把牛頓力學(xué)中行之有效的實(shí)驗與數(shù)學(xué)相結(jié)合的方法推廣到

物理學(xué)的各個分支上，相繼建立了熱學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)等，

形成了完整的經(jīng)典物理學(xué)體系。綜上所述，應(yīng)選A、D。123456789101112134.

若一列火車以接近光速的速度在高速行駛，火車上的人用望遠(yuǎn)鏡來

觀察路旁地面上的一只排球，如果觀察得很清晰，則觀察結(jié)果是

（

）A.

像一只乒乓球（球體變?。〣.

像一只籃球（球體變大）C.

像一只橄欖球（豎直放置）D.

像一只橄欖球（水平放置）12345678910111213解析：

根據(jù)長度收縮效應(yīng)可知，排球在水平方向的長度變短，

在豎直方向高度不變，因此觀察的結(jié)果是像一只豎直放置的橄欖

球，故選C。123456789101112135.

某星際飛船正在遙遠(yuǎn)的外太空飛行，假如它的速度可以達(dá)到0.7c，

在地球上觀測到其經(jīng)過8.76×104

h的時間到達(dá)某星球，則在飛船

上的人看來，其到達(dá)此星球需要的時間是（

）A.8.76×104

hB.6.26×104

hC.12.27×104

hD.16.52×104

h

123456789101112136.

（多選）來自中國的量子科學(xué)實(shí)驗衛(wèi)星“墨子號”從太空發(fā)出兩道

紅色的光，射向青海德令哈站與千公里外的云南麗江高美古站，首

次實(shí)現(xiàn)人類歷史上第一次距離達(dá)“千公里級”的量子密鑰分發(fā)。下

列說法正確的是（

）A.

牛頓力學(xué)適用于描述“墨子號”繞地球運(yùn)動的規(guī)律B.

牛頓力學(xué)適用于描述光子的運(yùn)動規(guī)律C.

量子力學(xué)可以描述“墨子號”發(fā)出的“兩道紅色的光”的運(yùn)動規(guī)

律D.

量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)說明牛頓力學(xué)已失去了實(shí)用價值12345678910111213解析：

牛頓力學(xué)可以用來描述物體的宏觀低速運(yùn)動，牛頓力

學(xué)適用于描述“墨子號”繞地球運(yùn)動的規(guī)律，故A正確；對于運(yùn)動

速度接近光速的物體的運(yùn)動，不適合用牛頓力學(xué)來描述，故B錯

誤；量子力學(xué)可以描述“墨子號”發(fā)出的“兩道紅色的光”的運(yùn)動

規(guī)律，因為紅光運(yùn)動速度為光速，所以需考慮相對論效應(yīng)，使用量

子力學(xué)描述，故C正確；量子力學(xué)和牛頓力學(xué)適用范圍不同，量子

力學(xué)適用于高速運(yùn)動，在宏觀低速運(yùn)動中，牛頓力學(xué)仍然適用，不

能說牛頓力學(xué)已經(jīng)失去了實(shí)用價值，故D錯誤。123456789101112137.

（多選）甲乘客乘坐在接近光速運(yùn)動的火車上，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)方向放置的相

同的米尺。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大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小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大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小12345678910111213解析：

在尺子長度方向上運(yùn)動的尺子比靜止時短。乙手中的

尺子相對于甲接近光速運(yùn)動，所以甲看到乙手中的尺子的長度比甲

看到自己手中的尺子長度小，故A錯誤，B正確；甲手中的尺子相

對于乙接近光速運(yùn)動，所以乙看到甲手中的尺子的長度比乙看到自

己手中的尺子的長度小，故C錯誤，D正確。123456789101112138.

一枚靜止時長度為30

m的火箭以1.5×108

m/s的速度從觀察者的身

邊掠過，已知光速為3×108

m/s，觀察者測得火箭的長度約為

（

）A.30

mB.15

mC.34

mD.26

m12345678910111213

12345678910111213

9.

（多選）用相對論的觀點(diǎn)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

一個物體的長度都不會改變B.

在地面上的人看來，以10

km/s的速度運(yùn)動的飛船中的時鐘會變

快，但飛船中的宇航員卻認(rèn)為時鐘是準(zhǔn)確的C.

在地面上的人看來，以10

km/s的速度垂直地面向上運(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，長度收縮效應(yīng)和時間延緩效應(yīng)都

可以忽略不計12345678910111213

1234567891011121310.

（多選）以下說法正確的是（

）A.

相對論與量子力學(xué)并沒有否定經(jīng)典力學(xué)理論B.

在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量隨運(yùn)動狀態(tài)而改變C.

經(jīng)典時空觀認(rèn)為空間和時間是獨(dú)立于物體及其運(yùn)動而存在D.

當(dāng)物體的運(yùn)動速度遠(yuǎn)小于光速時，相對論和經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論仍有

很大的區(qū)別12345678910111213解析：

相對論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，并沒有否定經(jīng)典力學(xué)，經(jīng)

典力學(xué)是相對論和量子力學(xué)在低速、宏觀條件下的特殊情形，故

A正確；在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量不隨運(yùn)動狀態(tài)而改變，當(dāng)物

體做高速運(yùn)動時，根據(jù)相對論