2018-2019學(xué)年高中物理 第十五章 相對(duì)論簡(jiǎn)介 第3-4節(jié) 狹義相對(duì)論的其他結(jié)論 廣義相對(duì)論簡(jiǎn)介課件 新人教版選修3-4.ppt

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1、3 狹義相對(duì)論的其他結(jié)論 4 廣義相對(duì)論簡(jiǎn)介,讀一讀,辨一辨,一、狹義相對(duì)論的其他結(jié)論 閱讀教材第105、106頁(yè),了解狹義相對(duì)論的幾個(gè)其他結(jié)論。 1.相對(duì)論速度變換公式是什么? 答案：設(shè)高速火車的速度為v,車上的人以速度u沿著火車前進(jìn)的方向相對(duì)火車運(yùn)動(dòng),光在真空中的速度為c,則此人相對(duì)地面的速度 為u= 。 2.什么是相對(duì)論的質(zhì)量? 答案：物體以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量為m,和它靜止時(shí)的質(zhì)量m0之間 有關(guān)系為m= ,根據(jù)此式可知,微觀粒子的運(yùn)動(dòng)速度很高時(shí),它的質(zhì)量明顯大于靜止時(shí)的質(zhì)量,這個(gè)現(xiàn)象必須考慮,也就是說(shuō)物體的質(zhì)量與物體的速度有關(guān),并不是恒定不變的。,讀一讀,辨一辨,3.質(zhì)能方程

2、表達(dá)式是什么?說(shuō)明了什么? 答案：表達(dá)式E=mc2。說(shuō)明物體具有的能量與物體的質(zhì)量有關(guān)。 二、廣義相對(duì)論簡(jiǎn)介 閱讀教材第107~109頁(yè),初步了解廣義相對(duì)論的幾個(gè)主要觀點(diǎn)及主要觀測(cè)證據(jù)。 1.如何認(rèn)識(shí)廣義相對(duì)性原理? 答案：在狹義相對(duì)論中,不同慣性參考系中,一切物理規(guī)律都是相同的,愛(ài)因斯坦在狹義相對(duì)論的基礎(chǔ)上,把相對(duì)性原理推廣到包括非慣性參考系在內(nèi)的任意參考系,在任何參考系中,物理規(guī)律都是相同的,這就是廣義相對(duì)性原理。,讀一讀,辨一辨,2.什么是等效原理? 答案：我們無(wú)法判斷,在一個(gè)封閉的電梯內(nèi),物體加速運(yùn)動(dòng)是由引力引起的還是參考系相對(duì)于物體運(yùn)動(dòng)造成的,一個(gè)均勻的引力場(chǎng)與一個(gè)做勻加速運(yùn)動(dòng)的參考

3、系等價(jià)。這就是等效原理。 3.廣義相對(duì)論的其他幾個(gè)結(jié)論是什么? 答案：(1)根據(jù)等效原理,物質(zhì)的引力使光線彎曲。(2)廣義相對(duì)論告訴我們,引力場(chǎng)的存在使得空間不同位置的時(shí)間進(jìn)程出現(xiàn)差別,在強(qiáng)引力場(chǎng)附近,時(shí)間進(jìn)程會(huì)變慢。,讀一讀,辨一辨,1.思考辨析。 (1)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程違反了質(zhì)量守恒定律。 ( ) 解析：不違反,它們是針對(duì)不同對(duì)象的兩條規(guī)律。 答案： (2)愛(ài)因斯坦在狹義相對(duì)論中就解決了非慣性系的問(wèn)題和引力的問(wèn)題。 ( ) 解析：狹義相對(duì)論沒(méi)有解決這兩個(gè)問(wèn)題。為了解決這兩個(gè)問(wèn)題,愛(ài)因斯坦提出兩個(gè)原理:廣義相對(duì)性原理和等效原理,廣義相對(duì)性原理解決了狹義相對(duì)論中慣性參考系的問(wèn)題,等效原理解決了

4、萬(wàn)有引力的問(wèn)題。 答案：,讀一讀,辨一辨,(3)教材中相對(duì)論速度變換公式適用于一切運(yùn)動(dòng)形式。 ( ) 解析：經(jīng)典的速度合成公式和相對(duì)論速度變換公式是不同的,在物體運(yùn)動(dòng)的速度和光速為一個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí),應(yīng)該按照相對(duì)論速度變換公式求解。 答案：,讀一讀,辨一辨,2.探究討論。 如果某一回旋加速器能夠把電子的速度增加到0.98c,那么此時(shí)電子的質(zhì)量是靜止時(shí)的幾倍? 當(dāng)回旋加速器把粒子加速到一定速度時(shí),粒子在回旋加速器中就不能再加速了(即使回旋加速器足夠大),試解釋其原因。 答案：(1)根據(jù)物體運(yùn)動(dòng)質(zhì)量和靜止質(zhì)量之間的關(guān)系m= ,代入數(shù)據(jù)可得此時(shí)電子的質(zhì)量是靜止時(shí)的5倍。 (2)回旋加速器的工作原理是

5、利用電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期的時(shí)間跟所加電場(chǎng)的周期相同,而當(dāng)粒子的速度接近光速時(shí),其質(zhì)量改變非常明顯,使粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的周期改變,從而和電場(chǎng)的周期不同步,進(jìn)入電場(chǎng)后不能達(dá)到加速的目的。,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,對(duì)狹義相對(duì)論幾個(gè)結(jié)論的理解 一列火車正以v=50 m/s的速度高速行駛,列車內(nèi)一乘客以相對(duì)列車u=5 m/s的速度向前跑,站臺(tái)上的觀察者測(cè)得該乘客的速度是u=v+u=55 m/s。若列車的速度是0.9c,乘客的速度是0.5c,那么站臺(tái)上的觀察者測(cè)得該乘客的速度是0.9c+0.5c=1.4c嗎? 要點(diǎn)提示：不是。,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,1.相

6、對(duì)論速度交換公式 相對(duì)論認(rèn)為,如果一列沿平直軌道高速運(yùn)行的火車對(duì)地面的速度為v,車上的人以速度u沿著火車前進(jìn)的方向相對(duì)火車運(yùn)動(dòng),那么這 個(gè)人相對(duì)地面的速度u= 。理解這個(gè)公式時(shí)要注意: (1)如果車上的人的運(yùn)動(dòng)方向與火車的運(yùn)動(dòng)方向相反,則u取負(fù)值。 (2)當(dāng)v?c,u?c時(shí), 可忽略不計(jì),此時(shí)相對(duì)論的速度合成公式可近似為u=u+v。 (3)當(dāng)u和v的方向相垂直或成其他角度時(shí),情況比較復(fù)雜,上式不適用。,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,2.相對(duì)論質(zhì)量 相對(duì)論中質(zhì)量和速度的關(guān)系為m= 。理解這個(gè)公式時(shí)要注意: (1)式中m0是物體靜止時(shí)的質(zhì)量(也稱為靜質(zhì)量),m是物體以

7、速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量。這個(gè)關(guān)系式稱為相對(duì)論質(zhì)速關(guān)系,它表明物體的質(zhì)量會(huì)隨速度的增大而增大。 (2)當(dāng)v?c時(shí),近似地有m=m0。 (3)微觀粒子的運(yùn)動(dòng)速度很大,其質(zhì)量明顯地大于靜止時(shí)的質(zhì)量。例如:回旋加速器中被加速的粒子的質(zhì)量變大,導(dǎo)致粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的周期變大,它的運(yùn)動(dòng)與加在D形盒上的交變電壓不再同步,回旋加速器的加速能量因此受到了限制。,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,3.質(zhì)能方程 (1)靜止物體的能量為E0=m0c2,這種能量叫作物體的靜質(zhì)能。每個(gè)有靜質(zhì)量的物體都具有靜質(zhì)能。,(3)物體的總能量E為動(dòng)能與靜質(zhì)能之和,即E=Ek+E0=mc2(m為動(dòng)質(zhì)量)。 (4)由質(zhì)能關(guān)系式可

8、知ΔE=Δmc2。 對(duì)于微觀、高速運(yùn)動(dòng)的物體,其速度的疊加不再按照宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律,而是遵守相對(duì)論速度變換公式。,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,【例題1】 一個(gè)原來(lái)靜止的電子,經(jīng)過(guò)100 V的電壓加速后它的動(dòng)能是多少?質(zhì)量改變了百分之幾?速度是多少?此時(shí)還能否使用經(jīng)典的動(dòng)能公式?(m0=9.110-31 kg) 【思考問(wèn)題】 電子被電場(chǎng)加速末動(dòng)能如何計(jì)算? 提示：由動(dòng)能定理計(jì)算:Ek=eU。 解析：由動(dòng)能定理: Ek=eU=1.610-19100 J=1.610-17 J,上述計(jì)算表明,加速后的電子還屬于低速,可以使用經(jīng)典的動(dòng)能公式。,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一,探究

9、二,答案：1.610-17J 0.02% 5.9106 m/s 可以使用經(jīng)典動(dòng)能公式,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,變式訓(xùn)練1一粒子以0.05c的速度相對(duì)實(shí)驗(yàn)室參考系運(yùn)動(dòng)。此粒子衰變時(shí)發(fā)射一個(gè)電子,電子相對(duì)于粒子的速度為0.8c,電子的運(yùn)動(dòng)方向與粒子運(yùn)動(dòng)方向相同。求電子相對(duì)于實(shí)驗(yàn)室參考系的速度。 解析：已知v=0.05c,u=0.8c。 由相對(duì)論速度變換公式得,答案：0.817c,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,廣義相對(duì)論的幾個(gè)結(jié)論 地球表面有引力,那么為什么在地球表面均勻介質(zhì)中光沿直線傳播? 要點(diǎn)提示：地球表面引力場(chǎng)很弱,對(duì)光的傳播方向影響很小,所以認(rèn)為光沿直線

10、傳播。,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,1.光線在引力場(chǎng)中彎曲:根據(jù)廣義相對(duì)論,物質(zhì)的引力會(huì)使光線彎曲,引力場(chǎng)越強(qiáng),彎曲越厲害。通常物體的引力場(chǎng)都太弱,但太陽(yáng)引力場(chǎng)卻能引起光線比較明顯的彎曲。 2.引力紅移:按照廣義相對(duì)論,引力場(chǎng)的存在使得空間不同位置的時(shí)間進(jìn)程出現(xiàn)差別。例如,在強(qiáng)引力的星球附近,時(shí)間進(jìn)程會(huì)變慢,因此光振動(dòng)會(huì)變慢,相應(yīng)的光的波長(zhǎng)變長(zhǎng)、頻率變小,光譜線會(huì)發(fā)生向紅光一端移動(dòng)的現(xiàn)象。光譜線的這種移動(dòng)是在引力作用下發(fā)生的,所以叫“引力紅移”。 廣義相對(duì)論所作出的以上預(yù)言全部被實(shí)驗(yàn)觀測(cè)所證實(shí)。還有其他一些事實(shí)也支持廣義相對(duì)論。目前,廣義相對(duì)論已經(jīng)在宇宙結(jié)構(gòu)、宇宙演化等方面發(fā)

11、揮了主要作用。,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,(1)光線在引力場(chǎng)中彎曲,以及引力紅移現(xiàn)象都是在引力場(chǎng)很強(qiáng)的情況下產(chǎn)生的效應(yīng)。 (2)光在同一種均勻介質(zhì)中沿直線傳播的現(xiàn)象在我們的日常生活中仍然成立。,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,【例題2】 在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候,通過(guò)儀器可以觀察到太陽(yáng)后面的恒星,這說(shuō)明恒星發(fā)出的光( ) A.經(jīng)過(guò)太陽(yáng)時(shí)發(fā)生了衍射 B.可以穿透太陽(yáng)及其他障礙物 C.在太陽(yáng)引力場(chǎng)作用下發(fā)生了彎曲 D.經(jīng)過(guò)太陽(yáng)外的大氣層時(shí)發(fā)生了折射 解析：根據(jù)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論可知,光線在太陽(yáng)引力場(chǎng)作用下發(fā)生了彎曲,所以可以在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候(如日全食時(shí))通過(guò)儀器觀察到太陽(yáng)后面的

12、恒星,故選項(xiàng)C正確,A、B、D錯(cuò)誤。 答案：C 歸納總結(jié)光線彎曲不一定是光發(fā)生了折射現(xiàn)象,根據(jù)廣義相對(duì)論引力場(chǎng)的存在也可以使光線發(fā)生彎曲。,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,變式訓(xùn)練2導(dǎo)學(xué)號(hào)73884157下列說(shuō)法正確的是 ( ) A.由于太陽(yáng)引力場(chǎng)的影響,我們有可能看到太陽(yáng)后面的恒星 B.強(qiáng)引力作用可使光譜線向紅端偏移 C.引力場(chǎng)越強(qiáng)的位置,時(shí)間進(jìn)程越慢 D.由于物質(zhì)的存在,實(shí)際的空間是彎曲的 解析：由廣義相對(duì)論我們知道:物質(zhì)的引力使光線彎曲,因此選項(xiàng)A、D正確。在引力場(chǎng)中時(shí)間進(jìn)程變慢,而且引力越強(qiáng),時(shí)間進(jìn)程越慢,因此我們能觀察到引力紅移現(xiàn)象,所以選項(xiàng)B、C正確。 答案：ABCD

13、,1 2 3 4,,,,,1.(考查物理學(xué)史)著名的科學(xué)家愛(ài)因斯坦在物理學(xué)的發(fā)展過(guò)程中做出了不可磨滅的貢獻(xiàn),下列不是他作出的貢獻(xiàn)的是( ) A.發(fā)現(xiàn)了黑洞的存在 B.創(chuàng)造狹義相對(duì)論 C.提出了廣義相對(duì)論 D.提出質(zhì)量和能量的關(guān)系 答案：A,1 2 3 4,,,,,2.(考查相對(duì)論質(zhì)量)回旋加速器在對(duì)粒子進(jìn)行加速時(shí),當(dāng)加速到一定的數(shù)值,速度不再增加。而不增加的原因是當(dāng)速度增加到某一值,電場(chǎng)變換的周期和粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的周期不相等了,所以不能繼續(xù)加速。關(guān)于周期變化的原因,下列說(shuō)法正確的是( ) A.質(zhì)量的變化引起粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)周期的變化 B.人為地進(jìn)行調(diào)整,怕速度超過(guò)光速 C.由于回

14、旋加速器的D形盒的半徑太小,所以粒子要離開(kāi)磁場(chǎng)了 D.以上猜想都不對(duì) 解析：物體的質(zhì)量在低速情況下和靜止質(zhì)量相差不多,但是當(dāng)物體速度逐漸增大,速度對(duì)質(zhì)量的影響將會(huì)越來(lái)越大,從而改變了粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)行周期。 答案：A,1 2 3 4,,,,,3.導(dǎo)學(xué)號(hào)73884158(考查質(zhì)能方程)正、負(fù)電子的靜止質(zhì)量均為m0,當(dāng)一個(gè)正電子和一個(gè)負(fù)電子相遇時(shí)可以發(fā)生湮滅現(xiàn)象,即兩電子消失而產(chǎn)生一對(duì)相同的光子,則每個(gè)光子的能量為( ) A.m0c2 B.2m0c2,解析：光子能量的來(lái)源是電子質(zhì)量的損失,每個(gè)電子由于質(zhì)量而具有的能量是E=m0c2,兩個(gè)電子總共具有的能量是2m0c2,根據(jù)能量守恒可知,兩個(gè)光子的能量為2m0c2。 答案：A,1 2 3 4,,,,,4.(考查相對(duì)論速度變換公式)假如兔子相對(duì)你的速度是0.8c,而它看到前面小蝴蝶向前飛的速度又是0.5c,那么你將看到小蝴蝶的速度是多少呢? 解析：根據(jù)相對(duì)論速度變換公式u= ,代入數(shù)據(jù)得到u=0.93c。 即從你的角度出發(fā),看到小蝴蝶的速度是0.93c,而不是1.3c。 答案：0.93c,