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

3 狹義相對論的其他結(jié)論 4 廣義相對論簡介,讀一讀,辨一辨,一、狹義相對論的其他結(jié)論 閱讀教材第105、106頁,了解狹義相對論的幾個其他結(jié)論。 1.相對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)的方向相對火車運(yùn)動,光在真空中的速度為c,則此人相對地面的速度 為u= 。 2.什么是相對論的質(zhì)量? 答案：物體以速度v運(yùn)動時的質(zhì)量為m,和它靜止時的質(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)動速度很高時,它的質(zhì)量明顯大于靜止時的質(zhì)量,這個現(xiàn)象必須考慮,也就是說物體的質(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)能方程表達(dá)式是什么?說明了什么? 答案：表達(dá)式E=mc2。說明物體具有的能量與物體的質(zhì)量有關(guān)。 二、廣義相對論簡介 閱讀教材第107109頁,初步了解廣義相對論的幾個主要觀點(diǎn)及主要觀測證據(jù)。 1.如何認(rèn)識廣義相對性原理? 答案：在狹義相對論中,不同慣性參考系中,一切物理規(guī)律都是相同的,愛因斯坦在狹義相對論的基礎(chǔ)上,把相對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,這就是廣義相對性原理。,讀一讀,辨一辨,2.什么是等效原理? 答案：我們無法判斷,在一個封閉的電梯內(nèi),物體加速運(yùn)動是由引力引起的還是參考系相對于物體運(yùn)動造成的,一個均勻的引力場與一個做勻加速運(yùn)動的參考系等價。這就是等效原理。 3.廣義相對論的其他幾個結(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)廣義相對論告訴我們,引力場的存在使得空間不同位置的時間進(jìn)程出現(xiàn)差別,在強(qiáng)引力場附近,時間進(jìn)程會變慢。,讀一讀,辨一辨,1.思考辨析。 (1)愛因斯坦質(zhì)能方程違反了質(zhì)量守恒定律。 ( ) 解析：不違反,它們是針對不同對象的兩條規(guī)律。 答案： (2)愛因斯坦在狹義相對論中就解決了非慣性系的問題和引力的問題。 ( ) 解析：狹義相對論沒有解決這兩個問題。為了解決這兩個問題,愛因斯坦提出兩個原理:廣義相對性原理和等效原理,廣義相對性原理解決了狹義相對論中慣性參考系的問題,等效原理解決了萬有引力的問題。 答案：,讀一讀,辨一辨,(3)教材中相對論速度變換公式適用于一切運(yùn)動形式。 ( ) 解析：經(jīng)典的速度合成公式和相對論速度變換公式是不同的,在物體運(yùn)動的速度和光速為一個數(shù)量級時,應(yīng)該按照相對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,那么此時電子的質(zhì)量是靜止時的幾倍? 當(dāng)回旋加速器把粒子加速到一定速度時,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)可得此時電子的質(zhì)量是靜止時的5倍。 (2)回旋加速器的工作原理是利用電子在磁場中運(yùn)動一個周期的時間跟所加電場的周期相同,而當(dāng)粒子的速度接近光速時,其質(zhì)量改變非常明顯,使粒子在磁場中運(yùn)動的周期改變,從而和電場的周期不同步,進(jìn)入電場后不能達(dá)到加速的目的。,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,對狹義相對論幾個結(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)一乘客以相對列車u=5 m/s的速度向前跑,站臺上的觀察者測得該乘客的速度是u=v+u=55 m/s。若列車的速度是0.9c,乘客的速度是0.5c,那么站臺上的觀察者測得該乘客的速度是0.9c+0.5c=1.4c嗎? 要點(diǎn)提示：不是。,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,1.相對論速度交換公式 相對論認(rèn)為,如果一列沿平直軌道高速運(yùn)行的火車對地面的速度為v,車上的人以速度u沿著火車前進(jìn)的方向相對火車運(yùn)動,那么這 個人相對地面的速度u= 。理解這個公式時要注意: (1)如果車上的人的運(yùn)動方向與火車的運(yùn)動方向相反,則u取負(fù)值。 (2)當(dāng)vc,uc時, 可忽略不計,此時相對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,情況比較復(fù)雜,上式不適用。,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,2.相對論質(zhì)量 相對論中質(zhì)量和速度的關(guān)系為m= 。理解這個公式時要注意: (1)式中m0是物體靜止時的質(zhì)量(也稱為靜質(zhì)量),m是物體以速度v運(yùn)動時的質(zhì)量。這個關(guān)系式稱為相對論質(zhì)速關(guān)系,它表明物體的質(zhì)量會隨速度的增大而增大。 (2)當(dāng)vc時,近似地有m=m0。 (3)微觀粒子的運(yùn)動速度很大,其質(zhì)量明顯地大于靜止時的質(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)動的周期變大,它的運(yùn)動與加在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為動能與靜質(zhì)能之和,即E=Ek+E0=mc2(m為動質(zhì)量)。 (4)由質(zhì)能關(guān)系式可知E=mc2。 對于微觀、高速運(yùn)動的物體,其速度的疊加不再按照宏觀運(yùn)動規(guī)律,而是遵守相對論速度變換公式。,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,【例題1】 一個原來靜止的電子,經(jīng)過100 V的電壓加速后它的動能是多少?質(zhì)量改變了百分之幾?速度是多少?此時還能否使用經(jīng)典的動能公式?(m0=9.110-31 kg) 【思考問題】 電子被電場加速末動能如何計算? 提示：由動能定理計算:Ek=eU。 解析：由動能定理: Ek=eU=1.610-19100 J=1.610-17 J,上述計算表明,加速后的電子還屬于低速,可以使用經(jīng)典的動能公式。,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,答案：1.610-17J 0.02% 5.9106 m/s 可以使用經(jīng)典動能公式,問題導(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的速度相對實驗室參考系運(yùn)動。此粒子衰變時發(fā)射一個電子,電子相對于粒子的速度為0.8c,電子的運(yùn)動方向與粒子運(yùn)動方向相同。求電子相對于實驗室參考系的速度。 解析：已知v=0.05c,u=0.8c。 由相對論速度變換公式得,答案：0.817c,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,廣義相對論的幾個結(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：地球表面引力場很弱,對光的傳播方向影響很小,所以認(rèn)為光沿直線傳播。,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,1.光線在引力場中彎曲:根據(jù)廣義相對論,物質(zhì)的引力會使光線彎曲,引力場越強(qiáng),彎曲越厲害。通常物體的引力場都太弱,但太陽引力場卻能引起光線比較明顯的彎曲。 2.引力紅移:按照廣義相對論,引力場的存在使得空間不同位置的時間進(jìn)程出現(xiàn)差別。例如,在強(qiáng)引力的星球附近,時間進(jìn)程會變慢,因此光振動會變慢,相應(yīng)的光的波長變長、頻率變小,光譜線會發(fā)生向紅光一端移動的現(xiàn)象。光譜線的這種移動是在引力作用下發(fā)生的,所以叫“引力紅移”。 廣義相對論所作出的以上預(yù)言全部被實驗觀測所證實。還有其他一些事實也支持廣義相對論。目前,廣義相對論已經(jīng)在宇宙結(jié)構(gòu)、宇宙演化等方面發(fā)揮了主要作用。,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,(1)光線在引力場中彎曲,以及引力紅移現(xiàn)象都是在引力場很強(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,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,【例題2】 在適當(dāng)?shù)臅r候,通過儀器可以觀察到太陽后面的恒星,這說明恒星發(fā)出的光( ) A.經(jīng)過太陽時發(fā)生了衍射 B.可以穿透太陽及其他障礙物 C.在太陽引力場作用下發(fā)生了彎曲 D.經(jīng)過太陽外的大氣層時發(fā)生了折射 解析：根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論可知,光線在太陽引力場作用下發(fā)生了彎曲,所以可以在適當(dāng)?shù)臅r候(如日全食時)通過儀器觀察到太陽后面的恒星,故選項C正確,A、B、D錯誤。 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)廣義相對論引力場的存在也可以使光線發(fā)生彎曲。,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,變式訓(xùn)練2導(dǎo)學(xué)號73884157下列說法正確的是 ( ) A.由于太陽引力場的影響,我們有可能看到太陽后面的恒星 B.強(qiáng)引力作用可使光譜線向紅端偏移 C.引力場越強(qiáng)的位置,時間進(jìn)程越慢 D.由于物質(zhì)的存在,實際的空間是彎曲的 解析：由廣義相對論我們知道:物質(zhì)的引力使光線彎曲,因此選項A、D正確。在引力場中時間進(jìn)程變慢,而且引力越強(qiáng),時間進(jìn)程越慢,因此我們能觀察到引力紅移現(xiàn)象,所以選項B、C正確。 答案：ABCD,1 2 3 4,1.(考查物理學(xué)史)著名的科學(xué)家愛因斯坦在物理學(xué)的發(fā)展過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)造狹義相對論 C.提出了廣義相對論 D.提出質(zhì)量和能量的關(guān)系 答案：A,1 2 3 4,2.(考查相對論質(zhì)量)回旋加速器在對粒子進(jìn)行加速時,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,電場變換的周期和粒子在磁場中運(yùn)動的周期不相等了,所以不能繼續(xù)加速。關(guān)于周期變化的原因,下列說法正確的是( ) A.質(zhì)量的變化引起粒子在磁場中運(yùn)動周期的變化 B.人為地進(jìn)行調(diào)整,怕速度超過光速 C.由于回旋加速器的D形盒的半徑太小,所以粒子要離開磁場了 D.以上猜想都不對 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,速度對質(zhì)量的影響將會越來越大,從而改變了粒子在磁場中的運(yùn)行周期。 答案：A,1 2 3 4,3.導(dǎo)學(xué)號73884158(考查質(zhì)能方程)正、負(fù)電子的靜止質(zhì)量均為m0,當(dāng)一個正電子和一個負(fù)電子相遇時可以發(fā)生湮滅現(xiàn)象,即兩電子消失而產(chǎn)生一對相同的光子,則每個光子的能量為( ) A.m0c2 B.2m0c2,解析：光子能量的來源是電子質(zhì)量的損失,每個電子由于質(zhì)量而具有的能量是E=m0c2,兩個電子總共具有的能量是2m0c2,根據(jù)能量守恒可知,兩個光子的能量為2m0c2。 答案：A,1 2 3 4,4.(考查相對論速度變換公式)假如兔子相對你的速度是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,