2018-2019學年高中物理 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論 閱讀教材第105、106頁,了解狹義相對論的幾個其他結論。 1.相對論速度變換公式是什么? 答案：設高速火車的速度為v,車上的人以速度u沿著火車前進的方向相對火車運動,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量? 答案：物體以速度v運動時的質量為m,和它靜止時的質量m0之間 有關系為m= ,根據(jù)此式可知,微觀粒子的運動速度很高時,它的質量明顯大于靜止時的質量,這個現(xiàn)象必須考慮,也就是說物體的質量與物體的速度有關,并不是恒定不變的。,讀一讀,辨一辨,3.質能方程表達式是什么?說明了什么? 答案：表達式E=mc2。說明物體具有的能量與物體的質量有關。 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及主要觀測證據(jù)。 1.如何認識廣義相對性原理? 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上,把相對性原理推廣到包括非慣性參考系在內的任意參考系,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,物體加速運動是由引力引起的還是參考系相對于物體運動造成的,一個均勻的引力場與一個做勻加速運動的參考系等價。這就是等效原理。 3.廣義相對論的其他幾個結論是什么? 答案：(1)根據(jù)等效原理,物質的引力使光線彎曲。(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程出現(xiàn)差別,在強引力場附近,時間進程會變慢。,讀一讀,辨一辨,1.思考辨析。 (1)愛因斯坦質能方程違反了質量守恒定律。 ( ) 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,在物體運動的速度和光速為一個數(shù)量級時,應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,那么此時電子的質量是靜止時的幾倍? 當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)物體運動質量和靜止質量之間的關系m= ,代入數(shù)據(jù)可得此時電子的質量是靜止時的5倍。 (2)回旋加速器的工作原理是利用電子在磁場中運動一個周期的時間跟所加電場的周期相同,而當粒子的速度接近光速時,其質量改變非常明顯,使粒子在磁場中運動的周期改變,從而和電場的周期不同步,進入電場后不能達到加速的目的。,問題導引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,對狹義相對論幾個結論的理解 一列火車正以v=50 m/s的速度高速行駛,列車內一乘客以相對列車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? 要點提示：不是。,問題導引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,1.相對論速度交換公式 相對論認為,如果一列沿平直軌道高速運行的火車對地面的速度為v,車上的人以速度u沿著火車前進的方向相對火車運動,那么這 個人相對地面的速度u= 。理解這個公式時要注意: (1)如果車上的人的運動方向與火車的運動方向相反,則u取負值。 (2)當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u和v的方向相垂直或成其他角度時,情況比較復雜,上式不適用。,問題導引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,2.相對論質量 相對論中質量和速度的關系為m= 。理解這個公式時要注意: (1)式中m0是物體靜止時的質量(也稱為靜質量),m是物體以速度v運動時的質量。這個關系式稱為相對論質速關系,它表明物體的質量會隨速度的增大而增大。 (2)當vc時,近似地有m=m0。 (3)微觀粒子的運動速度很大,其質量明顯地大于靜止時的質量。例如:回旋加速器中被加速的粒子的質量變大,導致粒子做圓周運動的周期變大,它的運動與加在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。,問題導引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,3.質能方程 (1)靜止物體的能量為E0=m0c2,這種能量叫作物體的靜質能。每個有靜質量的物體都具有靜質能。,(3)物體的總能量E為動能與靜質能之和,即E=Ek+E0=mc2(m為動質量)。 (4)由質能關系式可知E=mc2。 對于微觀、高速運動的物體,其速度的疊加不再按照宏觀運動規(guī)律,而是遵守相對論速度變換公式。,問題導引,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,問題導引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,變式訓練1一粒子以0.05c的速度相對實驗室參考系運動。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,電子的運動方向與粒子運動方向相同。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,問題導引,名師精講,典例剖析,廣義相對論的幾個結論 地球表面有引力,那么為什么在地球表面均勻介質中光沿直線傳播? 要點提示：地球表面引力場很弱,對光的傳播方向影響很小,所以認為光沿直線傳播。,探究一,探究二,問題導引,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,物質的引力會使光線彎曲,引力場越強,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程出現(xiàn)差別。例如,在強引力的星球附近,時間進程會變慢,因此光振動會變慢,相應的光的波長變長、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)在宇宙結構、宇宙演化等方面發(fā)揮了主要作用。,探究一,探究二,問題導引,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的情況下產(chǎn)生的效應。 (2)光在同一種均勻介質中沿直線傳播的現(xiàn)象在我們的日常生活中仍然成立。,探究一,探究二,問題導引,名師精講,典例剖析,【例題2】 在適當?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?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,問題導引,名師精講,典例剖析,變式訓練2導學號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.強引力作用可使光譜線向紅端偏移 C.引力場越強的位置,時間進程越慢 D.由于物質的存在,實際的空間是彎曲的 解析：由廣義相對論我們知道:物質的引力使光線彎曲,因此選項A、D正確。在引力場中時間進程變慢,而且引力越強,時間進程越慢,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.(考查物理學史)著名的科學家愛因斯坦在物理學的發(fā)展過程中做出了不可磨滅的貢獻,下列不是他作出的貢獻的是( ) 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.提出質量和能量的關系 答案：A,1 2 3 4,2.(考查相對論質量)回旋加速器在對粒子進行加速時,當加速到一定的數(shù)值,速度不再增加。而不增加的原因是當速度增加到某一值,電場變換的周期和粒子在磁場中運動的周期不相等了,所以不能繼續(xù)加速。關于周期變化的原因,下列說法正確的是( ) A.質量的變化引起粒子在磁場中運動周期的變化 B.人為地進行調整,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：物體的質量在低速情況下和靜止質量相差不多,但是當物體速度逐漸增大,速度對質量的影響將會越來越大,從而改變了粒子在磁場中的運行周期。 答案：A,1 2 3 4,3.導學號73884158(考查質能方程)正、負電子的靜止質量均為m0,當一個正電子和一個負電子相遇時可以發(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量的損失,每個電子由于質量而具有的能量是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,