滬科物理選修3-4 第5章5.3《奇特的相對(duì)論效應(yīng)》《走近廣義相對(duì)論》5.5《無(wú)窮的宇宙》

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歡迎進(jìn)入物理課堂 5 3奇特的相對(duì)論效應(yīng)5 4走近廣義相對(duì)論5 5無(wú)窮的宇宙 核心要點(diǎn)突破 課堂互動(dòng)講練 知能優(yōu)化訓(xùn)練 5 3 5 4 5 5 課前自主學(xué)案 課標(biāo)定位 課標(biāo)定位 學(xué)習(xí)目標(biāo) 1 了解運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘延緩 2 了解長(zhǎng)度效應(yīng)收縮 3 了解愛(ài)因斯坦質(zhì)量公式和質(zhì)能方程 4 了解廣義相對(duì)論的兩個(gè)基本原理 5 了解宇宙的起源及演化 重點(diǎn)難點(diǎn) 相對(duì)論效應(yīng)及質(zhì)能方程 課前自主學(xué)案 一 奇特的相對(duì)論效應(yīng)1 運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘延緩在一個(gè)相對(duì)于我們做 的參考系中發(fā)生的物理過(guò)程 在我們看來(lái) 它所經(jīng)歷的時(shí)間比在這個(gè)慣性系中 到的時(shí)間 高速運(yùn)動(dòng) 直接觀察 長(zhǎng) 2 運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度收縮愛(ài)因斯坦認(rèn)為 長(zhǎng)度的測(cè)量跟 的選擇有關(guān) 如果某一慣性系相對(duì)于靜止慣性系以速度v運(yùn)動(dòng) 在運(yùn)動(dòng)慣性系中測(cè)得的長(zhǎng)度為L(zhǎng) 在靜止慣性系中測(cè)得的長(zhǎng)度為L(zhǎng) 那么L總要比L 短一些 這種效應(yīng)叫做運(yùn)動(dòng) 或 這個(gè)效應(yīng)顯示了空間的 參考系 長(zhǎng)度收縮 尺縮效應(yīng) 相對(duì)性 增加 能量 愛(ài)因斯坦于1905年給出關(guān)系式 通常叫愛(ài)因斯坦的 在一個(gè)物理過(guò)程中 物體的質(zhì)量發(fā)生了變化 其能量也相應(yīng)發(fā)生變化 即滿足關(guān)系式 二 走近廣義相對(duì)論1 廣義相對(duì)論的兩個(gè)基本原理 1 在任何參考系中 包括慣性參考系 物理 和 都是相同的 這一原理叫做 2 一個(gè)均勻引力場(chǎng)與一個(gè)做加速運(yùn)動(dòng)的 等價(jià) 這一原理叫做 E mc2 質(zhì)能關(guān)系 E mc2 過(guò)程 規(guī)律 廣義相對(duì)性原理 參考系 等效原理 2 廣義相對(duì)論的預(yù)言和證實(shí) 1 時(shí)空彎曲廣義相對(duì)論認(rèn)為 不是直的 而是 或扭曲的 如果質(zhì)量越大 時(shí)空彎曲的程度也就 2 光線彎曲按照愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論 在引力場(chǎng)存在的情況下 光線是沿 的途徑傳播的 光線在引力場(chǎng)中彎曲的一個(gè)推論是 效應(yīng) 時(shí)空 彎曲 越大 彎曲 引力透鏡 3 引力紅移根據(jù)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論 在強(qiáng)引力場(chǎng)中 時(shí)鐘要走得 因此光在引力場(chǎng)中傳播時(shí) 它的頻率或波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生變化 計(jì)算表明 氫原子發(fā)射的光從太陽(yáng)傳播到地球時(shí) 頻率要比地球上氫原子發(fā)射的光的頻率低 這就是 三 無(wú)窮的宇宙1 宇宙的起源 慢 引力紅移效應(yīng) 目前最有影響的是 它是由俄裔美國(guó)物理學(xué)家伽莫夫在1948年首先提出的 該理論認(rèn)為 我們觀察到的宇宙 產(chǎn)生于最初的一次大爆炸 那時(shí)宇宙的溫度極高 密度極大 體積極小 伽莫夫根據(jù)大爆炸理論預(yù)言 作為爆炸的后果 宇宙空間應(yīng)該存在當(dāng)時(shí)產(chǎn)生的微波輻射 20世紀(jì)60年代美國(guó)科學(xué)家威爾遜和彭齊亞斯在一次實(shí)驗(yàn)中意外接收到一種來(lái)自空間的一種微波噪聲 為此他們獲得了1978年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 大爆炸學(xué)說(shuō) 2 宇宙的演化1929年 美國(guó)天文學(xué)家哈勃用望遠(yuǎn)鏡對(duì)遠(yuǎn)距離星云進(jìn)行觀測(cè)時(shí) 發(fā)現(xiàn)那些存在 紅移 現(xiàn)象的恒星正在離我們遠(yuǎn)去 也說(shuō)明星系系統(tǒng)處于一種 狀態(tài) 在宇宙演化過(guò)程中 是恒星演化的結(jié)果 膨脹 黑洞 核心要點(diǎn)突破 1 觀察運(yùn)動(dòng)的物體其長(zhǎng)度要收縮 收縮只出現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)方向 固有長(zhǎng)度值最大 如圖5 3 1所示 圖5 3 1 即時(shí)應(yīng)用 即時(shí)突破 小試牛刀 1 1905年 愛(ài)因斯坦創(chuàng)立了 相對(duì)論 提出了著名的質(zhì)能方程 下列涉及對(duì)質(zhì)能方程理解的幾種說(shuō)法中正確的是 A 若物體能量增大 則它的質(zhì)量增大B 若物體能量增大 則它的質(zhì)量減小C 若核反應(yīng)過(guò)程質(zhì)量減小 則需吸收能量D 若核反應(yīng)過(guò)程質(zhì)量增大 則會(huì)放出能量 解析 選A 由E mc2可知 若E增大 則m增大 若E減小 則m減小 A正確 B錯(cuò)誤 若m減小 則E減小 若m增大 則E增大 C D均錯(cuò)誤 四 絕對(duì)時(shí)空觀與相對(duì)時(shí)空觀的比較1 對(duì)時(shí)間的認(rèn)識(shí) 1 絕對(duì)時(shí)空觀認(rèn)為 時(shí)間不會(huì)隨參考系不同而變化 也就是說(shuō)時(shí)間是絕對(duì)的 同時(shí)性 是絕對(duì)的 兩個(gè)同時(shí)發(fā)生的事件 不論在靜止參考系中的觀測(cè)者還是勻速直線運(yùn)動(dòng)參考系中的觀測(cè)者 他們測(cè)得這兩個(gè)事件發(fā)生的時(shí)刻都是相同的 某事件經(jīng)歷的時(shí)間不會(huì)因參考系不同而不同 2 相對(duì)論時(shí)空觀認(rèn)為 時(shí)間是相對(duì)的 與參考系有關(guān) 不能脫離物體的運(yùn)動(dòng)來(lái)理解時(shí)間 同時(shí) 是相對(duì)的 對(duì)于一個(gè)參考系來(lái)說(shuō)同時(shí)發(fā)生的兩件事 對(duì)于另一個(gè)參考系來(lái)說(shuō)不一定同時(shí)發(fā)生 時(shí)間不再均勻流逝 它與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān) 某物理過(guò)程經(jīng)歷的時(shí)間與參考系的選擇有關(guān) 該物理過(guò)程的發(fā)生地相對(duì)觀測(cè)者的速度越大 觀測(cè)者測(cè)得的時(shí)間越長(zhǎng) 2 對(duì)空間的認(rèn)識(shí) 1 絕對(duì)時(shí)空觀認(rèn)為 空間是絕對(duì)的 物體占據(jù)的空間大小是絕對(duì)的 存在與參考系無(wú)關(guān)的絕對(duì)空間 2 相對(duì)時(shí)空觀認(rèn)為 空間兩點(diǎn)間的距離與觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān) 空間不是絕對(duì)的 它與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān) 五 對(duì)廣義相對(duì)論的進(jìn)一步了解1 狹義相對(duì)論無(wú)法解決的問(wèn)題 1 萬(wàn)有引力理論無(wú)法納入狹義相對(duì)論的框架 2 慣性參考系在狹義相對(duì)論中具有特殊的地位 2 廣義相對(duì)論的基本原理 1 廣義相對(duì)性原理 愛(ài)因斯坦把狹義相對(duì)性原理從勻速和靜止參考系推廣到做加速運(yùn)動(dòng)的參考系 認(rèn)為所有的參考系都是平權(quán)的 不論它們是慣性系還是非慣性系 對(duì)于描述物理現(xiàn)象來(lái)說(shuō)都是平等的 2 等效原理 在物理學(xué)上 一個(gè)均勻的引力場(chǎng)等效于一個(gè)做勻加速運(yùn)動(dòng)的參考系 3 廣義相對(duì)論的時(shí)空結(jié)構(gòu) 加速參考系中出現(xiàn)的慣性力等效于引力 引力的出現(xiàn)對(duì)時(shí)空的影響 也就等效于加速參考系中的時(shí)空結(jié)構(gòu) 通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)大圓盤(pán)的研究 得出如下結(jié)論 1 引力場(chǎng)中 時(shí)鐘變慢 引力場(chǎng)越強(qiáng) 時(shí)鐘變慢越甚 這就是引力的存在對(duì)時(shí)間的影響 2 引力的存在會(huì)使空間變形 在引力方向上 空間間隔不變 在與引力垂直的方向上 空間間隔變短 直尺變短 發(fā)生了彎曲 引力越強(qiáng)的地方 這種效應(yīng)越明顯 引力場(chǎng)是由質(zhì)量不為零的物質(zhì)產(chǎn)生的 引力使時(shí)空發(fā)生變化 也就是物質(zhì)的存在使時(shí)間的流逝和空間的大小發(fā)生變化 廣義相對(duì)論的時(shí)空結(jié)構(gòu)認(rèn)為時(shí)間和空間不僅與參考系有關(guān) 還與物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和分布有關(guān) 在密度越大 質(zhì)量越大處時(shí)空彎曲越嚴(yán)重 4 廣義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn) 1 水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng) 2 光線在引力場(chǎng)中的彎曲 3 引力紅移 即時(shí)應(yīng)用 即時(shí)突破 小試牛刀 2 用相對(duì)論的觀點(diǎn)判斷 下列說(shuō)法不正確的是 A 時(shí)間和空間都是絕對(duì)的 在任何參考系中一個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間和一個(gè)物體的長(zhǎng)度總不會(huì)改變B 在地面上的人看來(lái) 以10km s的速度運(yùn)動(dòng)的飛船中的時(shí)間會(huì)變慢 但是飛船中的宇航員卻看到時(shí)鐘是準(zhǔn)確的 C 在地面上的人看來(lái) 以10km s的速度運(yùn)動(dòng)的飛船在運(yùn)動(dòng)方向上會(huì)變窄 而飛船中的宇航員卻感覺(jué)到地面上的人看起來(lái)比飛船中的人扁一些D 當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)的速度v c時(shí) 時(shí)間膨脹 和 長(zhǎng)度收縮 效果可忽略不計(jì) 課堂互動(dòng)講練 一個(gè)鐘在靜止參考系中的擺動(dòng)周期是3 0s 當(dāng)一個(gè)觀測(cè)者相對(duì)擺鐘以0 99c的速度運(yùn)動(dòng)時(shí) 觀測(cè)者測(cè)得的周期是多少 擺鐘是變快了還是變慢了 答案 21 3s運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)者觀測(cè)到的擺鐘變慢了 方法總結(jié) 1 熟記狹義相對(duì)論的幾個(gè)結(jié)論是解答此類(lèi)問(wèn)題的關(guān)鍵 2 應(yīng)用相對(duì)論的關(guān)鍵是理解 相對(duì)性 的幾個(gè)方面 如時(shí)間相對(duì)性和空間相對(duì)性 變式訓(xùn)練1以8km s的速度運(yùn)行的人造衛(wèi)星上一只完好的手表走過(guò)了1min 地面上的人認(rèn)為它走過(guò)這1min 實(shí)際 花了多少時(shí)間 60 1 000000001s 60 000000006s 答案 60 000000006s 在2010年 有一太空船以0 8c的速度飛越 月球太空站 一科學(xué)家在月球上量得運(yùn)動(dòng)中的太空船長(zhǎng)度為200m 此太空船最后在月球上登陸 此科學(xué)家再度測(cè)量靜止的太空船的長(zhǎng)度 他測(cè)量的結(jié)果如何 答案 333m 答案 見(jiàn)解析 設(shè)宇宙射線粒子的能量是其靜止能量的k倍 則粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量等于其靜止質(zhì)量的 倍 粒子運(yùn)動(dòng)速度是光速的 倍 變式訓(xùn)練3一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體的總能量為E E中是否考慮了物體的動(dòng)能 答案 總能量已經(jīng)包含了物體的動(dòng)能 下列說(shuō)法中 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 精講精析 由廣義相對(duì)論可知 物質(zhì)的引力使光線彎曲 因此選項(xiàng)A D是正確的 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 變式訓(xùn)練4下列說(shuō)法正確的是 A 哈勃發(fā)現(xiàn)的 紅移 現(xiàn)象說(shuō)明遠(yuǎn)處的星系正急速地遠(yuǎn)離我們而去B 哈勃發(fā)現(xiàn)的 紅移 現(xiàn)象說(shuō)明地球是宇宙的中心C 新星 和 超新星 是剛剛產(chǎn)生的恒星D 超新星 和 新星 的產(chǎn)生說(shuō)明恒星正在不斷滅亡 解析 選AD 哈勃發(fā)現(xiàn)的 紅移 現(xiàn)象說(shuō)明遠(yuǎn)處的星系在遠(yuǎn)離我們 但不能說(shuō)明我們就處于宇宙的中心 只能說(shuō)明我們與遠(yuǎn)處的星系存在相對(duì)運(yùn)動(dòng) 故A對(duì)B錯(cuò) 新星 和 超新星 是恒星消亡時(shí)的一種現(xiàn)象 故C錯(cuò)D對(duì) 同學(xué)們 來(lái)學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來(lái)學(xué)校和回家的路上要注意安全