物 理選修選修3-4 人教版人教版第十五章相對論簡介相對論簡介第三節(jié)第三節(jié) 狹義相對論的其他結(jié)論狹義相對論的其他結(jié)論第四節(jié)第四節(jié) 廣義相對論簡介廣義相對論簡介了解相對論速度變換公式了解相對論速度變換公式了解相對論質(zhì)量公式了解相對論質(zhì)量公式知道質(zhì)能方程知道質(zhì)能方程了解廣義相對性原理和等效原理了解廣義相對性原理和等效原理了解廣義相對論的幾個結(jié)論了解廣義相對論的幾個結(jié)論1 1課前預習課前預習2 2課內(nèi)探究課內(nèi)探究3 3素養(yǎng)提升素養(yǎng)提升4 4課堂達標課堂達標5 5課時作業(yè)課時作業(yè)課課 前前 預預 習習 1經(jīng)典物理速度變換公式 設車對地的速度為v，人對車的速度為u，車上人相對于地面的速度為u，經(jīng)典的時空觀：u_。 2相對論的速度變換公式 (1)_ 如果車上人運動方向與車運動方向相同，u取_值，如果車上人運動方向與車運動方向相反，u取_值。 (2)結(jié)論：光速c是宇宙萬物速度的極限，且相對于任何參考系都是_的。狹義相對論的其他結(jié)論狹義相對論的其他結(jié)論uv 正正 負負 不變不變 1經(jīng)典力學 物體的質(zhì)量是_的，一定的力作用在物體上，產(chǎn)生的加速度也是_的，足夠長的時間以后物體就可以達到_速度。 2相對論情況下 物體的質(zhì)量隨其速度的增大而增大。物體以速度v運動時的質(zhì)量m與靜止時的質(zhì)量m0的關(guān)系式為：_。 3質(zhì)能方程 質(zhì)能方程：_。 質(zhì)能方程表達了物體的質(zhì)量m和它所具有的能量E之間的關(guān)系。相對論質(zhì)量相對論質(zhì)量不變不變 一定一定 任意大的任意大的 Emc2 1超越狹義相對論的思考 愛因斯坦思考狹義相對論無法解決的兩個問題： (1)引力問題：萬有引力理論無法納入_的框架； (2)非慣性系問題：狹義相對論只適用于_。它們是促成廣義相對論的前提。 2廣義相對性原理和等效原理 (1)廣義相對性原理：在任何參考系中，物理規(guī)律都是_的。 (2)等效原理：一個均勻的引力場與一個做勻加速運動的參考系_。廣義相對論簡介廣義相對論簡介狹義相對論狹義相對論 慣性參考系慣性參考系 相同相同 等價等價 3廣義相對論的幾個結(jié)論 (1)光線經(jīng)過強引力場發(fā)生_； (2)引力紅移：引力場的存在使得空間不同位置的_進程出現(xiàn)了差別。而使矮星表面原子發(fā)光頻率_。彎曲彎曲 時間時間 偏低偏低 判一判 (1)物體的質(zhì)量發(fā)生變化時，能量一定發(fā)生變化。() (2)質(zhì)量是物體的固有屬性，因此在任何情況下都不會發(fā)生改變。() (3)只有運動物體才具有能量，靜止物體沒有能量。() (4)愛因斯坦質(zhì)能方程違反了質(zhì)量守恒定律。() (5)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。 () (6)教材中相對論速度變換公式適用于一切運動形式。() 選一選 如圖所示，雞蛋和乒乓球都靜止在地面上，關(guān)于二者所具有的能量關(guān)系，下列說法中正確的是() A雞蛋大 B乒乓球大 C一樣大 D無法進行比較 解析：物體所具有的能量和其質(zhì)量有關(guān)，根據(jù)質(zhì)能方程，質(zhì)量越大，所具有的能量越大，所以雞蛋具有的能量大于乒乓球具有的能量。A 想一想 愛因斯坦提出狹義相對論后，為什么還要提出廣義相對論？ 答案：愛因斯坦提出狹義相對論后，遇到了狹義相對論無法解決的兩個問題：萬有引力理論無法納入狹義相對論的框架；慣性參考系在狹義相對論中具有特殊的地位。為了解決這兩個問題，愛因斯坦又向前邁進一大步，提出了廣義相對論。課課 內(nèi)內(nèi) 探探 究究 當粒子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。探究一狹義相對論的其他結(jié)論探究一狹義相對論的其他結(jié)論提示：提示：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(zhì)量改變非常明顯，使所加電場的周期相同，而當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。到加速的目的。 2vc時，近似地mm0。 3微觀粒子的運動速度很高，它的質(zhì)量明顯地大于光子質(zhì)量。例如回旋加速器中被加速的粒子質(zhì)量會變大，導致做圓周運動的周期變大后，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。 三、質(zhì)能方程 1愛因斯坦質(zhì)能方程：Emc2。 質(zhì)能方程表達了物體的質(zhì)量和它所具有的能量的關(guān)系，即一定的質(zhì)量總是和一定的能量相對應。 2對于一個以速率v運動的物體，其總能量為動能與靜質(zhì)能之和，即EEkE0，其中靜質(zhì)能E0m0c2。 愛因斯坦質(zhì)能方程為開創(chuàng)原子能時代提供了理論基礎(chǔ)。當物體靜止時，它本身蘊含著一份很大的能量。如m01kg，其靜止能量E091016J。而我們通常所利用的物體的動能僅僅是mc2和m0c2之差，即EkEE0 特別提醒：(1)不能把質(zhì)量和能量混為一談，不能認為質(zhì)量消失了，只剩下能量在轉(zhuǎn)化，更不能認為質(zhì)量和能量可以相互轉(zhuǎn)變。 (2)在一切過程中，質(zhì)量和能量是分別守恒的，只有在微觀粒子的裂變和聚變過程中，有質(zhì)量虧損的情況下，才會有質(zhì)能方程的應用，即Emc2。 解題指導：本題需要理解愛因斯坦質(zhì)能方程，并用它解決實際問題。 答案：4.81026 W1.71018 kg 對點訓練1設想有一艘飛船以v0.8c的速度在地球上空飛行，如果這時從飛船上沿其運動方向拋出一物體，該物體相對于飛船的速度為0.9c，從地面上的人看來，物體的速度為() A1.7cB0.1c C0.99cD無法確定C 北京時間2010年11月16日凌晨1時30分，美國國家航空航天局(NASA)宣布該局發(fā)射的“錢德拉”X射線太空望遠鏡發(fā)現(xiàn)了一個黑洞。你知道“黑洞”是如何形成的嗎？ 提示：黑洞是質(zhì)量非常大的天體，引起了周圍的時空彎曲，以致于光也不能從黑洞中射出，從而形成了黑洞。探究二廣義相對論的幾個結(jié)論探究二廣義相對論的幾個結(jié)論 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，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(jié)構(gòu)、宇宙演化等方面發(fā)揮了重要作用。在適當?shù)臅r候，通過儀器可以觀察到太陽后面的恒星，這說明星體發(fā)出的光() A經(jīng)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C 解題指導：光線在引力場中發(fā)生彎曲。 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C正確，A、B、D均錯。 對點訓練2如果你以接近于光速的速度朝一星體飛行(如圖)，你是否可以根據(jù)下述變化發(fā)覺自己是在運動() A你的質(zhì)量在增加 B你的心臟跳動在慢下來 C你在變小 D你永遠不能由自身的變化知道你的速度 解析：根據(jù)廣義相對論的幾個結(jié)論，可知選項D正確。D 素素 養(yǎng)養(yǎng) 提提 升升(多選)關(guān)于Emc2，下列說法中正確的是() 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，對應著mc2的動能 C如果物體質(zhì)量減少m，就將該質(zhì)量轉(zhuǎn)化為mc2的能量 D如果物體質(zhì)量減少m，就將產(chǎn)生mc2的能量 易錯分析：根據(jù)Emc2得出結(jié)論認為“質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為能量，能量可以轉(zhuǎn)化為質(zhì)量”。這是對相對論的曲解。 解析：愛因斯坦的質(zhì)能關(guān)系說明了質(zhì)量和能量的對應關(guān)系和守恒關(guān)系，但不是能量和質(zhì)量的轉(zhuǎn)化關(guān)系，一個質(zhì)量為m的物體，一定具有mc2的能量，選項A、D正確。AD