新高中物理 第十五章 2狭义相对论的其他结论 广义相对论简介课件 新人教版选修34

第十五章相对论简介学案2狭义相对论的其他结论广义相对论简介目标定位1.知道相对论速度变换公式、相对论质量和质能方程.2.了解广义相对论的基本原理.3.初步了解广义相对论的几个主要结论以及主要观测证据.知识探究自我检测一、相对论速度变换公式 问题设计一列火车正以v50 m/s的速度高速行驶，列车内一乘客以相对列车u5 m/s的速度向前跑，站台上的观察者测得该乘客的速度是uvu55 m/s.若列车的速度是0.9c，乘客的速度是0.5c，那么站台上的观察者测得该乘客的速度是0.9c0.5c1.4c吗？知识探究答案不是.光速c是极限速度.要点提炼1.公式：设高速行驶的火车对地面的速度为v，车上的人相对火车以速度u运动，那么人相对地面的速度为u.2.对公式的理解(1)若人的运动方向与火车运动方向相反，则u取 值.负(2)如果vc，uc时， 可忽略不计，这时相对论的速度变换公式可近似为 .(3)若uc，vc，则uc，表明一切物体的速度都不能超过光速.(4)该变换公式只适用于同一直线上匀速运动时的速度变换，对于更复杂的情况不适用.(5)光速c是宇宙速度的 ，且相对任何参考系，光速都是 的.uuv极限不变二、相对论质量和质能方程 问题设计回旋加速器中磁场一次次把粒子拉到狭缝处，狭缝处的电场一次次加速带电粒子.假如回旋加速器的半径可以增大到很大，磁感应强度足够大，经回旋加速器加速的粒子的速度可以达到任意速度甚至超过光速吗？答案不可以很大，不可以超过光速.因为回旋加速器的理论基础是粒子在磁场中做圆周运动的周期(T )等于交变电场的周期；速度较小时粒子的质量m可以认为不变，周期T不变，电场变化与粒子圆周运动同步，但速度较大时，质量增大明显，粒子做圆周运动的周期T变大，无法做到圆周运动的周期与交变电场的周期同步.要点提炼1.相对论质量(1)经典力学：物体的质量是 的，一定的力作用在物体上产生 的加速度，经过足够长时间后物体可以达到 的速度.(2)相对论：物体的质量随物体速度的 而 .不变一定任意增加增大物体以速度v运动时的质量m与静止时的质量m0之间的关系是：m .因为总有vc，所以运动物体的质量m 它静止时的质量m0，但当vc时，mm0，所以低速运动的物体，可认为其质量与运动速度无关.微观粒子的速度很大，因此粒子质量明显大于静止质量.总要大于2.质能方程关系式： ，式中m是 ，E是 .如果质量发生了变化，其能量也相应发生变化Emc2，这个方程常应用在核能的开发和利用上.如果系统的质量亏损为m，就意味着有E的能量释放.Emc2物体的质量它具有的能量三、广义相对论简介 问题设计1.在一个全封闭的宇宙飞船中，若飞船静止，宇航员将一小球自由释放，小球将怎样运动？假如没有引力场，飞船加速上升，宇航员将小球自由释放，小球相对飞船会怎样运动？答案小球都是以某一加速度落向舱底.2.宇航员能否根据“小球的加速下落”判断飞船是静止在一个引力场中，还是正处在一个没有引力场而加速上升的过程中？答案不能.要点提炼1.广义相对论的基本原理(1)广义相对性原理：在 中，物理规律都是相同的.(2)等效原理：一个均匀的引力场与一个做 的参考系等价.任何参考系匀加速运动2.广义相对论的几个结论(1)光线在引力场中 .(2)引力场的存在使得空间不同位置的 出现差别(引力红移).弯曲时间进程典例精析一、相对论速度变换公式例1一粒子以0.05c的速率相对实验室参考系运动.此粒子衰变时发射出一个电子，电子相对于粒子的速度为0.8c，电子的速度方向与粒子运动方向相同.求电子相对于实验室参考系的速度.解析已知v0.05c，u0.8c.由相对论速度变换公式得答案0.817c二、对质能方程的理解例2下列关于爱因斯坦质能方程的说法中，正确的是()A.只有运动的物体才具有质能，静止的物体没有质能B.一定的质量总是和一定的能量相对应C.Emc2中能量E其实就是物体的内能D.由Emc2知质量与能量可以相互转化解析Emc2表明质量与能量之间存在一一对应的关系，物体吸收或放出能量，则对应的质量会增加或减少，质量与能量并没有相互转化.故选项B正确，D错误.静止的物体也具有能量，称为静质能，E0m0c2，m0叫做静质量；Emc2中的能量E包括静质能E0和动能Ek，而非物体的内能，故选项A、C错误.答案B例3现在有一个静止的电子，被电压为107 V的电场加速后，质量增大了多少？其质量为多少？(m09.11031 kg，c3108 m/s)解析由动能定理，加速后电子增加的动能为：EkeU1.61019107 J1.61012 J由Ekmc2得电子增加的质量为：此时电子的质量为：mm0m(9.110311.781029) kg1.8711029 kg.答案1.781029 kg1.8711029 kg三、广义相对论的几个结论例4在日全食的时候，通过仪器可以观察到太阳后面的恒星，这说明恒星发出的光()A.经太阳时发生了衍射B.可以穿透太阳及其他障碍物C.在太阳引力场作用下发生了弯曲D.经过太阳外的大气层时发生了折射解析根据爱因斯坦的广义相对论可知，光线在太阳引力场作用下发生了弯曲，所以可以在适当的时候(如日全食时)通过仪器观察到太阳后面的恒星，故C正确.答案C课堂要点小结1.(相对论速度变换公式)在高速运动的火车上，设车对地面的速度为v，车上的人以速度u沿着火车前进的方向相对火车运动，那么他相对地面的速度u与uv的关系是()A.uuvB.uuv D.以上均不正确自我检测解析由相对论速度变换公式可知B正确.B2.(相对论质量)关于物体的质量，下列说法正确的是()A.在牛顿力学中，物体的质量是保持不变的B.在牛顿力学中，物体的质量随物体的速度变化而变化C.在相对论力学中，物体静止时的质量最小D.在相对论力学中，物体的质量随物体速度的增大而增大解析在牛顿力学中，物体的质量是保持不变的，故选项A正确，B错误；答案ACD3.(广义相对论的几个结论)在引力可以忽略的空间有一艘宇宙飞船在做匀加速直线运动，一束光垂直于飞船的运动方向在飞船内传播，下列说法中正确的是()A.船外静止的观察者看到这束光是沿直线传播的B.船外静止的观察者看到这束光是沿曲线传播的C.宇航员以飞船为参考系看到这束光是沿直线传播的D.宇航员以飞船为参考系看到这束光是沿曲线传播的AD4.(对质能方程的理解)已知电子的静止能量为0.511 MeV，若电子的动能为0.25 MeV，则它所增加的质量m与静止质量m0的比值近似为()A.0.1 B.0.2C.0.5 D.0.9解析设电子运动时的速度为v由题意知E0m0c20.511 MeV电子运动时的能量EE0Ek0.761 MeV又因为Emc2答案C