沪科物理选修3-4 第5章5.3《奇特的相对论效应》《走近广义相对论》5.5《无穷的宇宙》

欢迎进入物理课堂 5 3奇特的相对论效应5 4走近广义相对论5 5无穷的宇宙 核心要点突破 课堂互动讲练 知能优化训练 5 3 5 4 5 5 课前自主学案 课标定位 课标定位 学习目标 1 了解运动时钟延缓 2 了解长度效应收缩 3 了解爱因斯坦质量公式和质能方程 4 了解广义相对论的两个基本原理 5 了解宇宙的起源及演化 重点难点 相对论效应及质能方程 课前自主学案 一 奇特的相对论效应1 运动时钟延缓在一个相对于我们做 的参考系中发生的物理过程 在我们看来 它所经历的时间比在这个惯性系中 到的时间 高速运动 直接观察 长 2 运动长度收缩爱因斯坦认为 长度的测量跟 的选择有关 如果某一惯性系相对于静止惯性系以速度v运动 在运动惯性系中测得的长度为L 在静止惯性系中测得的长度为L 那么L总要比L 短一些 这种效应叫做运动 或 这个效应显示了空间的 参考系 长度收缩 尺缩效应 相对性 增加 能量 爱因斯坦于1905年给出关系式 通常叫爱因斯坦的 在一个物理过程中 物体的质量发生了变化 其能量也相应发生变化 即满足关系式 二 走近广义相对论1 广义相对论的两个基本原理 1 在任何参考系中 包括惯性参考系 物理 和 都是相同的 这一原理叫做 2 一个均匀引力场与一个做加速运动的 等价 这一原理叫做 E mc2 质能关系 E mc2 过程 规律 广义相对性原理 参考系 等效原理 2 广义相对论的预言和证实 1 时空弯曲广义相对论认为 不是直的 而是 或扭曲的 如果质量越大 时空弯曲的程度也就 2 光线弯曲按照爱因斯坦的广义相对论 在引力场存在的情况下 光线是沿 的途径传播的 光线在引力场中弯曲的一个推论是 效应 时空 弯曲 越大 弯曲 引力透镜 3 引力红移根据爱因斯坦广义相对论 在强引力场中 时钟要走得 因此光在引力场中传播时 它的频率或波长会发生变化 计算表明 氢原子发射的光从太阳传播到地球时 频率要比地球上氢原子发射的光的频率低 这就是 三 无穷的宇宙1 宇宙的起源 慢 引力红移效应 目前最有影响的是 它是由俄裔美国物理学家伽莫夫在1948年首先提出的 该理论认为 我们观察到的宇宙 产生于最初的一次大爆炸 那时宇宙的温度极高 密度极大 体积极小 伽莫夫根据大爆炸理论预言 作为爆炸的后果 宇宙空间应该存在当时产生的微波辐射 20世纪60年代美国科学家威尔逊和彭齐亚斯在一次实验中意外接收到一种来自空间的一种微波噪声 为此他们获得了1978年的诺贝尔物理学奖 大爆炸学说 2 宇宙的演化1929年 美国天文学家哈勃用望远镜对远距离星云进行观测时 发现那些存在 红移 现象的恒星正在离我们远去 也说明星系系统处于一种 状态 在宇宙演化过程中 是恒星演化的结果 膨胀 黑洞 核心要点突破 1 观察运动的物体其长度要收缩 收缩只出现在运动方向 固有长度值最大 如图5 3 1所示 图5 3 1 即时应用 即时突破 小试牛刀 1 1905年 爱因斯坦创立了 相对论 提出了著名的质能方程 下列涉及对质能方程理解的几种说法中正确的是 A 若物体能量增大 则它的质量增大B 若物体能量增大 则它的质量减小C 若核反应过程质量减小 则需吸收能量D 若核反应过程质量增大 则会放出能量 解析 选A 由E mc2可知 若E增大 则m增大 若E减小 则m减小 A正确 B错误 若m减小 则E减小 若m增大 则E增大 C D均错误 四 绝对时空观与相对时空观的比较1 对时间的认识 1 绝对时空观认为 时间不会随参考系不同而变化 也就是说时间是绝对的 同时性 是绝对的 两个同时发生的事件 不论在静止参考系中的观测者还是匀速直线运动参考系中的观测者 他们测得这两个事件发生的时刻都是相同的 某事件经历的时间不会因参考系不同而不同 2 相对论时空观认为 时间是相对的 与参考系有关 不能脱离物体的运动来理解时间 同时 是相对的 对于一个参考系来说同时发生的两件事 对于另一个参考系来说不一定同时发生 时间不再均匀流逝 它与物体的运动状态有关 某物理过程经历的时间与参考系的选择有关 该物理过程的发生地相对观测者的速度越大 观测者测得的时间越长 2 对空间的认识 1 绝对时空观认为 空间是绝对的 物体占据的空间大小是绝对的 存在与参考系无关的绝对空间 2 相对时空观认为 空间两点间的距离与观测者的运动状态有关 空间不是绝对的 它与物体的运动状态有关 五 对广义相对论的进一步了解1 狭义相对论无法解决的问题 1 万有引力理论无法纳入狭义相对论的框架 2 惯性参考系在狭义相对论中具有特殊的地位 2 广义相对论的基本原理 1 广义相对性原理 爱因斯坦把狭义相对性原理从匀速和静止参考系推广到做加速运动的参考系 认为所有的参考系都是平权的 不论它们是惯性系还是非惯性系 对于描述物理现象来说都是平等的 2 等效原理 在物理学上 一个均匀的引力场等效于一个做匀加速运动的参考系 3 广义相对论的时空结构 加速参考系中出现的惯性力等效于引力 引力的出现对时空的影响 也就等效于加速参考系中的时空结构 通过对转动大圆盘的研究 得出如下结论 1 引力场中 时钟变慢 引力场越强 时钟变慢越甚 这就是引力的存在对时间的影响 2 引力的存在会使空间变形 在引力方向上 空间间隔不变 在与引力垂直的方向上 空间间隔变短 直尺变短 发生了弯曲 引力越强的地方 这种效应越明显 引力场是由质量不为零的物质产生的 引力使时空发生变化 也就是物质的存在使时间的流逝和空间的大小发生变化 广义相对论的时空结构认为时间和空间不仅与参考系有关 还与物质的运动和分布有关 在密度越大 质量越大处时空弯曲越严重 4 广义相对论的实验检验 1 水星近日点的进动 2 光线在引力场中的弯曲 3 引力红移 即时应用 即时突破 小试牛刀 2 用相对论的观点判断 下列说法不正确的是 A 时间和空间都是绝对的 在任何参考系中一个事件发生的时间和一个物体的长度总不会改变B 在地面上的人看来 以10km s的速度运动的飞船中的时间会变慢 但是飞船中的宇航员却看到时钟是准确的 C 在地面上的人看来 以10km s的速度运动的飞船在运动方向上会变窄 而飞船中的宇航员却感觉到地面上的人看起来比飞船中的人扁一些D 当物体运动的速度v c时 时间膨胀 和 长度收缩 效果可忽略不计 课堂互动讲练 一个钟在静止参考系中的摆动周期是3 0s 当一个观测者相对摆钟以0 99c的速度运动时 观测者测得的周期是多少 摆钟是变快了还是变慢了 答案 21 3s运动的观测者观测到的摆钟变慢了 方法总结 1 熟记狭义相对论的几个结论是解答此类问题的关键 2 应用相对论的关键是理解 相对性 的几个方面 如时间相对性和空间相对性 变式训练1以8km s的速度运行的人造卫星上一只完好的手表走过了1min 地面上的人认为它走过这1min 实际 花了多少时间 60 1 000000001s 60 000000006s 答案 60 000000006s 在2010年 有一太空船以0 8c的速度飞越 月球太空站 一科学家在月球上量得运动中的太空船长度为200m 此太空船最后在月球上登陆 此科学家再度测量静止的太空船的长度 他测量的结果如何 答案 333m 答案 见解析 设宇宙射线粒子的能量是其静止能量的k倍 则粒子运动时的质量等于其静止质量的 倍 粒子运动速度是光速的 倍 变式训练3一个运动物体的总能量为E E中是否考虑了物体的动能 答案 总能量已经包含了物体的动能 下列说法中 正确的是 A 由于太阳引力场的影响 我们有可能看到太阳后面的恒星B 强引力作用可使光谱线向红端偏移C 引力场越强的位置 时间进程越慢D 由于物质的存在 实际的空间是弯曲的 精讲精析 由广义相对论可知 物质的引力使光线弯曲 因此选项A D是正确的 在引力场中时间进程变慢 而且引力越强 时间进程越慢 因此我们能观察到引力红移现象 所以选项B C正确 答案 ABCD 变式训练4下列说法正确的是 A 哈勃发现的 红移 现象说明远处的星系正急速地远离我们而去B 哈勃发现的 红移 现象说明地球是宇宙的中心C 新星 和 超新星 是刚刚产生的恒星D 超新星 和 新星 的产生说明恒星正在不断灭亡 解析 选AD 哈勃发现的 红移 现象说明远处的星系在远离我们 但不能说明我们就处于宇宙的中心 只能说明我们与远处的星系存在相对运动 故A对B错 新星 和 超新星 是恒星消亡时的一种现象 故C错D对 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全