高中物理 第15章 相对论简介 3-4 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3-4.ppt

3狭义相对论的其他结论4广义相对论简介 填一填 练一练 1 狭义相对论的其他结论 见课本第105页 1 相对论速度变换公式 设车对地的速度为v 人对车的速度为u 车上人相对于地面的速度为u 经典的时空观 u u v 相对论的速度变换公式为 如果车上人运动方向与车运动方向相同 u 取正值 如果车上人运动方向与车运动方向相反 u 取负值 如果u 和v的方向垂直或成其他任意角度 公式不成立 因此 公式只适用于两者运动方向在一条直线上的情况 填一填 练一练 2 相对论质量 经典力学 物体的质量是不变的 一定的力作用在物体上 产生的加速度也是一定的 足够长的时间以后物体就可以达到任意的速度 相对论情况下 物体的质量随其速度的增大而增大 物体以速度v运动时的质量m与静止时的质量m0的关系式为 3 质能方程 质能方程 E mc2 质能方程表达了物体的质量m和它所具有的能量E之间的关系 填一填 练一练 2 广义相对论简介 见课本第107页 1 超越狭义相对论的思考 爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的两个问题 引力问题 万有引力理论无法纳入狭义相对论的框架 非惯性系问题 狭义相对论只适用于惯性系 它们是促成广义相对论的前提 2 广义相对性原理和等效原理 广义相对性原理 在任何参考系中 物理规律都是相同的 等效原理 一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价 填一填 练一练 3 广义相对论的几个结论 光线经过强引力场中发生弯曲 引力红移 引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现了差别 例如 矮星表面的引力很强 按照广义相对论 那里的时间进程比较慢 那里原子发光的频率比同种原子在地球上发光的频率低 看起来偏红 这个现象叫作引力红移 填一填 练一练 探究一 探究二 探究一对狭义相对论几个结论的理解问题导引一列火车正以v 50m s的速度高速行驶 列车内一乘客以相对列车u 5m s的速度向前跑 站台上的观察者测得该乘客的速度是u v u 55m 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 9c 0 5c 1 4c吗 探究一 探究二 名师精讲1 相对论速度交换公式相对论认为 如果一列沿平直轨道高速运行的火车对地面的速度为v 车上的人以速度u 沿着火车前进的方向相对火车运动 那么这个人相对地面的速度 理解这个公式时要注意 1 如果车上的人的运动方向与火车的运动方向相反 则u 取负值 2 当v c u c时 可忽略不计 此时相对论的速度合成公式可近似为u u v 3 当u 和v的方向相垂直或成其他角度时 情况比较复杂 上式不适用 探究一 探究二 探究一 探究二 2 相对论质量相对论中质量和速度的关系为 理解这个公式时要注意 1 式中m0是物体静止时的质量 也称为静质量 m是物体以速度v运动时的质量 这个关系式称为相对论质速关系 它表明物体的质量会随速度的增大而增大 2 当v c时 近似地有m m0 3 微观粒子的运动速度很大 其质量明显地大于静止时的质量 例如 回旋加速器中被加速的粒子的质量变大 导致粒子做圆周运动的周期变大 它的运动与加在D形盒上的交变电压不再同步 回旋加速器的加速能量因此受到了限制 3 质能方程 1 静止物体的能量为E0 m0c2 这种能量叫做物体的静质能 每个有静质量的物体都具有静质能 2 对于一个以速率v运动的物体 其动能Ek 3 物体的总能量E为动能与静质能之和 即E Ek E0 mc2 m为动质量 4 由质能关系式可知 E mc2 探究一 探究二 探究一 探究二 探究一 探究二 典例剖析 例题1 一个原来静止的电子 经过100V的电压加速后它的动能是多少 质量改变了百分之几 速度是多少 此时还能否使用经典的动能公式 m0 9 1 10 31kg 探究一 探究二 探究一 探究二 变式训练1导学号38190148一粒子以0 05c的速度相对实验室参考系运动 此粒子衰变时发射一个电子 电子相对于粒子的速度为0 8c 电子的运动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v 0 05c u 0 8c 由相对论速度变换公式得答案 0 817c 探究一 探究二 探究二广义相对论的几个结论问题导引地球表面有引力 那么为什么在地球表面均匀介质中光沿直线传播 探究一 探究二 名师精讲1 光线在引力场中弯曲 根据广义相对论 物质的引力会使光线弯曲 引力场越强 弯曲越厉害 通常物体的引力场都太弱 但太阳引力场却能引起光线比较明显的弯曲 2 引力红移 按照广义相对论 引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别 例如 在强引力的星球附近 时间进程会变慢 因此光振动会变慢 相应的光的波长变长 频率变小 光谱线会发生向红光一端移动的现象 光谱线的这种移动是在引力作用下发生的 所以叫 引力红移 广义相对论所作出的以上预言全部被实验观测所证实 还有其他一些事实也支持广义相对论 目前 广义相对论已经在宇宙结构 宇宙演化等方面发挥了主要作用 探究一 探究二 探究一 探究二 典例剖析 例题2 在适当的时候 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 经过太阳时发生了衍射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 故选项C正确 A B D错误 答案 C 探究一 探究二 探究一 探究二 变式训练2导学号38190149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解析 由广义相对论我们知道 物质的引力使光线弯曲 因此选项A D正确 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 12345 1 下列说法中正确的是 A 在任何参考系中 物理规律都是相同的 这就是广义相对性原理B 在不同的参考系中 物理规律都是不同的 例如牛顿定律仅适用于惯性参考系C 一个均匀的引力场与一个做匀速运动的参考系等价 这就是著名的等效原理D 一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价 这就是著名的等效原理解析 广义相对论的两个基本原理为 广义相对性原理和等效原理 选项A D正确 答案 AD 12345 2 下列说法中正确的是 A 物体的引力使光线弯曲B 光线弯曲的原因是介质不均匀而非引力作用C 在强引力的星球附近 时间进程会变慢D 广义相对论可以解释引力红移现象解析 根据广义相对论的几个结论可知 选项A C D正确 B错误 答案 ACD 12345 3 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 物体的质量随物体的速度的增大而增大解析 根据质速公式分析 其中m是物体以速度v运动时的质量 m0是静止时的质量 分析质速公式可知 选项A C D正确 答案 ACD 12345 4 设想有一艘飞船以v 0 8c的速度在地球上空飞行 如果这时从飞船上沿其运动方向抛出一物体 该物体相对于飞船的速度为0 9c 从地面上的人看来 物体的速度为 A 1 7cB 0 1cC 0 99cD 无法确定解析 根据相对论速度变换公式 故选项C正确 答案 C 12345 5 导学号38190150 选做题 设想地球上有一观察者测得一宇宙飞船以0 60c的速率向东飞行 5 0s后该飞船将与一个以0 80c的速率向西飞行的彗星相碰撞 试问 飞船中的人测得彗星将以多大的速率向它运动 解析 这是一个相对论速度变换问题 取地球为S系 飞船为S 系 向东为x轴正向 则S 系相对S系的速率v 0 60c 彗星相对S系的速率ux 0 80c即彗星以0 946c的速率向飞船靠近 答案 0 946c