高中物理 第15章 相對論簡介 3-4 狹義相對論的其他結論 廣義相對論簡介課件 新人教版選修3-4.ppt

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3狹義相對論的其他結論4廣義相對論簡介 填一填 練一練 1 狹義相對論的其他結論 見課本第105頁 1 相對論速度變換公式 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 經典的時空觀 u u v 相對論的速度變換公式為 如果車上人運動方向與車運動方向相同 u 取正值 如果車上人運動方向與車運動方向相反 u 取負值 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 公式只適用于兩者運動方向在一條直線上的情況 填一填 練一練 2 相對論質量 經典力學 物體的質量是不變的 一定的力作用在物體上 產生的加速度也是一定的 足夠長的時間以后物體就可以達到任意的速度 相對論情況下 物體的質量隨其速度的增大而增大 物體以速度v運動時的質量m與靜止時的質量m0的關系式為 3 質能方程 質能方程 E mc2 質能方程表達了物體的質量m和它所具有的能量E之間的關系 填一填 練一練 2 廣義相對論簡介 見課本第107頁 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 引力問題 萬有引力理論無法納入狹義相對論的框架 非慣性系問題 狹義相對論只適用于慣性系 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 廣義相對性原理 在任何參考系中 物理規(guī)律都是相同的 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等價 填一填 練一練 3 廣義相對論的幾個結論 光線經過強引力場中發(fā)生彎曲 引力紅移 引力場的存在使得空間不同位置的時間進程出現(xiàn)了差別 例如 矮星表面的引力很強 按照廣義相對論 那里的時間進程比較慢 那里原子發(fā)光的頻率比同種原子在地球上發(fā)光的頻率低 看起來偏紅 這個現(xiàn)象叫作引力紅移 填一填 練一練 探究一 探究二 探究一對狹義相對論幾個結論的理解問題導引一列火車正以v 50m s的速度高速行駛 列車內一乘客以相對列車u 5m s的速度向前跑 站臺上的觀察者測得該乘客的速度是u v u 55m s 若列車的速度是0 9c 乘客的速度是0 5c 那么站臺上的觀察者測得該乘客的速度是0 9c 0 5c 1 4c嗎 探究一 探究二 名師精講1 相對論速度交換公式相對論認為 如果一列沿平直軌道高速運行的火車對地面的速度為v 車上的人以速度u 沿著火車前進的方向相對火車運動 那么這個人相對地面的速度 理解這個公式時要注意 1 如果車上的人的運動方向與火車的運動方向相反 則u 取負值 2 當v c u c時 可忽略不計 此時相對論的速度合成公式可近似為u u v 3 當u 和v的方向相垂直或成其他角度時 情況比較復雜 上式不適用 探究一 探究二 探究一 探究二 2 相對論質量相對論中質量和速度的關系為 理解這個公式時要注意 1 式中m0是物體靜止時的質量 也稱為靜質量 m是物體以速度v運動時的質量 這個關系式稱為相對論質速關系 它表明物體的質量會隨速度的增大而增大 2 當v c時 近似地有m m0 3 微觀粒子的運動速度很大 其質量明顯地大于靜止時的質量 例如 回旋加速器中被加速的粒子的質量變大 導致粒子做圓周運動的周期變大 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 3 質能方程 1 靜止物體的能量為E0 m0c2 這種能量叫做物體的靜質能 每個有靜質量的物體都具有靜質能 2 對于一個以速率v運動的物體 其動能Ek 3 物體的總能量E為動能與靜質能之和 即E Ek E0 mc2 m為動質量 4 由質能關系式可知 E mc2 探究一 探究二 探究一 探究二 探究一 探究二 典例剖析 例題1 一個原來靜止的電子 經過100V的電壓加速后它的動能是多少 質量改變了百分之幾 速度是多少 此時還能否使用經典的動能公式 m0 9 1 10 31kg 探究一 探究二 探究一 探究二 變式訓練1導學號38190148一粒子以0 05c的速度相對實驗室參考系運動 此粒子衰變時發(fā)射一個電子 電子相對于粒子的速度為0 8c 電子的運動方向與粒子運動方向相同 求電子相對于實驗室參考系的速度 解析 已知v 0 05c u 0 8c 由相對論速度變換公式得答案 0 817c 探究一 探究二 探究二廣義相對論的幾個結論問題導引地球表面有引力 那么為什么在地球表面均勻介質中光沿直線傳播 探究一 探究二 名師精講1 光線在引力場中彎曲 根據(jù)廣義相對論 物質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 廣義相對論已經在宇宙結構 宇宙演化等方面發(fā)揮了主要作用 探究一 探究二 探究一 探究二 典例剖析 例題2 在適當?shù)臅r候 通過儀器可以觀察到太陽后面的恒星 這說明恒星發(fā)出的光 A 經過太陽時發(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 經過太陽外的大氣層時發(fā)生了折射解析 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 故選項C正確 A B D錯誤 答案 C 探究一 探究二 探究一 探究二 變式訓練2導學號38190149下列說法中 正確的是 A 由于太陽引力場的影響 我們有可能看到太陽后面的恒星B 強引力作用可使光譜線向紅端偏移C 引力場越強的位置 時間進程越慢D 由于物質的存在 實際的空間是彎曲的解析 由廣義相對論我們知道 物質的引力使光線彎曲 因此選項A D正確 在引力場中時間進程變慢 而且引力越強 時間進程越慢 因此我們能觀察到引力紅移現(xiàn)象 所以選項B C正確 答案 ABCD 12345 1 下列說法中正確的是 A 在任何參考系中 物理規(guī)律都是相同的 這就是廣義相對性原理B 在不同的參考系中 物理規(guī)律都是不同的 例如牛頓定律僅適用于慣性參考系C 一個均勻的引力場與一個做勻速運動的參考系等價 這就是著名的等效原理D 一個均勻的引力場與一個做勻加速運動的參考系等價 這就是著名的等效原理解析 廣義相對論的兩個基本原理為 廣義相對性原理和等效原理 選項A D正確 答案 AD 12345 2 下列說法中正確的是 A 物體的引力使光線彎曲B 光線彎曲的原因是介質不均勻而非引力作用C 在強引力的星球附近 時間進程會變慢D 廣義相對論可以解釋引力紅移現(xiàn)象解析 根據(jù)廣義相對論的幾個結論可知 選項A C D正確 B錯誤 答案 ACD 12345 3 關于物體的質量 下列說法正確的是 A 在牛頓力學中 物體的質量是保持不變的B 在牛頓力學中 物體的質量隨物體的速度變化而變化C 在相對論力學中 物體靜止時的質量最小D 在相對論力學中 物體的質量隨物體的速度的增大而增大解析 根據(jù)質速公式分析 其中m是物體以速度v運動時的質量 m0是靜止時的質量 分析質速公式可知 選項A C D正確 答案 ACD 12345 4 設想有一艘飛船以v 0 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 A 1 7cB 0 1cC 0 99cD 無法確定解析 根據(jù)相對論速度變換公式 故選項C正確 答案 C 12345 5 導學號38190150 選做題 設想地球上有一觀察者測得一宇宙飛船以0 60c的速率向東飛行 5 0s后該飛船將與一個以0 80c的速率向西飛行的彗星相碰撞 試問 飛船中的人測得彗星將以多大的速率向它運動 解析 這是一個相對論速度變換問題 取地球為S系 飛船為S 系 向東為x軸正向 則S 系相對S系的速率v 0 60c 彗星相對S系的速率ux 0 80c即彗星以0 946c的速率向飛船靠近 答案 0 946c