高中物理 15.315.4 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34.ppt

第十五章相对论简介 15 3 15 4狭义相对论的其他结论广义相对论简介 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 学习目标定位 一 相对论速度变换公式 问题设计 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 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 一 相对论速度变换公式 人相对于车的运动方向与车同向 人相对于车的运动方向与车反向 2 对公式的理解假设高速火车对地面的速度为v 车上的一高速粒子以速度u 沿火车前进的方向相对火车运动 那么此粒子相对于地面的速度u为u 1 若粒子运动方向与火车运动方向相反 则u 取值 一 相对论速度变换公式 负 2 如果v c u c时 可忽略不计 这时相对论的速度变换公式可近似为 3 若u c v c 则u c 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速度的变换 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 一 相对论速度变换公式 u u v 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 二 相对论质量和质能方程 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 二 相对论质量和质能方程 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v c 所以运动物体的质量m它静止时的质量m0 但当v c时 m m0 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质量 二 相对论质量和质能方程 总要大于 2 质能方程关系式 式中m是 e是 二 相对论质量和质能方程 e mc2 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 三 广义相对论简介 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正加速上升的过程中 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 三 广义相对论简介 任何参考系 匀加速运动 三 广义相对论简介 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 一 相对论速度变换公式 典例精析 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 电子的衰变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 一 相对论速度变换公式 典例精析 解析已知v 0 05c u 0 8c 由相对论速度变换公式得u u 0 817c 答案0 817c 二 对质能方程的理解 典例精析 例2现在有一个静止的电子 被电压为107v的电场加速后 质量增大了多少 其质量为多少 m0 9 1 10 31kg c 3 108m s 解析由动能定理 加速后电子增加的动能为 ek eu 1 6 10 19 107j 1 6 10 12j由 ek mc2得电子增加的质量为 二 对质能方程的理解 典例精析 m kg 1 78 10 29kg此时电子的质量为 m m0 m 9 1 10 31 1 78 10 29 kg 1 871 10 29kg答案1 78 10 29kg1 871 10 29kg 二 对质能方程的理解 典例精析 例3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 e mc2中能量e其实就是物体的内能d 由 e mc2知质量与能量可以相互转化 二 对质能方程的理解 典例精析 解析e mc2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 e0 m0c2 m0叫做静质量 e mc2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 典例精析 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 这说明星体发出的光 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 典例精析 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 a b d均错 答案c 三 广义相对论的几个结论 课堂要点小结 自我检测区 1 2 3 4 1 2 3 4 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u v的关系是 a u u vb uu vd 以上均不正确 解析由相对论速度变换公式可知b正确 b 1 2 3 4 2 对质能方程的理解 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 1 2 3 4 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 在相对论力学中 由于物体的速度v不可能达到光速c 所以v c 1 2 1 根据m 可知选项c d均正确 答案acd 1 2 3 4 3 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 航天员以飞船为参考系看到这束光是沿直线传播的d 航天员以飞船为参考系看到这束光是沿曲线传播的 ad 1 2 3 4 4 对质能方程的理解 电子静止时质量为9 1 10 31kg 一个静止电子被电压为