物理选修选修3-4 人教版人教版新课标导学新课标导学新课标导学新课标导学第十五章相对论简介相对论简介第三节第三节 狭义相对论的其他结论狭义相对论的其他结论第四节第四节 广义相对论简介广义相对论简介了解相了解相对论速度速度变换公式公式了解相了解相对论质量公式量公式知道知道质能方程能方程了解广了解广义相相对性原理和等效原理性原理和等效原理了解广了解广义相相对论的几个的几个结论1 1课课前前预预习习2 2课课内内探探究究3 3素素养养提提升升4 4课课堂堂达达标标5 5课课时时作作业业课课 前前 预预 习习1经典物理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_。2相对论的速度变换公式(1)_如果车上人运动方向与车运动方向相同，u取_值，如果车上人运动方向与车运动方向相反，u取_值。(2)结论：光速c是宇宙万物速度的极限，且相对于任何参考系都是_的。狭义相对论的其他结论狭义相对论的其他结论uv 正正 负负 不变不变 1经典力学物体的质量是_的，一定的力作用在物体上，产生的加速度也是_的，足够长的时间以后物体就可以达到_速度。2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：_。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。相对论质量相对论质量不变不变 一定一定 任意大的任意大的 Emc2 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：(1)引力问题：万有引力理论无法纳入_的框架；(2)非惯性系问题：狭义相对论只适用于_。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(1)广义相对性原理：在任何参考系中，物理规律都是_的。(2)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_。广义相对论简介广义相对论简介狭义相对论狭义相对论 惯性参考系惯性参考系 相同相同 等价等价 3广义相对论的几个结论(1)光线经过强引力场发生_；(2)引力红移：引力场的存在使得空间不同位置的_进程出现了差别。而使矮星表面原子发光频率_。弯曲弯曲 时间时间 偏低偏低 判一判(1)物体的质量发生变化时，能量一定发生变化。()(2)质量是物体的固有属性，因此在任何情况下都不会发生改变。()(3)只有运动物体才具有能量，静止物体没有能量。()(4)爱因斯坦质能方程违反了质量守恒定律。()(5)爱因斯坦在狭义相对论中就解决了非惯性系的问题和引力的问题。()(6)教材中相对论速度变换公式适用于一切运动形式。() 选一选如图所示，鸡蛋和乒乓球都静止在地面上，关于二者所具有的能量关系，下列说法中正确的是()A鸡蛋大B乒乓球大C一样大D无法进行比较解析：物体所具有的能量和其质量有关，根据质能方程，质量越大，所具有的能量越大，所以鸡蛋具有的能量大于乒乓球具有的能量。A 想一想爱因斯坦提出狭义相对论后，为什么还要提出广义相对论？答案：爱因斯坦提出狭义相对论后，遇到了狭义相对论无法解决的两个问题：万有引力理论无法纳入狭义相对论的框架；惯性参考系在狭义相对论中具有特殊的地位。为了解决这两个问题，爱因斯坦又向前迈进一大步，提出了广义相对论。课课 内内 探探 究究当粒子回旋加速器把粒子加速到一定速度时，粒子在回旋加速器中就不能再加速了(即使回旋加速器足够大)，试解释其原因。探究一狭义相对论的其他结论探究一狭义相对论的其他结论提提示示：回回旋旋加加速速器器的的工工作作原原理理是是利利用用电电子子在在磁磁场场中中运运动动一一个个周周期期的的时时间间跟跟所所加加电电场场的的周周期期相相同同，而而当当粒粒子子的的速速度度接接近近光光速速时时，其其质质量量改改变变非非常常明明显显，使使粒粒子子在在磁磁场场中中运运动动的的周周期期改改变变，从从而而和和电电场场的的周周期期不不同同步步，进进入入电电场场后后不不能能达达到加速的目的。到加速的目的。2vc时，近似地mm0。3微观粒子的运动速度很高，它的质量明显地大于光子质量。例如回旋加速器中被加速的粒子质量会变大，导致做圆周运动的周期变大后，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。三、质能方程1爱因斯坦质能方程：Emc2。质能方程表达了物体的质量和它所具有的能量的关系，即一定的质量总是和一定的能量相对应。2对于一个以速率v运动的物体，其总能量为动能与静质能之和，即EEkE0，其中静质能E0m0c2。爱因斯坦质能方程为开创原子能时代提供了理论基础。当物体静止时，它本身蕴含着一份很大的能量。如m01kg，其静止能量E091016J。而我们通常所利用的物体的动能仅仅是mc2和m0c2之差，即EkEE0特别提醒：(1)不能把质量和能量混为一谈，不能认为质量消失了，只剩下能量在转化，更不能认为质量和能量可以相互转变。(2)在一切过程中，质量和能量是分别守恒的，只有在微观粒子的裂变和聚变过程中，有质量亏损的情况下，才会有质能方程的应用，即Emc2。解题指导：本题需要理解爱因斯坦质能方程，并用它解决实际问题。答案：4.81026 W1.71018 kg对点训练1设想有一艘飞船以v0.8c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()A1.7c B0.1cC0.99cD无法确定C 北京时间2010年11月16日凌晨1时30分，美国国家航空航天局(NASA)宣布该局发射的“钱德拉”X射线太空望远镜发现了一个黑洞。你知道“黑洞”是如何形成的吗？提示：黑洞是质量非常大的天体，引起了周围的时空弯曲，以致于光也不能从黑洞中射出，从而形成了黑洞。探究二广义相对论的几个结论探究二广义相对论的几个结论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重要作用。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C 解题指导：光线在引力场中发生弯曲。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。对点训练2如果你以接近于光速的速度朝一星体飞行(如图)，你是否可以根据下述变化发觉自己是在运动()A你的质量在增加B你的心脏跳动在慢下来C你在变小D你永远不能由自身的变化知道你的速度解析：根据广义相对论的几个结论，可知选项D正确。D 素素 养养 提提 升升(多选)关于Emc2，下列说法中正确的是()A质量为m的物体，就储存有mc2的能量B质量为m的物体，对应着mc2的动能C如果物体质量减少m，就将该质量转化为mc2的能量D如果物体质量减少m，就将产生mc2的能量易错分析：根据Emc2得出结论认为“质量可以转化为能量，能量可以转化为质量”。这是对相对论的曲解。解析：爱因斯坦的质能关系说明了质量和能量的对应关系和守恒关系，但不是能量和质量的转化关系，一个质量为m的物体，一定具有mc2的能量，选项A、D正确。AD