高中物理 153、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

课前自主导学 当堂双基达标 课堂互动探究 课后知能检测 教学教法分析 教学方案设计 3狭义相对论的其他结论4广义相对论简介 课标要求1 知道狭义相对论的其他结论 2 知道广义相对性原理和等效原理 3 知道光线在引力场中的弯曲及其验证 课标解读1 知道相对论速度变换公式 2 知道相对论质量和质能方程 3 知道广义相对性原理和等效原理 4 知道光线在引力场中的弯曲及引力红移现象 教学地位本节讲述狭义相对论的其它结论和广义相对论 使学生了解这些知识 激励学生探索科学的精神 新课导入建议如图教15 3 1所示 小河中流水的速度是3m s 小船顺流而下 由于划船 它相对于水的速度是1m s 那么船相对于河岸的速度是多少 假设水流的速度是0 7c c为真空中的光速 而小船相对于水的划行速度是0 3c 还能这样求船相对于河岸的速度吗 这节课我们探讨这类问题 教学流程设计 1 基本知识 1 相对论速度变换公式 公式 设高速行驶的火车的速度为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 结论 光速c是宇宙速度的 且相对任何参考系 光速都是的 极限 不变 2 相对论质量 经典力学 物体的质量是的 一定的力作用在物体上产生一定的 足够长时间后物体可以达到的速度 相对论 物体的质量随物体而增大 总要大于 不变 加速度 任意 速度增加 3 质能方程关系式 式中m是 e是 e mc2 物体的质量 它具有的能量 2 思考判断 1 只有运动物体才具有能量 静止物体没有能量 2 一定的质量总是和一定的能量相对应 3 e mc2中能量e其实就是物体的内能 3 探究交流最近流行一种 穿越 文学作品 设定主人公回到了过去 你认为可能吗 提示 物体运动速度越大 时间流逝越慢 根据相对论速度变化公式可知 物体的速度永远不能达到和超过光速 所以时光不能倒流 人也永远不能回到过去 1 基本知识 1 狭义相对论无法解决的问题 理论无法纳入狭义相对论框架 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 广义相对性原理 在中物理规律都是相同的 万有引力 惯性 任何参考系 等效原理 一个均匀的引力场与一个做 的参考系等价 3 广义相对论的几个结论 光线在中偏转 引力场的存在使得空间不同位置的出现偏差 引力红移 匀加速运动 引力场 时间进程 2 探究交流如图15 3 1所示 小河中流水的速度是3m s 小船顺流而下 由于划船 它相对于水的速度是1m s 那么船相对于河岸的速度是多少 假设水流的速度是0 7c c为真空中的光速 而上船相对于水的划行速度是0 3c 还能这样求船相对于河岸的速度吗 提示 如果物体的速度远小于真空中的光速 可以直接用u u v 求对地速度u 其中v为参考系相对于地的速度 u 为物体相对参考系的速度 u为物体对地速度 但当速度接近真空中的光速时就要考虑相对论速度变换公式 问题导思 1 如何理解运动物体的动能 2 物体的质量减小 物体的能量也减小 是质量转化为能量吗 2 如果质量发生了变化 其能量也相应发生变化 e mc2 这个方程常应用在核能的开发和利用上 如果系统的质量亏损为 m 就意味着有 e的能量释放 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 审题指导 解答本题应把握以下两点 1 质量发生明显变化 经典动能公式就不成立了 2 由 e mc2知 电子能量发生变化 则质量也发生变化 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 1 下列关于爱因斯坦质能方程的说法中 正确的是 a 只有运动物体才具有能量 静止物体没有质能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 解析 物体具有的质量与质量对应的能量称为质能 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d错误 b正确 静止的物体也具有能量 称为静质能e0 e0 m0c2 m0叫做静质量 e mc2中能量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 问题导思 1 如何理解光线在引力场中的弯曲 2 引力红移是如何发生的 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 3 水星近日点的进动天文观测显示 行星的轨道并不是严格闭合的 它们的近日点 或远日点 有进动 行星绕太阳一周后 椭圆轨道的长轴也随之有一点转动 叫做 进动 这个效应以离太阳最近的水星最为显著 这与牛顿力学理论的计算结果有较大的偏差 而爱因斯坦的广义相对论的计算结果与实验观察结果十分接近 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 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 审题指导 依据广义相对论中的引力场中的光线弯曲解题 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 2 多选 以下说法中 错误的是 a 矮星表面的引力很强b 时钟在引力场弱的地方比在引力场强的地方走得快些c 在引力场越弱的地方 物体长度越长d 在引力场强的地方 光谱线向绿端偏移 解析 因矮星体积很小 质量却不小 所以矮星表面引力很强 故选项a正确 根据广义相对论的结论可知 引力场越强 时间进程越慢 故选项b正确 c错误 在引力场强的地方光谱线向红端偏移称为引力红移 故选项d错误 答案 cd 1 多选 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 2 多选 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 答案 acd 3 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 u u vc u u vd 以上均不正确