《高速世界》课件（1）.ppt

第1节高速世界 核心要点突破 课堂互动讲练 知能优化训练 第1节 课前自主学案 课标定位 课标定位 学习目标 1 初步了解爱因斯坦相对论建立的背景 知道时间延缓 长度收缩效应 质速关系 质能关系和时空弯曲 能运用相对论知识解释简单的现象 2 了解经典物理学的局限性 知道经典时空观与相对论时空观的关系 3 初步认识 猜想 假设 和物理模型的构建在科学研究中的重要作用 培养大胆质疑的勇气和批判意识 重点难点 1 通过分析了解经典物理时空观的局限性及其与相对论时空观的差异 2 理解时间延缓效应 长度收缩效应和质速关系 质能关系 课前自主学案 一 高速世界的两个基本原理1 相对性原理 所有物理规律在一切惯性参照系中都具有 2 光速不变原理 在一切惯性参照系中 测量到的 都一样 c 3 108m s 二 时间延缓效应1 时间延缓效应 运动的钟比静止的钟走得 这种效应被称为时间延缓 2 在相对论时空观中 t为运动时间 t 为静止时间 满足 相同的形式 真空中的光速c 慢 三 长度收缩效应1 长度收缩效应 在相对于物体运动着的惯性系中沿运动方向测出的物体长度 比在相对静止的惯性参照系中测出的 2 长度收缩效应表达式 短 四 质速关系当物体在所处的惯性参照系中静止时 质量m0最小 称为 当物体相对于惯性系以速度v运动 在此惯性系内观测它的质量为物体的质量随 的增大而 在低速运动中 质量的变化可以 静止质量 速度 增大 忽略 五 质能关系按照相对论及基本力学定律可得质量和能量的关系为e 称为质能关系式 物质的质量减少或增加时 必然伴随 的减少或增加 其关系为 e 六 时空弯曲1 爱因斯坦认为 和 对轨迹的弯曲是等效的 如果加速能使光线 那么引力也能使光线 2 按照广义相对论 光线在引力场中的弯曲可等效为 被引力弯曲了 引力不但影响空间 还影响 此影响可描述为 3 在宇宙中 物质 的区域时空弯曲大 物质稀少的地方 时空较 平直 mc2 能量 mc2 加速 引力 弯曲 弯曲 空间本身 时空弯曲 时间 质量大 密度高 核心要点突破 一 对狭义相对论时空观的理解1 狭义相对论的基本原理 1 相对性原理 内容 所有物理规律在一切惯性参照系中都具有相同的形式 对相对性原理的两点理解a 惯性系是指牛顿运动定律成立的参考系 相对于一个惯性系做匀速直线运动的另一个参照系也是惯性系 b 相对性原理表明 在某个惯性系中描述某个物理系统的某个物理过程的物理定律 在其他一切惯性系中对该系统该过程做出描述的物理定律的形式皆保持形式不变 2 光速不变原理 内容 在一切惯性参照系中 测到的真空中的光速都一样 光速不变原理表明 在一切惯性系中观测真空中传播的光 其传播速度均为c 与光源或者观察者的运动无关 图6 1 1 由于vm0 速度v越大 运动质量也越大 当v 0 98c时 m 5m0 当速度v c时 m m0 这就回到了经典物理学的结论 物体的质量与物体的运动状态无关 对于速度v c的光子 其静止质量m0 0 即只有静止质量为零的粒子 才能以速度c运动 对于质量m0 0的物体 当v c时 m 可见 即使长时间对物体施加恒力f的作用 物体的速度也不可能无止境地增大 其速度不可能达到光速c 二 对质能方程的理解1 质能方程说明 一定质量总是跟一定能量相联系的 具体地说 一定质量的物体所具有的总能量是一定的 等于光速的平方与其质量之积 这里所说的总能量 不是单指物体的动能 核能或其他哪一种能量 而是物体所具有的各种能量的总和 2 根据质能方程 物体的总能量与其质量成正比 物体的质量增加 总能量随之增加 质量减少 物体的总能量也随之减少 这时质能方程也写作 e mc2 特别提醒 1 任何质量m都对应着一定的能量mc2 但质量不是能量 2 爱因斯坦曾把这个公式看做他的狭义相对论最有意义的结果 因为这个公式为开发和利用原子能提供了理论基础 3 公式 e mc2表示 随着一个物体质量的减少 会释放出一定的能量 与此同时 另一个物体吸收了能量 质量也会随之增加 三 广义相对论和时空弯曲的认识1 广义相对性原理在任何参照系中 包括非惯性系 物理规律都是相同的 这意味着惯性系中的运动定律在非惯性系中都是相同的 但要满足相对性原理 2 相对论的等效原理一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参照系等价 这意味着一个非惯性系可以看成一个惯性系 只不过是它的后面有一个均匀的引力场 因为惯性和引力在非惯性系中是分不清的 3 时空弯曲当物体做加速运动或在非惯性系中时 光线将不再沿直线传播 光线在引力场中的弯曲可等效为空间本身被引力弯曲了 引力不但影响空间 还影响时间 因此对影响的最佳描述就是时空弯曲 物质的引力使光线弯曲 时间间隔与引力场有关 课堂互动讲练 设某人在以速度为0 5c的飞船上 打开一个光源 则下列说法正确的是 a 飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为1 5cb 飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为0 5cc 在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是0 5cd 在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c 思路点拨 解答此题时应注意爱因斯坦的光速不变原理 精讲精析 由爱因斯坦的狭义相对论 光速不变原理可得 在真空中的光速在不同的惯性参照系中都是相同的 地面的观察者是惯性参照系 只要是站在地面上的观察者 看到的光速都是相等的 所以a b c错误 d正确 答案 d 方法总结 在一切惯性参照系中测得的光速都是一样的 关键是判断是不是都在惯性参照系中观察 变式训练1关于狭义相对论的基本假设 下列说法中正确的是 在不同惯性系中 力学规律都是相同的 在不同的惯性系中 真空中的光速是不同的 在不同参照系中 一切物理规律都是相同的 对任何惯性系 真空中的光速都是相同的a b c d 解析 选d 狭义相对论的基本假设均建立在惯性参照系的基础上 故 正确 故选d 狭义相对论时空观的应用 半人马星座 星是离太阳系最近的恒星 它距地球为4 3 1016m 设有一宇宙飞船自地球往返于半人马星座 星之间 1 若宇宙飞船的速率为0 999c 按地球上时钟计算 飞船往返一次需多少时间 2 如以飞船上时钟计算 往返一次的时间又为多少 思路点拨 根据时间的相对性 利用时间延缓公式计算 答案 1 2 87 108s 2 1 28 107s 方法总结 理解时间在不同参考系中同时的相对性 物体所在的惯性系相对于我们所在的惯性系的速度越大 我们所观测到的物理过程的时间就越长 时间过得就越慢 解决问题时明确哪个是物体所在运动参考系的时间 哪个是观测参考系的时间 变式训练2在静止坐标系中的正立方体每边长为l0 另一坐标系以相对速度v平行于立方体的一边运动 问在后一坐标系中的观察者测得的立方体体积是多少 太阳在不断地辐射能量 因而其质量也不断地减少 若太阳每秒钟辐射的总能量为4 1026j 试计算太阳在一秒内失去的质量 估算5000年内总共减少了多少质量 并求5000年内减少的质量与太阳的总质量