《高速世界》课件（2）.ppt

第1节高速世界 1 初步了解经典时空观被突破的过程和爱因斯坦构造新理论的方法 2 了解相对论时空观的主要思想 能根据相对论时空观进行公式推导 并解释一些现象 3 认识经典力学的使用范围和局限性 4 体会科学研究方法和尊重实验事实的科学态度对人类认识自然的重要作用 一 高速世界的两个基本原理 相对性原理 在一切惯性参考系中都具有相同的形式 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作出描述的物理定律皆保持形式不变 光速不变原理内容 在一切 中 测量到的真空中的 都一样 光速不变原理表明 在一切惯性系中观测在真空中传播的同一束光 不论沿任何方向 其速度大小都为c 与光源或观察者的运动无关 所有物理规律 惯性参考系 光速c 二 时间延缓效应 内容 将一只高速运动的时钟与另一系列静止的同步钟相比较 发现 变慢了 这个效应叫做时间延缓效应 时间延缓效应也称作时间膨胀 运动的钟 三 长度收缩效应 自身长度 长度收缩 思考我们平时为何观察不到这种长度收缩效应呢 四 质速关系在经典力学中 物体的质量与物体的 无关 但在相对论中 运动物体的质量随其 的变化而变化 其中m为物体的 m0为 v为物体相对惯性系的运动速度 思考一个物体被加速 加速 再加速 它的速度会增大到等于甚至大于光速c吗 为什么 提示由质速关系可知 物体的质量随着速度的增大而增大 当速度接近光速时 物体的质量趋于无穷大 物体的加速度趋于零 因此物体被加速时 其速度不可能等于甚至大于光速 运动 运动速度 运动质量 静止质量 五 质能关系 在经典物理学中 质量和能量是两个彼此独立的概念 而相对论的结论则是 质量和能量是密切关联的并且是可以相互转化的 质能关系方程的两种形式 1 e 式中 m是物质的质量 单位是kg c是真空中的光速 单位是m s e则是物质的能量 单位是j 若某个物体静止质量为m0 则它对静止的观察者来说 其能量e m0c2 称为静能量 任何静质量不为零的物体 都蕴含着巨大的能量 2 e 式中 m表示物体质量的变化量 e表示能量的变化量 mc2 mc2 六 时空弯曲爱因斯坦的理想实验 科学预言 能使光线弯曲 也能使光线弯曲 在宇宙中 物质 大 高的区域时空弯曲 物质稀少的地方 时空弯曲小 实验验证 恒星的光线在太阳附近弯曲数据与广义相对论预言相当吻合 进一步推理 光线在引力场中的弯曲可 为空间本身被引力弯曲 引力不但影响 而且影响 即时空弯曲 加速运动 引力 能量 密度 大 等效 空间 时间 一 如何理解时间延缓效应和长度收缩效应 时间延缓效应 长度收缩效应按照狭义相对论时空观 空间也与运动密切相关 即对某物体空间广延性的观测 与观测者和该物体的相对运动有关 观测长度l 与静止长度l之间的关系 在通常情况下 物体的速度很小 相对论效应极其微小 可忽略不计 就简化为经典物理学 只有在高速运动时 相对论效应才显著 温馨提示1 时间延缓效应是一种观测效应 不是时钟走快了或走慢了 也不是被观测过程的节奏变化了 2 长度收缩效应也是一种观测效应 并不是物体本身发生了收缩 另外在垂直于运动方向不发生收缩效应现象 二 如何理解质速关系和质能关系 质速关系 1 经典物理学的观点经典力学认为物体的质量是物体的固有属性 与物体所在的位置 时间和运动的状态等均无任何关系 但由牛顿第二定律f ma可知 物体将匀加速至光速 甚至超过光速 但这是不可能的 2 相对论的观点由狭义相对论和其他物理原理 可推出物体的质量是变化的 当物体在所处的惯性参考系静止时它具有最小的质量m0 这个最小的质量叫做静止质量 当物体以速度v相对某惯性参考系运动时 在这个惯性参考系观测到它的质量为 质能关系 1 经典物理学的观点在经典物理学中 质量和能量是两个独立的概念 2 相对论的观点由爱因斯坦的相对论及基本力学定律可推出质量和能量具有如下关系 e mc2或 e mc2 温馨提示1 任何质量m都对应着一定的能量mc2 即任何静止的质量不为零的物体 都贮存着巨大的能量 2 质量和能量是物质不可分离的属性 3 核能的发现和利用让爱因斯坦的质能关系得到了验证 两个基本原理 典例1 关于狭义相对论的基本假设 下列说法正确的是 a 在不同惯性系中 力学规律都是相同的b 在不同的惯性系中 真空中的光速是不同的c 在不同参照系中 一切物理规律都是相同的d 对任何惯性系 真空中的光速都是相同的解析狭义相对论的基本假设均建立在惯性参考系的基础上 故a d正确 答案ad 变式1 一列很长的火车在沿平直车道飞快地匀速行驶 车厢中央有一个光源发出了一个闪光 闪光照到车厢的前壁和后壁 对这两个事件说法正确的是 a 车上的观察者认为两个事件是同时的b 车上的观察者认为光先到达后壁c 地面上的观察者认为两个事件是同时的d 地面上的观察者认为光到达前壁的时刻晚些 解析因为车厢是个惯性系 光向前 后传播的速度相同 光源又在车厢的中央 闪光当然会同时到达前后两壁 a对 地面上的观察者认为地面是一个惯性系 闪光向前 后传播的速度对地面也是相同的 但闪光飞向两壁的过程中 车厢向前行进了一段距离 所以向前的光传播的路程长些 到达前壁的时间也就晚些 故d也对 答案ad 典例2 太阳内部不停地发生着剧烈的热核反应 太阳每秒钟向外释放的能量约为3 8 1026j 则太阳的质量每秒钟减少多少 解析太阳向外释放出巨大的能量必然伴随着自身质量的减少 由 e mc2得太阳每秒减少的质量为 质能关系的应用