学沪科版选修34 5.3奇特的相对论效应 课件（1）（41张）.ppt

5 3奇特的相对论效应 1 了解运动时钟延缓 重点 2 了解长度效应收缩 重点 3 了解爱因斯坦质量公式和质能方程 重点 4 了解广义相对论的两个基本原理 重点 5 了解宇宙的起源及演化 1 同时的相对性 五相对论时空观 一 奇特的相对论效应1 运动时钟延缓在一个相对于我们做 的惯性系中发生的物理过程 在我们看来 它所经历的时间比在这个惯性系中直接观测到的时间 高速运动 长 1 时间延缓的理解如图所示 k 系中 a 处有闪光光源及时钟c m 为反射镜 k 系相对k系以速度u向右运动 第一事件 闪光从a 发出 第二件事 经反射返回a 可见 在运动参考系中观测 事物变化过程的时间间隔变大了 这叫做狭义相对论中的时间膨胀 动钟变慢 时间延缓效应的理解 1 时间延缓效应的来源是光速不变原理 2 时间延缓效应是时空的一种属性 在运动参考系中的时间节奏变缓慢了 一切物理过程 化学过程 乃至观察者自己的生命节奏变慢了 2 运动长度收缩爱因斯坦认为 长度的测量跟 的选择有关 如果某一惯性系相对于静止惯性系以速度v运动 在运动惯性系中测得的长度为l 在静止惯性系中测得的长度为l 那么l总要比l 一些 这种效应做运动 或 这个效应显示了空间的 参考系 短 长度收缩 尺缩效应 相对性 2 低速空间相对论效应可忽略 3 长度收缩是相对的 k系认为静止在k 系中的尺收缩 反之 k 系认为静止在k系中的尺收缩 3 爱因斯坦质量公式爱因斯坦认为 牛顿力学中质量与速度无关 只是低速情况下的近似 实际上物体的质量随速度的增大而 物体以速度v运动时的质量m跟它静止时的质量m0之间的关系为m 增加 4 质能关系狭义相对论的一个重要结论是 物体的质量跟它具有的 是相互联系的 爱因斯坦于1905年给出关系式 通常叫爱因斯坦的 在一个物理过程中 物体的质量发生了变化 其能量也相应发生变化 即满足关系式 能量 e mc2 质能关系 e mc2 二 走近广义相对论 从课本p114 1 广义相对论的两个基本原理 1 在任何参考系中 包括惯性参考系 物理 和 都是相同的 这一原理叫做 2 一个均匀引力场与一个做加速运动的 等价 这一原理叫做 过程 规律 广义相对性原理 参考系 等效原理 2 广义相对论的预言和证实 1 时空弯曲广义相对论认为 不是直的 而是 或扭曲的 如果质量越大 时空弯曲的程度也就 2 光线弯曲按照爱因斯坦的广义相对论 在引力场存在的情况下 光线是沿 的路径传播的 时空 弯曲 越大 弯曲 光线在引力场中弯曲的一个推论是 效应 3 引力红移根据爱因斯坦广义相对论 在强引力场中 时钟要走得 因此光在引力场中传播时 它的频率或波长会发生变化 计算表明 氢原子发射的光从太阳传播到地球时 频率要比地球上氢原子发射的光的频率低 这就是 引力透镜 慢 引力红移效应 三 无穷的宇宙1 宇宙的起源目前最有影响的是 它是由俄裔美国物理学家伽莫夫在1948年首先提出的 该理论认为 我们观察到的宇宙 产生于最初的一次大爆炸 那时宇宙的温度极高 密度极大 体积极小 伽莫夫根据大爆炸理论预言 作为爆炸的后果 宇宙空间应该存在当时 大爆炸学说 产生的微波辐射 20世纪60年代美国科学家威尔逊和彭齐亚斯在一次实验中意外接收到一种来自空间的一种微波噪声 被认为是一百多亿年前的宇宙存留到今天的遗迹 为此他们获得了1978年的诺贝尔物理学奖 2 宇宙的演化1929年 美国天文学家哈勃用望远镜对远离星云进行观测时 发现那些存在 红移 现象的恒星正在离我们远去 也说明星系系统处于一种 状态 在宇宙演化过程中 是恒星演化的结果 膨胀 黑洞 学案导引狭义相对论的主要效应有哪些 适用条件是什么 式中m0是物体静止时的质量 也称为静质量 m是物体以速度v运动时的质量 这个关系式称为相对论质速关系 它表明物体的质量会随速度的增大而增大 v c时 近似地认为m m0 当微观粒子的运动速度很高时 它的质量明显地大于静止质量 例如回旋加速器中被加速的粒子质量会变大 导致做圆周运动周 期变大 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 理解这个公式请注意 质能方程表达了物体的质量和它所具有的能量的关系 一定的质量总是和一定的能量相对应 静止物体的能量为e0 m0c2 这种能量做物体的静质能 每个有静质量的物体都具有静质能 对于一个以速率v运动的物体 其动ek e e0 mc2 m0c2 物体的总能量为动能与静质能之和 即e ek e0 mc2 m为动质量 由质能方程可知 e mc2 相对论能量 质能关系物体的总能量 e ek m0c2 mc2其中m0c2称为静质能 长度测量与被测物体相对于观察者的运动有关 物体在运动方向长度缩短了 一艘宇宙飞船的船身长度为l0 90m 相对地面以u 0 8c的速度从一观测站的上空飞过 1 观测站测得飞船的船身通过观测站的时间间隔是多少 2 宇航员测得船身通过观测站的时间间隔是多少 答案 1 2 25 10 7s 2 3 75 10 7s 规律总结 1 熟记狭义相对论的几个结论是解答此类问题的关键 2 应用相对论的关键是理解 相对性 的几个方面 如时间相对性和空间相对性 变式训练假设 有一太空船以0 8c的速度飞越 月球太空站 一科学家在月球上量得运动中的太空船长度为200m 此太空船最后在月球上登陆 此科学家再度测量静止的太空船的长度 他测量的结果如何 答案 333m 学案导引1 广义相对论的基本原理是什么 2 哪些现象是广义相对论的基础 1 狭义相对论无法解决的问题 1 万有引力理论无法纳入狭义相对论的框架 2 惯性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 1 广义相对性原理 爱因斯坦把狭义相对性原理从匀速和静止参考系推广到做加速运动的参考系 认为所有的参考系都是平权的 不论它们是惯性系还是非惯性系 对于描述物理现象来说都是平等的 2 等效原理 在物理学上 一个均匀的引力场等效于一个做匀加速运动的参考系 3 广义相对论的时空结构加速参考系中出现的惯性力等效于引力 引力的出现对时空的影响 也就等效于加速参考系中的时空结构 通过对转动大圆盘的研究 得出如下结论 1 引力场中 时钟变慢 引力场越强 时钟变慢越甚 这就是引力的存在对时间的影响 2 引力的存在会使空间变形 在引力方向上 空间间隔不变 在与引力垂直的方向上 空间间隔变短 直尺变短 发生了弯曲 引力越强的地方 这种效应越明显 引力场是由质量不为零的物质产生的 引力使时空发生变化 也就是物质的存在使时间的流逝和空间的大小发生变化 广义相对论的时空结构认为时间和空间不仅与参考系有关 还与物质的运动和分布有关 在密度越大 质量越大处时空弯曲越严重 4 广义相对论的实验检验 1 水星近日点的进动 2 光线在引力场中的弯曲 3 引力红移 假如宇宙飞船是全封闭的 航天员与外界没有任何联系 但是航天员观察到飞船内没有支撑的物体都以某一加速度落向舱底 请分析这些物体运动的原因及由此得到的结论 精讲精析 飞船内没有支撑的物体都以某一加速度落向舱底的原因可能是飞船正在向远离某个天体的空间加速飞行 也可能是由于飞船处于某个星球的引力场中 实际上飞船和内部的任何物理过程都不能告诉我们飞船到底是加速运动还是停泊在一个行星的表面 这个事实使我们想到 一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价 答案 见精讲精析 规律方法 把一个做匀加速运动的参考系等效为一个引力场 从而使物理规律在非