人教版选修34狭义相对论的其他结论　广义相对论简介 第1课时 教案.docx

15.3狭义相对论的其他结论15.4 广义相对论简介教学目标一、知识与技能：（1）运动速度的相对论变换（2）相对论质量（3）质能方程二、过程与方法：让学生体会到自洽性检验是科学理论研究的一个基本方法。三、情感态度和价值观：体会物理学中蕴含的简单与和谐之美（质能方程）教学重点、难点重点：三个公式 难点：运动速度的相对性变换教学过程一、相对论的速度变换公式通过狭义相对论两个原理的学习，知道光对任何物体的运动速度都一样，物体运动的极限速度都不可能越过真空中的光速。在宏观低速运动条件下，伽利略的速度叠加原理简单有效。但对高速运动的物体及微观高速粒子，速度的叠加原理与传统经典观念矛盾，必须要考虑相对论效应。 车对地的速度为v，人对车的速度为u/ 地面上的人看到车上人相对地面的速度为u 如果车上人运动方向与火车运动方向相同，u取正值如果车上人运动方向与火车运动方向相反，u取负值 学生通过计算和推导知道相对论的自洽性注意：相对论速度变换公式，是根据相对论理论中的洛伦兹变换推出的结论，只适用于同一直线运动物体速度的叠加。对于更复杂的速度的叠加， 此公式不适用。二、相对论质量。 物体的运动速度不能无限增加，那么物体的质量是否随着速度而变化？ 严格的论证表明，物体高速（与光速相比）运动时的质量与它静止时的质量之间有下面的关系： m运动质量 m0静止质量微观粒子的速度很高，它的质量明显的大于静止质量在研究制造回旋加速器时必须考虑相对论效应的影响 介绍：1988年，中国第一座高能粒子加速器北京正负电子对撞机首次对撞成功三、质能方程 引入：物体的能量和质量之间存在密切的联系 让学生知道根据狭义相对论原理及洛伦兹变换，经过高等数学推导，可得到相对论动力学的一个著名结论：质能方程 质能方程表达了物体的质量和它所具有的能量之间的关系.ek是物体的动能，e是物体运动时的能量 e0是物体静止时的能量在v c时 这就是我们过去熟悉的动能表达式，这也能让我们看出，牛顿力学是相对论力学在低速情况下的特例154 广义相对论简介一、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，万有引力定律不满足洛伦兹变换，无法纳人狭义相对论的理论框架；2、非惯性系问题，狭义相对论只适用于惯性系。它们是促成广义相对论的前提。二、广义相对性原理和等效原理 引导学生在前述背景介绍下，思考怎样来解决这两个问题。爱因斯坦考虑要解决第二个问题，必须去掉惯性系在相对论理论中的特殊地位，把相对性原理从“任何惯性系平权”推广到“包括非惯性系在内的任意参考系(即包括惯性系和非惯性系)平权”。三、广义相对论几个结论以及相关实验验证从广义相对论两个基本原理出发，爱因斯坦预见性地提出了验证这一理论的几个著名实验。光线经过强引力场中发生弯曲介绍物质的引力使时空弯曲，弯曲的时空又使光线弯曲的事实。如1919年5月29日，发生日全食期间，科学家成功地观测到了太阳背后恒星发出的光线经过太阳附近发生弯曲的现象，并拍得了太阳背后恒星的照片。从而确认广义相对论的结论是正确的。这是广义相对论创立以来最早得到科学界认同的最重大的成果。到目前为止科学家对400多颗恒星作了测量，射电天文学的发展使人类不用等日全食发生也能在地球上进行精度很高的观测，且与理论值符合。引力红移 了解引力导致时空弯曲，按照相对性原理，空间效应与时间效应是互相影响的，在发生空间弯曲效应的同时，时间膨胀效应也发生了。换句话说，我们观察到引力场空间弯曲的同时也将观测到引力场时钟变慢。水星轨道近日点的进动 补充介绍牛顿的经典力学理论在描述行星运动时，其理论值与实际观测结果存在微小差异。由于场能空间分布的不均匀性，当水星运动到靠近太阳附近(近日点)时，场能影响较为显 著，这种影响使得水星运行的椭圆轨道非常缓慢地绕太阳旋转，这就是“水星近日点进动”现象。爱因斯坦用广义相对论计算近日点的进动速率与实际观测结果取得了很好的一致。行星轨道旋转之谜的成功破译，是广义相对论再一次取得的伟大胜利。四、关于的宇宙大爆炸理论简单介绍宇宙大爆炸理论，说明按照广义相对论，宇宙就是无所不包的最大的时空，而且它的弯曲情况和物质的分布应该符合爱因斯坦方程。四、课堂练习：1经过证明，物体运动的质量m与静止时的质量m0_（填“相同”或“不相同”），两个质量满足的关系为_。从上式可以看出，当物体的速度很大时（接近光速），物体的质量明显_静止时的质量。2按照相对论和基本力学规律可以推导出物体质量与能量之间的关系为_，这就是著名的_。该式表示，随着一个物体质量的减小（也叫_），会_一定的能量，与此同时，另一个物体吸收了能量，质量会_。3广义相对论认为，在任何参考系中，物理规律都是_。4等效原理的基本内容是一个均匀的_场与一个做_运动的参考系是等价的。5广义相对论告诉我们，_的存在使得空间不同位置的_出现差别，物质的_使光线弯曲。6如果宇航员驾驶一艘宇宙飞船，以接近光速的速度朝某一星球飞行，他是否可以根据下列变化感觉到自己在运动 ( )a身体质量在减小b心脏跳动变慢c身体质量在增加d永远不可能由自身的变化知道他是否在运动7下列属于广义相对论结论的是 ( )a尺缩效应b时间变慢c光线在引力场中弯曲d物体运动时的质量比静止时大大8下列属于狭义相对论结论的是 ( )a尺缩效应b时间变慢c光线在引力场中弯曲d水星近日点的进动9星际火箭以0.8c的速率飞行，其运动质量为静止质量的多少倍？10冥王星绕太阳公转的线速率为4.83103 m/s，求其静止质量为运动质量的百分之几？11北京正负电子对撞机中电子的动能为2800mev，求此电子的速率比光速小多少？12一立方体物体静止时的体积为v，质量为m，当该物体沿一条棱以速度v运动时，它的体积变为多少？13有两火箭a、b沿同一直线相向运动，测得二者相对于地球的速度大小分别为0.9c和0.8c，求在a上测b相对于a的运动速度。答案：1、不相同，大于 2、emc2，质能方程，质量亏损，释放，增加 3、相同的 4、引力，匀加速 5、引力场，时间进程，引力 6、d 7、c 8、ab 9、倍 10、99.9% 11、5m/s 12、 13、0.988c作业：1.(相对论速度变换公式)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uv的关系是()auuvbuuv d以上均不正确答案b解析由相对论速度变换公式可知b正确2(相对论质量)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，物体的质量随物体速度的增大而增大答案acd解析在牛顿力学中，物体的质量是保持不变的，故选项a正确，b错误；在相对论力学中，由于物体的速度v不可能达到光速c，所以vc,1()21，根据m，可知选项c、d均正确3(广义相对论的几个结论)在引力可以忽略的空间有一艘宇宙飞船在做匀加速直线运动，一束光垂直于飞船的运动方向在飞船内传播，下列说法中正确的是()a船外静止的观察者看到这束光是沿直线传播的b船外静止的观察者看到这束光是沿曲线传播的c宇航员以飞船为参考系看到这束光是沿直线传播的d宇航员以飞船为参考系看到这束光是沿曲线传播的答案ad4(对质能方程的理解)已知电子的静止能量为0.511 mev，若电子的动能为0.25 mev，则它所增加的质量m与静止质量m0的比值近似为()a0.1 b0.2c0.5 d0.9答案c解析设电子运动时的速度为v由题意知e0m0c20.511 mev电子运动时的能量ee0ek0.761 mev又因为emc2由可知所以0.5，故选项c正确5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，在地面上的人看来，物体的速度为()a1.7c b0.1cc0.99c d无法确定答案c解析根据相对论速度变换公式：u，得u0.99c.6火箭以c的速度飞离地球，从火箭上向地球发射一束高能粒子，粒子相对地球的速度为c，其运动方向与火箭的运动方向相反则粒子相对火箭的速度大小为()a.c b.c.c d.答案c解析由相对论的速度变换公式u，可得c，解得uc，负号说明与v方向相反7爱因斯坦提出了质能方程，揭示了质量与能量的关系关于质能方程，下列说法正确的是()a质量和能量可以相互转化b当物体向外释放能量时，其质量必定减小，且减小的质量m与释放的能量e满足emc2c如果物体的能量增加了e，那么它的质量相应减小m，并且emc2dmc2是物体能够放出能量的总和答案b解析爱因斯坦的质能方程说明物质的质量和能量之间有着emc2这种对应关系，故b正确8已知太阳内部进行着激烈的热核反应，每秒钟辐射的能量为41026 j，则可算出()a太阳的质量约为4.4106 tb太阳的质量约为8.8106 tc太阳的质量每秒减少约4.4106 td太阳的质量每秒减少约8.8106 t答案c解析由质能方程emc2得：m kg4.4109 kg4.4106 t，故只有c项正确9.日全食的时候，通过仪器可以观察到太阳后面的恒星，这说明恒星发出的光()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正确答案c10关于狭义相对论、广义相对论的认识，下列说法正确的是()a万有引力可以用狭义相对论做出正确的解释b电磁力可以用狭义相对论做出正确的解释c狭义相对论是惯性参考系之间的理论d万有引力理论无法纳入狭义相对论的框架e由emc2知质量和能量可以相互转化答案bcd11下列说法中正确的是()a物质的引力能使光线弯曲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答案acd解析根据广义相对论的结论可知，选项a、c、d正确，b错误12下列说法中正确的是()a由于太阳引力场的影响，我们有可能看到太阳后面的恒星b强引力作用可使光谱线向红端偏移c引力场越强的位置，时间进程越快d由于物质的存在，实际的空间是弯曲的答案abd解析由广义相对论我们可知：物质的引力使光线弯曲，因此选项a、d正确在引力场中时间进程变慢，而且引力越强，时间进程越慢，因此我们能观察到引力红移现象，所以选项b正确，c错误13以下说法中正确的是()a白矮星表面的引力很强b在引力场弱的地方时钟走得比引力场强的地方快些c引力场越弱的地方，物体的长度越短d在引力场强的地方，光谱线向绿端偏移答案ab一列火车正以v50 m/s的速度高速行驶，列车内一乘客以相对列车u5 m/s的速度向前跑，站台上的观察者测得该乘客的速度是uvu55 m/s.若列车的速度是0.9c，乘客的速度是0.5c，那么站台上的观察者测得该乘客的速度是0.9c0.5c1.4c吗？答案不是光速c是极限速度14.下列关于爱因斯坦质能方程的说法中，正确的是()a只有运动的物体才具有质能，静止的物体没有质能b一定的质量总是和一定的能量相对应cemc2中能量e其实就是物体的内能d由emc2知质量与能量可以相互转化解析emc2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b正确，d错误静止的物体也具有能量，称为静质能，e0m0c2，m0叫做静质量；emc2