高中物理选修 课程纲要 学案

1、在经典物理学中，若有一列火车以速度v做匀速直线运动，火车上有一物体以相对于火车的速度u与火车同向运动，则地面上的人看到物体的速度应该是uv.这似乎没什么疑问，但是以此推下去，在运动的火车上发出的光就可以超光速传播了请你思考：火车上发出的光可能超光速传播吗？§6.1经典时空观狭义相对论的两个基本假设 1了解伽利略相对性原理和经典时空观2知道伽利略速度变换公式3了解爱因斯坦相对性原理4了解光速不变原理1重点难点教学重点：狭义相对论的基本假设教学难点：光速不变原理2高考前瞻该节内容在高考中一般考查狭义相对论的两个基本假设的结论，光速不变原理考查的频率也较高3教学建议本课时应让学生了解相关物

2、理史实，感受物理学的广博宏大；通过实例类比，加强学生对相对性原理的理解；让学生牢记光速不变原理，并通过实例加强记忆另外，让学生明确相对论是物理学发展到一定程度上必然产物1. 伽利略相对性原理(1)如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系就是_(2)伽利略相对性原理：在任何惯性系中，_都是一样的，都可以用_来描述2经典时空观时间是_(填“绝对”或“相对”)的、与任何外界事物无关；空间是_(填“绝对”或“相对”)的，与任何外界事物无关；时间和空间是_3伽利略速度变换公式一节车厢相对地面以速度u运动，车厢内的人相对车厢以速度v运动，根据伽利略速度变换公式，人相对地面的运动速度v_4狭义相对论的

3、两个基本假设(1)对于不同的惯性系，_都是一样的这一假设称为爱因斯坦相对性原理(2)爱因斯坦根据对麦克斯韦理论的研究提出光速不变原理，即在不同的惯性参考系中光速都是_的，光的传播_(填“遵守”或“不遵守”)伽利略速度变换公式参考答案：1(1)惯性系(2)力学的规律牛顿定律2绝对绝对相互独立、互不相关的3u v4(1)物理规律(包括力学和电磁的)(2)相同 不遵守主题1：物理学的大厦情景：19世纪末期，以经典力学、热力学和统计物理学(热学)、电磁场理论为主要内容的物理学形成了完整的科学体系问题：说说你了解的在建立经典力学、热力学和统计物理学、电磁场理论的过程中起重要作用的物理学家，每个分支至少说

4、出两位科学家解答：经典力学中有伽利略、牛顿、笛卡儿、胡克、开普勒等物理学家；热力学和统计物理学中有焦耳、瓦特、开尔文等物理学家；电磁场理论中有法拉第、麦克斯韦、赫兹等物理学家主题2：经典的相对性原理情景：黄河凌汛是威胁黄河下游的巨大水患，为了消除凌汛，我们每年冬春之交都要动用飞机炸开冰面如果飞机匀速飞行，每隔相同的时间投下一颗炸弹，如图所示问题：(1)从飞行员角度进行观察，在空中的炸弹的运动形式是怎样的？(2)从第一颗炸弹上观察其他仍在空中的炸弹，它们的运动形式是怎样的？(3)从地面上安全位置静止的指挥员观察，在空中的每个炸弹的运动形式是怎样的？(4)对于飞行员和地面观察员观察到的炸弹的运动，

5、描述运动中的物理量相同的是什么？解答：(1)从飞行员角度进行观察，炸弹是做自由落体运动(2)从第一颗炸弹上观察其他仍在空中的炸弹，炸弹是做竖直向上的匀速运动(3)从地面上安全位置静止的指挥员观察炸弹，炸弹是做平抛运动(4)飞行员和地面观察员观察到的炸弹的运动相同的物理量是加速度(即重力加速度)主题3：狭义相对论的两个基本假设情景：狭义相对论的两个基本假设：(1)狭义相对性原理在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的；(2)光速不变原理真空中的光速在不同惯性参考系中都是相同的问题：说说你对这两个基本假设的认识，为什么这两个观点不叫定律而叫假设？解答：前一个假设是解决参考系的问题，爱因斯坦认为

6、自然界不存在特殊的惯性参考系，所以相对性原理的内容是在不同参考系中，一切物理规律都是相同的第二个假设解决电磁学规律不能和经典的惯性参考系相兼容的问题，内容是真空中的光速在不同惯性参考系中都是相同的能够验证这两个观点的实验非常有限，只有从这两个假设出发，经过逻辑推理(包括数学推导)所得出的大量结论能与事实相符，才能证实它的正确性一、了解物理学史例1为了纪念一个伟大的科学家和思想家，为了纪念充满神奇色彩的1905年，国际物理学会和联合国将2005年定为世界物理年，并进行了一系列的活动，其中包括“物理照亮世界”的全球性光速传递活动缅怀伟人，承前启后这位被纪念的伟人是()A哥白尼 B伽利略C牛顿 D爱

7、因斯坦【解析】一个历史上极其特别的年份、一个人类应用黄金来书写的年份、一个充满了奇迹的年份1905年这一切，因为一个名叫爱因斯坦的公务员在德国物理学年鉴上发表了5篇论文，带来了物理学那场伟大的革命，推倒了一座脆弱的金碧大厦，开启了物理学新纪元这一年，爱因斯坦在分子运动理论、量子理论和相对论上做出了开创性的工作，缔造了“爱因斯坦奇迹年”【答案】D【点拨】爱因斯坦是世界十大杰出物理学家之一，现代物理学的开创者、集大成者和奠基人，同时也是一位著名的思想家和哲学家.1921年，爱因斯坦因光电效应研究而获得诺贝尔物理学奖，2009年10月4日，诺贝尔基金会评选“1921年物理学奖得主爱因斯坦”为诺贝尔奖

8、百余年历史上最受尊崇的3位获奖者之一二、经典的相对性原理例2如图所示，在列车车厢的光滑水平面上有一个质量为m5 kg的小球，正随车厢一起以20 m/s的速度匀速前进，现在给小球一个水平向前的F5 N的拉力作用，并保持不变，10 s后，求车厢里的观察者和地面上的观察者看到小球的速度【解析】利用经典力学的相对性原理进行计算对车上的观察者：物体的初速度v00，加速度a1 m/s2，10 s末速度v1at10 m/s对地面上的观察者：物体初速度v020 m/s加速度相同a1 m/s210 s末速度v2v0at30 m/s.【答案】10 m/s30 m/s【点拨】在两个惯性系中，虽然观察到的结果并不相同

9、，一个是10 m/s，另一个是30 m/s，但我们却应用了同样的运动定律和速度合成法则，也就是说，力学规律在任何惯性系中都是相同的变式训练1如图甲所示，小船在风平浪静的海面上静止，从桅杆上释放一个小球，桅杆上的人观察到小球做什么运动？如果小船匀速运动，船上的人观察到小球做什么运动？站在岸边上的人观察到小球的运动又是什么样的？【解析】如图乙所示，在桅杆上观察，小球相对于观察者没有初速度，所以两种情况下都是自由落体运动；而在岸上观察，当船匀速运动时，小球在下落开始就具有一个水平方向上的初速度，所以做抛体运动【答案】见解析三、光速不变原理例3假设你是一个“光子”，你和你的同伴(当然也是一个“光子”)

10、都从灯泡里“逃”出来，那么，在你看来，你的同伴的速度是多少？在你的同伴看来，你的速度又是多少？在站在灯泡外面的人看来，你们的速度是多少？(从相对论的角度论述)【解析】根据光速不变原理，在所有的惯性系中，真空的光速都是一个常数c.当你是一个“光子”时，你就是一个惯性系，你将会看到你的“光子”同伴以c远离你而去依此类推，你的“光子”同伴也是惯性系，在它看来，你将以c向前狂奔，把它抛在后面对于灯泡外边的观测者，也是一个惯性系，他将看到你们两个将会并肩前进，速度都是c.【答案】见解析【点拨】在相对论中，有一个基本假设是光速对任何惯性参考系都是相同的变式训练2如图所示，回答下列问题：(1)参考系O相对于

11、参考系O静止时，人看到的光速应是多少？(2)参考系O相对于参考系O以速度v向右运动时，人看到的光速应是多少？(3)参考系O相对于参考系O以速度v向左运动时，人看到的光速又是多少？ 【解析】根据速度合成法则，第(1)种情况人看到的光速应是c，第(2)种情况应是cv，第(3)种情况应是(cv)而根据狭义相对理论，光速是不变的，都应是c.【答案】三种情况都是c一、经典的相对性原理1惯性参考系：牛顿运动定律成立的参考系2经典的相对性原理：力学规律在任何惯性参考系中都是相同二、狭义相对论的两个基本假设1狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的2光速不变原理：真空中的光速在不同惯性参考

12、系中都是相同的1下列参考系可以看做惯性系的是()A静止的参考系B匀速运动的参考系C匀加速运动的参考系D牛顿运动定律成立的参考系【解析】根据伽利略相对性原理可知A、B、D正确【答案】ABD2在匀速前进的汽车中的水平光滑桌面上放置一个小球，当车突然停止的瞬间，从地面上观察，小球将做匀速运动，符合牛顿第二定律中物体受到的合力为零的情况；当从车内桌边静止的人的角度观察，小球做加速运动而分析小球受力情况时发现小球在水平方向上不受外力，那小球为什么做加速运动呢？这是什么原因呢？【解析】对于地面这个参考系来讲，这个参考系没有加速度，可以看做是惯性参考系，所以牛顿运动定律在这里是适用的，但是从车上观察时，车是

13、一个减速运动的参考系，对此，牛顿运动定律不适用【答案】牛顿运动定律在非惯性系中不适用3在平直轨道上有两辆车同时、同向前进，前车相对于地面的速度是30 m/s，后车相对于地面的速度是10 m/s，都做匀速直线运动，如果从后车上观察，前车的速度是多少？【解析】由于两车都做匀速运动，从后车上观察就是认为后车固定不动，所以前车相对于后车的速度就是30 m/s10 m/s20 m/s.【答案】20 m/s4如图所示，甲乘坐宇宙飞船追赶乘坐宇宙飞船离去的乙，两宇宙飞船对地面的速度分别为0.7c、0.4c，某时刻甲为了联系乙向乙发出一个光信号，则()A地面上的人看光信号的速度为vcB乙看光信号的速度为0.6

14、cC甲看光信号的速度为cD乙看甲的速度为0.3c【解析】由相对性原理可知D对；由光速不变原理可知C对【答案】CD§6.2相对论时空观 1知道狭义相对论关于时空相对性的主要结论2了解经典时空观与相对论时空观的主要区别，体会相对论时空观的建立对人类认识世界的影响3通过实例，了解时间和空间的相对性，体会相对论时空观与低速世界情景的差异1重点难点教学重点：同时的相对性，时间间隔的相对性，长度的相对性教学难点：同时的相对性2高考前瞻同时的相对性是高考考查的热点，要能够熟练地进行分析“尺短钟慢”效应一般只在选择题中出现，要求能用公式做出正确的判断，所以一定要记住“尺短钟慢”的公式并知道其基本意义

15、3教学建议在学习本节知识之前，首先要对上节学过的相对论的诞生的有关知识进行复习本节的重点是时间和空间的相对性，学习时应注意结论的理解，不必在数量关系上下工夫，要注意逻辑关系的应用1同时的相对性同时是指两个事件发生的时刻是一样的，同时的相对性是说，在一个惯性系中，同时发生的两个事件，在另一个惯性系中则可能不是同时发生的，即同时是_的 ，也就是说，有人看到同时发生的事件，在其他观察者眼里可能不是同时发生的2时间延缓既然同时具有相对性，时间间隔也就具有了相对性，时间间隔相对性的公式为，其中u为车厢相对地面运动的速度，_(填“0”或“”)为车厢内的观察者所观察到的时间，_(填“0”或“”)为地面上的观

16、察者所测得的时间3长度缩短物体的长度与观察者和物体间的相对运动情况有关，物体静止在地面时的长度为l0，相对地面运动速度为u时，地面上的观察者观察到的长度为l，则l_4相对论的时空观相对论认为：空间和时间的量度与_有关，是相对的经典时空观是相对论时空观的特殊表现参考答案：1相对203l04物体的运动主题1：认识时间情景：世界上最快又最慢，最长又最短，最平凡然而又最珍贵，最容易被忽视而又最令人后悔失去的就是时间为了计时，世界上出现了各式各样的钟：沙钟(如图所示)、电钟、机械钟、光钟和生物钟问题：既然运动可以使时间变慢，它是不是会使所有的钟都一样变慢呢？与钟的种类有没有关系？人身处其中能不能感受到时

17、间变慢了呢？解答：根据爱因斯坦的狭义相对论，运动可以使时间变慢，与计时工具无关，因此所有的钟都一样变慢，与钟的种类没有关系，人身处其中也感受不到时间变慢，只是地面上不动的人认为他的时间变慢主题2：同时的相对性情景：一列火车以速度v相对地面高速运动，在火车上有一个光源问题：如果地面上的人测得这个光源发出的闪光同时到达车的前壁和后壁，图示是地面上观察者得到的结果，那么按照火车上人的测量，闪光是先到达前壁还是后壁？火车上的人怎样解释自己的测量结果？解答：火车上的人测得闪光先到达前壁，由于地面上的人测得闪光同时到达前后壁，而在光向前后壁传播的过程中，火车要相对于地面向前运动一段距离，所以光源发光的位置

18、一定距离前壁较近，各个方向上的光速又是一样的，从车上观察，闪光先到达前壁主题3：长度的相对性问题：图示是一只兔子静止在草地上的情况，假设该兔子以接近光速的速度沿水平方向高速奔跑，在地面上的你看到的兔子的图像大体上应该是哪个图像，你分析的依据是什么？(提示：根据相对论知识进行分析)解答：当兔子沿着水平方向高速运动时，根据狭义相对论的尺缩效应，当物体速度很大时，物体的尺度将减小，即ll0，所以看上去兔子将变扁，但是在其他方向上没有运动，所以其他方向上长度不变所以看到的应该是B图主题4：时间间隔的相对性情景：随着科学技术的逐渐进步，列车速度越来越快，假设在未来的某一天，列车的速度能够达到接近光速，已

19、知某特快列车的速度为v，一位乘客观察到一滴水从行李架上下落到桌面上经历的时间为t.问题：试想如果站在铁道边上的人能清晰地看到水滴的运动，利用相对论分析，对地面上的观察者来讲，这滴水珠下落的时间是变长了还是变短了？为什么？如果以现行列车的速度行驶，以上时间间隔的差别能不能区分？解答：变长了因为根据狭义相对论的时间间隔的相对性，地面上的人观测时间是t，火车上的人观测时间为t，根据公式可知t，由此可知，在陆地上的人观察到水滴运动时间变长了如果是以列车现行的速度行驶，速度与光速之间的比值接近等于零，可知两个时间间隔几乎没有差距一、同时的相对性例1如图所示，沿铁道排列的两电杆正中央安装一闪光装置，光信号

20、到达一电杆称为事件1，到达另一电杆称为事件2.对地面上的观察者和向右运动的车厢中的观察者看来，两事件是()A在地面上的观察者看来，事件1先发生；在车厢中的观察者看来，事件2与事件1同时发生B在地面上的观察者看来，事件2先发生；在车厢中的观察者看来，事件2与事件1同时发生C在地面上的观察者看来，事件1、2同时发生；在车厢中的观察者看来，事件2比事件1后发生D在地面上的观察者看来，事件1、2同时发生；在车厢中的观察者看来，事件2比事件1先发生【解析】对地面上的观察者看来，光源在两根电杆的正中央，光信号向两电杆传播的速度相同，因此，光信号同时到达两电杆在运动的车厢中的观察者看来，运动的车厢是个惯性系

21、，地面和电杆都在向左运动，光信号向左右两侧传播的速度相同(光速不变原理)在光信号向两侧传播的过程中，地面及两个电杆都向左运动了一段距离，所以光信号先到达电杆2，后到达电杆1.【答案】D【点拨】同时相对性产生的原因是观察者所处的位置不同，在不同参考系中观察，同时产生的事件具有相对性变式训练1如图所示，列车K静止在地面上，某时车厢中央发出了一个闪光，车厢中的人认为闪光是同时到达了前后两壁可以记作事件A和事件B，另一列列车L从旁边呼啸而过，那么，在运动的火车L里面的观察者认为，沿着运动方向位置靠前一些的事件A先发生，还是靠后一些的事件B先发生？【解析】当火车L相对于火车K向A运动时，由于相对于A发生

22、了运动，光传播到A的时间短了，所以A事件先发生【答案】事件A先发生二、长度的相对性例2一根10 m长的梭镖以相对速度穿过一根10 m长的管子，它们的长度都是在静止状态下测量的下列叙述能最好地描述了梭镖穿过管子的情况的是()A梭镖收缩变短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它B管子收缩变短，因此在某些位置上，梭镖从管子的两端伸出来C两者都收缩，且收缩量相等，因此在某个位置，管子恰好遮住梭镖D所有这些都与观察者的运动情况有关【解析】如果你是在相对于管子静止的参考系中观察运动着的梭镖，那么梭镖看起来就比管子短，在某些位置梭镖会完全处在管子内部然而当你和梭镖一起运动时，你看到的管子就缩短了，所以在某些位

23、置，你可以看到梭镖两端都伸出管子假如你在梭镖和管子之间运动，运动的速度是在梭镖运动的方向上，而大小是其一半，那么梭镖和管子都相对于你运动，且速度的大小一样，你看到这两样东西都缩短了，且缩短的量相同所以你看到的一切都是相对的【答案】D【点拨】观察者所处的角度不同，相对运动的速度就不同，所以得出的结论也不尽相同变式训练2图示是高速列车示意图，如果车的运行速度可以和光速相比较(理想情况)，在车内有一个米尺，与车相平行放置，同时在地面上也放置一个和车方向平行的米尺，则从车上的乘客观察到的地面上的米尺的长度和地面上的人观察到的车上的米尺的长度，下列说法正确的是()A车上的人认为地面上的米尺长度大于一米B

24、地面上的人认为车上的米尺长度大于一米C两人都认为对方米尺的长度小于一米D两人都认为对方米尺的长度大于一米【解析】以地面为参考系，火车是在做高速运动，但是以火车为参考系，地面也是高速运动的，由于两个惯性参考系是平行的，所以在他们上面的观测者都发现对方的尺子变短了【答案】C三、时间间隔的相对性例3如图所示，甲、乙、丙三个完全相同的时钟，甲放在地面上，乙、丙分别放在两架航天飞机上，航天飞机沿同一方向高速飞离地球，但是乙所在的飞机比丙所在的飞机飞得快则乙所在飞机上的观察者认为()A走得最快的钟是甲B走得最快的钟是乙C走得最快的钟是丙D走得最慢的钟是甲【解析】根据公式可知，相对于观察者的速度v越大，其上

25、的时间进程越慢【答案】BD【点拨】时间间隔的相对性指的是运动的钟变慢，在乙物体上观察，甲物体的速度最大，丙物体速度较小，自身速度为零变式训练3如果在地面上和火车上同时有两个完全相同的钟表，其他条件不变，则在火车上的人观察到的地面上的钟表和地面上的人观察到的火车上的钟表()A都变慢了B都变快了C都准确 D不能确定【解析】以地面为参考系，火车是在做高速运动，但是以火车为参考系，地面也是高速运动的，由于两个惯性参考系是平行的，所以在他们上面的观测者都发现对方的时钟变慢了【答案】A一、同时的相对性1同时的定义：同时是指两个事件发生的时刻是一样的2同时的相对性：在一个惯性系中同时发生的两个事件，在另一个

26、惯性系中可能是不同时发生的，即同时是相对的3同时相对性产生的原因：不论光源与观察者做怎样的相对运动，光相对于观察者的速度都是一样的观察者在不同的相对运动的惯性系中的观察角度不同二、时间间隔的相对性时间间隔相对性的公式表示为：，为地面的观察者所观察到的时间，为与钟表相对静止的观察者所测时间v为钟表所在惯性系相对于观察者运动的速度三、长度的相对性1定义：一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度小2公式描述：ll0，其中l为静止的观察者观察到的长度，l0为物体静止时的长度，v为物体相对于观察者运动的速度1图示是一个边长为1 m的正方体木箱，现在让这个正方体木箱沿水平方向匀速向右运动，运动

27、速度很大，为0.99c，那么这个木箱看上去应该是()A边长不相等的长方体B边长都缩短的正方体C近似一个薄木板D以上说法都不对【解析】在沿着运动方向上，由于木箱运动的很快，速度已经接近光速，所以在沿着运动方向上的尺缩效应很明显，而其他两个方向上没有运动，所以没有尺缩效应看上去应该是一个薄木板【答案】C2在狭义相对论中，下列说法正确的有()A一切运动物体相对于观察者的速度都不能大于真空中的光速B质量、长度的测量结果都与物体相对观察者的相对运动状态有关C时间的测量结果与物体相对观察者的运动状态无关D在某一惯性系中发生于同一时刻、不同地点的两个事件，在其他一切惯性系中也是同时发生的【解析】根据狭义相对

28、论，光速是速度的极限值，所以A正确；根据狭义相对论，长度、质量、时间间隔都与运动状态有关，且都给出了具体的公式，所以B对，C错；同时是相对的，D错【答案】AB3如图所示，地面上M点固定一光源，在沿AB方向运行的高速列车上的A、B两点上固定两个光接收器，从地面上看当高速列车运动到A、B两点离光源等距离处时，光源发出一闪光，问：(1)在地面参考系中观测，谁先接收到光信号？(2)在沿AB方向高速运动的火车参考系中观测，谁先接收到光信号？【解析】以地面为参考系，M发出的闪光到A、B距离不同，先传到A，所以A先接收到光信号；若以高速运动的火车为参考系，M传到A、B的距离相等，所以同时到达A、B两点【答案

29、】(1)A先接收到(2)同时接收到4在我国古代的神话传说中有“天上一天，地上一年”之说，意思是说，仙境和人间的时间是不一样的，在仙境过上一天，人间就经历了一年(1)用你学过的知识说明这种时间反差能否实现？(2)怎样才能实现传说中的“天上一天，地上一年”？【解析】(1)根据狭义相对论的时间相对性知可以实现(2)坐上高速飞船游仙境即可，由，得365此飞船的运动速度uccc.【答案】(1)能(2)乘坐以光速飞行的飞船游仙境§6.3相对论的速度变换定律质量和能量的关系 1知道相对论速度变换公式2知道相对论质能关系3能够利用质能关系分析相关问题1重点难点教学重点：相对论速度变换公式教学难点：相

30、对论质能关系2高考前瞻相对论中速度变换是高考要求的内容，但考的频率不高，几乎没有考查，以后有可能出现相对论质量以及爱因斯坦质能关系也是高考要求的内容，高考试题中也经常涉及此内容，基本上以选择题和填空题的形式出现3教学建议学习本节课前，要先复习狭义相对论的两个基本结论，有了上两节的基础后，学习相对论的速度叠加公式不会特别的困难，相对论质量和质能公式也不难理解，要注意通过实例的分析(包括节后练习)认清在哪些情况下要考虑相对论效应，哪些情况下不必考虑另外，核质量m都对应着一定质量的能量mc2，这个公式为开发和利用原子能提供了理论基础1相对论的速度变换定律若车对地面的速度为u ，车上的人以速度v沿着火

31、车前进的方向相对火车运动，人相对地面的速度为v，则它们之间的关系v_2相对论质量和能量(1)狭义相对论认为物体的质量与它所含的能量存在确定的关系，即爱因斯坦质能关系式_(2)按照相对论观点，爱因斯坦质能关系式中的质量不是一个不变的量，它和物体的速率v有关系，即m，其中m0是_时物体的质量，m是物体_的质量(3)在低速运动时，经典力学中的物体质量和静质量的差别很小，一般不再加以区分与静质量对应的能量称为静能量，即E0mc2，并且这里的能量(E0)是指与_能量，而不仅是某一种或几种能量形式参考答案：1.2(1)Emc2(2)v0(或静止)速度为v时(或运动时)(3)所研究的对象相联系的全部主题1：

32、相对论速度变换公式情景：如图所示，如果把图示小船放入水中，顺流而下，船在静水中速度是3 m/s，水速是4 m/s.问题：(1)船相对于岸的速度是多少？(2)是否需要相对论速度变换公式进行计算？(3)相对论速度变换公式怎样表达？解答：(1)根据速度合成法则，船速和水速方向相同，所以船相对于岸的速度等于船速加水速，等于 7 m/s.(2)相对论速度公式主要是计算接近光速的情况，该情况不能利用相对论速度变换公式进行计算(3)相对论的速度变换公式为v.主题2：相对论质量情景：在经典力学中，一个物体所受的重力会随着它所处的高度或纬度的变化而变化，但是它的质量不仅与所处的位置无关，还与物体的运动无关根据牛

33、顿第二定律Fma可知，由于质量不变，只要始终对物体施加一个恒力，那么，这个物体就将保持匀加速运动，它被加速到光速时还会继续加速，并超过光速问题：阅读教材中“相对论质量和能量”的有关内容，回答上述情况有可能吗？解答：不可能根据物体运动质量和静止质量之间的关系m可知，速度越大，质量越大，速度接近光速时，质量趋于无穷大，加速度趋于零，所以不可能一直加速主题3：质能方程情景：爱因斯坦质能方程Emc2表明物体的质量和其具有的能量存在一定的关系，但绝不能理解成物体的质量和能量可以相互转化物体的质量与速度有关，用m0表示物体静止时的质量，用v表示物体的速度，用E表示物体运动时的能量，E0表示物体静止时的能量

34、，Ek表示物体运动时的动能问题：推导它们存在什么关系，以此来更好地体现质能方程的意义解答：物体运动时的能量Emc2，物体静止时的能量E0 m0c2，而EE0m0v2，即EkEE0，也就是说物体增加的质量与物体增加的能量存在数量关系，但质量和能量不存在相互转化的问题一、相对论速度变换公式例1假设一辆车能够以0.5c(c表示光在真空中的速度)的速度前进，在车上向前发射一个速度为0.5c 的子弹(相对于车)(1)根据必修1和必修2中直线运动的公式进行计算，在地面上观察到的这颗子弹的速度应该是多大？(2)根据相对论速度变换公式进行计算，在地面上观察到的这颗子弹的速度应该是多大？(3)根据相对论速度变换

35、公式，在车上发射一个速度为0.9c的子弹时，其相对地面的速度是否会超过光速？【解析】(1)根据速度的合成，两个速度为0.5c，且方向相同，所以合速度等于c.(2)根据相对论速度变化公式v，代入数据得到v0.8c.(3)根据相对论速度变化公式可知，子弹相对地面的速度不可能超过光速【答案】(1)c(2)0.8c(3)不会【点拨】经典的速度合成公式和相对论速度变换公式是不同的，在物体运动的速度和光速在一个数量级上，应该按照相对论速度的变换公式变式训练1假设未来的高速列车速度是0.5c(c表示光在真空中的速度)，在列车行驶的过程中打开列车前面的灯，路边上的人观察到列车上的灯光的传播速度v1是多少？在车

36、内将一个物体以0.2c(相对于车)的速度向车后水平抛出，路边上的人观察到物体水平抛出的速度v2是多少？【解析】根据光速不变原理可知，光速相对于任何参考系都是不变的v1c；根据速度叠加原理v2，代入数据得到v2c.【答案】cc二、相对论质量例2某物体的速度使其质量增加10%，则此物体在其运动方向上缩短了的尺寸约为自身运动方向长度的多少？()A10%B90%C.D.【解析】设静止时物体质量为m0，物体运动速度为v，物体运动方向长度为l根据相对论质量关系可知，110%，根据尺缩效应公式知ll，故11.【答案】D【点拨】先根据质量相对性求出1的数值，再根据长度的相对性的公式求出相对论长度变式训练2关于

37、质量和长度，下列说法正确的是()A物体的质量与位置、运动状态无任何关系，是物质本身属性B物体的质量与位置、运动状态有关，只是在速度较低的情况下，变化忽略不计C物体的长度与运动状态无关，是物质本身的属性D物体的长度与运动状态有关，只是在速度较低的情况下，变化忽略不计【解析】相对论认为，物体的质量和长度都是与物体运动的速度有关，当速度接近光速时，由速度带来的影响要考虑进去【答案】BD三、质能方程例3一核弹含20 kg的钚，爆炸后生成的静止质量比原来小.求爆炸中释放的能量【解析】由爱因斯坦质能方程可解释放出的能量爆炸前后质量变化：m×20 kg0.002 kg释放的能量为Emc20.002

38、×(3×108)2 J1.8×1014 J.【答案】1.8×1014 J【点拨】一定的质量总是和一定的能量相对应一、相对论速度变换公式表达式：v说明：(1)对于低速v与u与光速相比很小时，vvu，这就是经典物理学的速度合成法则(2)对于高速u与光速相等时，即uc，不论v如何取值，在什么参考系中观察，光速都是c.注意这一公式仅适用于u、v在一直线上的情况，当u与v相反时，v取负值二、相对论质量表达式：m.说明：由公式可以看出随v的增加，物体的质量随之增大三、质能方程表达式：E mc2.说明：对于静止质量的粒子，该方程揭示了其所具有的能量与质量间的数量关系1

39、回旋加速器在对粒子进行加速时，当加速到一定的数值时，速度不再增加而不增加的原因是当速度增加到某一值，电场变换的周期和粒子在磁场中运动的周期不相等了，所以不能继续加速，关于周期变化的原因，下列说法正确的是()A质量的变化引起粒子在磁场中运动周期的变化B人为的进行调整，怕速度超过光速C由于回旋加速器的D型盒的半径太小，所以粒子要离开磁场了D以上猜想都不对【解析】物体的质量在低速情况下和静止质量相差不多，但是当物体速度逐渐增大，速度对质量的影响将会越来越大，从而改变了粒子在磁场中的运行周期【答案】A2正负电子的静止质量均为m0，当一个正电子和一个负电子相遇时可以发生湮灭现象，即两电子消失而产生一对相

40、同的光子，则每个光子的能量为()Am0c2B2m0c2C.m0c2D.m0c2【解析】光子能量的来源是电子质量的损失，每个电子由于质量而具有的能量是Em0c2，两个电子总共具有的能量是2m0c2.【答案】A3假如兔子相对你的速度是0.8c，而它看到前面小蝴蝶向前飞的速度又是0.5c，那么你将看到小蝴蝶的速度是多少呢？【解析】据速度变换公式v，代入数据得到v0.93c.即从你的角度出发，看到的小蝴蝶的速度是0.93c，而不是1.3c.【答案】0.93c4如果一个运动的粒子的总能量是静能量的k倍，求该粒子的速度【解析】粒子总能量Emc2km0c2所以mkm0即vc.【答案】§6.4广义相

41、对论点滴 1知道广义相对性原理和等效原理2根据广义相对论原理，能够知道广义相对论的一些常见的结论3了解宇宙的演化过程1重点难点教学重点：广义相对论的两个等效原理教学难点：广义相对论的一些常见的结论2高考前瞻广义相对论的两个原理和几个结论不在高考范围3教学建议对于广义相对论，只要让学生了解广义相对论的一些常见的结论，知道有些事实支持广义相对论，可让学生进行自由讨论1广义相对性原理和等效原理(1)在狭义相对论中，在不同惯性参考系中，一切物理规律都是相同的，爱因斯坦在狭义相对论的基础上，把相对性原理推广到包括非惯性参考系在内的任意参考系，在_中，物理规律都是相同，这就是广义相对性原理(2)我们无法判

42、断，在一个封闭的电梯内，物体加速运动是由引力引起的还是参考系相对于物体运动造成的一个_的加速度系统跟一个_的惯性系统是等效的，这就是等效原理(3)广义相对论的几个结论光在引力场中传播时，将发生_，而不是_引力作用使光波发生频移，即“_”或“_”在引力场中时间也会延缓，引力越强，时钟就走得_有质量的物体存在加速度时，会向外界辐射出_2宇宙的演化(1)宇宙起源大家比较公认的学说是大爆炸学说，宇宙现在处于体积不断_，温度不断_的过程中(2)根据大爆炸学说，大爆炸的初期，1043 s时，宇宙的密度是1093 kg/m3，温度是1032 K，宇宙是混沌一团；106 s时，温度是1013 K，出现了电子、

43、正电子；1 min时，温度降到109 K，质子和中子结合成氦核；约10亿年时，开始形成_；约100亿年时，出现_；约120亿年时，地球上出现生命；约137亿年时出现了_，百万年后出现了现代文明，宇宙温度降到了3 K.参考答案：1(1)任何参考系(2)不受引力作用受引力作用(3)偏折直线传播红移蓝移越慢引力波2(1)膨胀降低(2)恒星和星系银河系、太阳和行星人类主题1：广义相对性原理和等效原理情景：在1905年发表狭义相对论之后，爱因斯坦就意识到狭义相对论还有两个问题没有解决，这两个问题是：非惯性系的问题和引力的问题问题：为了解决这两个问题，爱因斯坦是怎样把这两个问题纳入相对论的轨道之中的？解决

44、的方法是什么？解答：为了解决这两个问题，爱因斯坦提出两个原理，广义相对性原理和等效原理，广义相对性原理解决了狭义相对论中惯性参考系的问题，等效原理解决了万有引力的问题主题2：广义相对论的结论情景：图甲是爱因斯坦做的一个理想实验，如果在遥远的宇宙里有一间房子，这间房子里面有一切必要的实验用具，墙上有一个光线发射体，如果房子是惯性系，由光速不变原理可以知道，由墙上的光线发射体发出的光束就会沿着直线直接对穿正对面墙上的小孔，从房子里射出问题：如果房子向上加速运动，如图乙所示，它就不再是惯性参考系，那么这束光还会不会从小孔射出？其轨迹应该是什么样的呢，请您大致的画一下解答：不会，光线由于房子加速会发生

45、弯曲，如图丙所示主题3：宇宙情景：宇宙的起源一直是天文学中非常有意义的话题，宇宙学中大爆炸理论被很多科学家认可，它的基本观点是宇宙正在膨胀问题：说说你对宇宙的认识解答：宇宙是所有时间和空间的总称，宇宙不是从来就有的，也不是无边无际的，宇宙现在还处于膨胀时期，今后可能一直膨胀，也可能膨胀到一定程度就收缩主题4：黑洞问题：关注宇宙的同学们都对黑洞感兴趣，通过查阅相关的资料，回答下列问题(1)黑洞是什么？(2)黑洞是怎样发现的？(3)太阳的“明天”会是什么？会不会是黑洞？解答：(1)黑洞是体积很小、密度很大的天体，任何进入这个天体区域的物质，包括光线，都无法摆脱它巨大的引力，所以人们是看不见它的(2

46、)我们不能直接观察到黑洞，但是黑洞可以与邻近的恒星构成双星系统，从地球上看来，那可见的恒星便好像与一个看不见的天体不停地跳华尔兹，根据它的运动程度可推算出那看不见天体的质量此外，黑洞的巨大引力使伴星的气体物质以螺旋轨道冲进黑洞，由于被急剧压缩，物质的温度变得很高，从而产生X射线和射线，在地球上观察这些射线，便可找到黑洞存在的证据(3)太阳正处于恒星的主序星阶段，恒星在这个阶段停留的时间最长、最稳定恒星进入了老年期可能成为红巨星或超新星恒星最终可能成为白矮星或中子星或黑洞. 一、广义相对论例1如图所示，假设我们在没有引力的太空中，我们站在一台加速上升的电梯内(加速度为g)释放一块石头，看到石头以

47、加速度g落向地板，如果站在地球上的静止在地面上的电梯内释放石块，石头由于重力而下落，如果电梯封闭的很好，你站在电梯中，你是否能够分清您是在太空中的电梯里还是在地面上的电梯里？【解析】因为这两种情况产生的效果是完全相同的，而惯性质量和引力质量又相等，所以不能进行判别【答案】不能【点拨】一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价变式训练1在远离一切星体的太空中，作为一艘加速(加速度大于重力加速度g)运行的飞船上的乘客，你观察自己的重量比在地球上是大、是小还是不变？如果飞船是匀速运动呢？【解析】如果在加速运动的飞船里进行测量，并且飞船的加速度大于重力加速度时，测得的重量比在地球上大，如果是匀速运动，则测量的重量为零【答案】见解析二、广义相对论的几个结论例2按照爱因斯坦的广义相对论，下列说法正确的是()A天体之间的引力作用是时空弯曲的原因B光线经过太阳附近时会发生弯曲C氢原子发射的光从太阳传播到太空时，它的频率会变低D光在真空中任何情况下都是沿直线传播的【解析】根据广义相对论，物质的引力会使光线弯曲引力越强弯曲越厉害，因此在地球上看星体看到的位置与实际位置不符在引力强的星球附近时间进程会变慢，引力势能的变化会引起波