高中物理 相对论 知识点全解析_第1页
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文档简介

1、高三物理第一学期新课预习第一周 天津市立思辰网络教育有限公司 版权所有 1 / 8 第一学期第一周第一学期第一周 课程内容 第十五章 相对论简介 1.相对论的诞生 2.时间和空间的相对性 3.狭义相对论的其他结论 4.广义相对论简介 2014-2015 学年 高三物理第一学期新课预习第一周 天津市立思辰网络教育有限公司 版权所有 3 / 8 1、准备知识要点:了解创立科学理论的在熟练掌基本方法提出假设 2、本阶段知识要点:了解伽利略相对性原理,知道时空观与参考系的联系,了解狭 义相对论的理论基础及几个结论,了解广义相对论的几个结论 3、拓展知识要点:感受科学家勇于质疑、探求真理、批评创新的品质

2、,培养思维的 多向性和发散性。 1伽利略相对性原理:1伽利略相对性原理: 如果牛顿运动定律在某个参考系中成立,这个参考系叫做惯性系,相对一个惯性系做 匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系. 伽利略的一段话,生动地描述了一艘平稳行驶的大船里发生的事情.“船停着不动时, 你留神观察,小虫都以等速向各方向飞行,鱼向各个方向随意游动,水滴滴进下面的罐 中;你把任何东西扔给你的朋友时,只要距离相等,向这一方向不比向另一方向用更多的 力.你双脚齐跳,无论向哪个方向跳过的距离都相同.当你仔细观察这些事情之后,再使船以 任何速度前进,只要运动是匀速的,也不忽左忽右地摆动,你将发现,所有上述现象丝毫 没有变化.

3、你也无法从其中任何一个现象来确定,船是在运动还是停着不动”。 伽利略相对性原理表述1:力学规律在任何惯性系中都是相同的.这个论述叫做相对性 原理. 伽利略相对性原理表述2:在一个惯性参考系内进行任何力学实验都不能判断它是否 在相对于另一个惯性参考系做匀速直线运动;或者说,任何惯性系都是平权的. 2狭义相对论的两个基本假设:2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的惯性参考系中都是相同的。 3时间和空间的相对性:3时间和空间的相对性: (1)“同时”的相对性:“同时”是相对的。在一个参考系中看来“同时”

4、的,在另一个参 考系中却可能“不同时”。 假设一列很长的火车在沿平直轨道飞快地匀速行驶.车厢中央有一个光源发出了一个闪 光,闪光照到了车厢的前壁和后壁,这是两个事件.车上的观察者认为两个事件是同时的.在 他看来这很好解释,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(图甲). 高三物理第一学期新课预习第一周 天津市立思辰网络教育有限公司 版权所有 4 / 8 车下的观察者则不以为然.他观测到,闪光先到达后壁,后到达前壁.他的解释是:地面 也是一个惯性系,闪光向前、后传播的速度对地面也是相同的,但是在闪光飞向两壁的过 程中,车厢向前行进了一段距离

5、,所以向前的光传播的路程长些,到达前壁的时刻也就晚 些(图乙),这两个事件不同时. 接受了爱因斯坦的两个假设,我们自然会得出“同时是相对的”这样一个结论. 为什么在日常生活中没有人觉察到这种相对性?原来,火车运动的速度远远小于光 速,光从车厢中央传播到前后两壁的短暂时间内,火车前进不了多大距离,因此地面观察 者不会发现闪光到达前壁、后壁的时间差 (2)长度的相对性:一条沿自身长度方向运动的杆,其长度总比静止时的长度小。 即 2 0 )(1 c v ll = (式中l,是与杆相对运动的人观察到的杆长,l0是与杆相对静止的人观察到的杆 长)。 在垂直于运动方向上,杆的长度没有变化。 这种长度的变化

6、是相对的,如果两条平行的杆在沿自己的长度方向上做相对运动, 与他们一起运动的两位观察者都会认为对方的杆缩短了。 (3)时间间隔的相对性: 从地面上观察,高速运动的飞船上时间进程变慢,飞船上的人则感觉地面上的时间进 程变慢。 t= 2 )/(1/cv 。(式中 是与飞船相对静止的观察者测得的两事件的时间间隔, t是地面上观察到的两事件的时间间隔)。 更严格的推导表明,上式具有普遍意义,它意味着,从地面上观察,火车上的时间进 程变慢了,由于火车在运动,车上的一切物理、化学过程和生命过程都变慢了:时钟走得 慢了,化学反应慢了,甚至人的新陈代谢也变慢了可是车上的人自己没有这种感觉, 他们反而认为地面上

7、的时间进程比火车上的慢,因为他们看到,地面正以同样的速度朝相 反的方向运动! (4)时空相对性的实验验证 时空相对性的最早证据跟宇宙线的观测有关(1941 年).宇宙线是来自太阳和宇宙深 处的高能粒子流,它和高层大气作用,又产生多种粒子,叫做次级宇宙线,它们统称宇宙 线.次级宇宙线中有一种粒子叫做子,寿命不长,只有3.0s,超过这个时间后大多数子 就衰变为别的粒子了.宇宙线中子的速度约为0.99c,所以在它的寿命之内,运动的距离 只有约890m.子生成的高度在100km以上,这样说来宇宙线中的子不可能到达地面.但 在实际上,地面观测到的宇宙线中有许多子,这只能用相对论来解释. 高三物理第一学期

8、新课预习第一周 天津市立思辰网络教育有限公司 版权所有 5 / 8 我们说子的寿命为3.0s,这是在与它相对静止的参考系中说的.从地面参考系看, 子在以接近光速的速度运动,根据(l)式,它的寿命比3.0s长得多,在这样长的时间 内,许多子可以飞到地面. 如果观察者和子一起运动,这个现象也好解释.这位观察者看到,子的寿命仍是3.0 s,但是大地正向他扑面而来,因此大气层的厚度不是100km,由于长度的相对性,在 他看来大气层比100km薄得多,许多子在衰变为其他粒子之前可以飞过这样的距离. 相对论的第一次宏观验证是在 1971年进行的.当时把铯原子钟放在喷气式飞机上作环 球飞行,然后与地面上的基

9、准钟对照.实验结果与理论预言符合得很好. 4狭义相对论的其他结论:4狭义相对论的其他结论: (1)相对论速度变换公式:)/1/( 2 cvuvuu + = 。(式中v为高速火车相对地的速 度,u为车上的人相对于车的速度,u为车上的人相对地面的速度)。 对于低速物体u与v与光速相比很小时,根据公式u=)/1/()( 2 cvuvu + + 可知 v u 8km 此子有可能到达地面。 例题6:两个电子相向运动,每个电子相对于实验室的速度都是 4c/5 电子的静质量等 于me求:两电子的相对速度是多少?在实验室中观测,每个电子的质量是多少?总动能又是 多少?若以一个电子为参考系,两个电子的总动能又是

10、多少? 分析与解:由速度变换公式: 1 2 得 c vu vu u + + = . 41 40 5 4 5 4 1 5 4 5 4 2 c c cc cc u = + + = ( )( ) 10 22 3 8 1 13 6 10 8 10 1 1 3 10 t t.min v c =+ =+ 高三物理第一学期新课预习第一周 天津市立思辰网络教育有限公司 版权所有 8 / 8 在实验室中观测,每个电子质量是: . 3 5 ) 5 4 (1/)(1/ 22 eee mm c v mm = = = 高三物理 第一学期 巩固练习 第一周 天津市立思辰网络教育有限公司 版权所有 3 / 7 1、地面上

11、a、b 两个事件同时发生,对于坐在火箭中沿两个事件发生地点连线飞行的 人来说(如图所示),哪个事件先发生? 2、a、b、c 是三个完全相同的时钟,a 放在地面上,b、c 分别放在两个火箭上,以 速度vb和vc朝同一方向飞行, vbvc,地面上的观察者认为哪个时钟走得最慢?哪个走 得最快? 3、如果有一支静止时长 30 m 的火箭,以光速的二分之一的速度从观察者的身边掠 过,以下说法中正确的是 a地面上的观察者测得的火箭长为 30 m b地面上的观察者测得的火箭长小于 30 m c地面上的观察者测得的火箭长大于 30 m d火箭上的观察者测得的火箭长为 30 m 4、一列火车以速度v相对地面运动

12、如果地面上的人测得,某光源发出的闪光同时 到达车厢的前壁和后壁,以下说法中正确的是 a火车上的人测得,闪光先到达前壁 b火车上的人测得,闪光先到达后壁 c火车上的人测得,闪光同时到达车厢 的前壁 和后壁 d条件不足,无法确定 5、下列说法正确的是 ( ) a力学规律在任何参考系中都是相同的 b在所有惯性系中物理规律都是相同的 c在高速运动情况下,惯性系中的物理规律也不一定相同 d牛顿运动定律在非惯性系中不变 6、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 1.5c b飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为 0.5c 高三

13、物理 第一学期 巩固练习 第一周 天津市立思辰网络教育有限公司 版权所有 4 / 7 c在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是c d在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c 7、一长杆在车厢中静止,杆与车厢前进的方向平行,在车厢中测得杆长为 1.0 m,若 车厢以 0.6c 的速率行驶(c为光速),则在地面上测得的杆长为_ _ _ 8、一飞船以 u=9103m/s 的速率相对于地面飞行,飞船上的钟走了 5s,用地面上的 钟测量经过了多长时间? 9、在狭义相对论中,下列说法中哪些是正确的( ) (1)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 (2)质量、长度、时间的测量结果都

14、是随物体与观察者的相对运动状态而改变的 (3)在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 (4)惯性系中的观察者观察一个与他作匀速相对运动的时钟时,会看到这时钟比与他相 对静止的相同的时钟走得慢些 a(1) (3) (4) b(1) (2) (4) c(1) (2) (3) d(2) (3) (4) 10、甲在接近光速的火车上看乙手中沿火车前进方向放置的尺子,同时乙在地面上看 甲手中沿火车前进方向放置的尺子,则下列说法正确的是( ) a甲看到乙手中的尺子长度比乙看到自己手中的尺子长度大 b甲看到乙手中的尺子长度比乙看到自己手中的尺子长度小 c乙看到甲手中的尺

15、子长度比甲看到自己手中尺子长度大 d乙看到甲手中的尺子长度比甲看到自己手中尺子长度小 11、设想在人类的将来实现了恒星际航行,即将火箭发射到邻近的恒星上去,火箭相 对于日心恒星坐标系的速率为v=0.8c,火箭中静止放置长度为 1.0 m 的杆,杆与火箭 方向平行,求在日心恒星坐标系中测得的杆长。 12、一艘宇宙飞船的船身固有长度为l0 =90 m,相对于地面以=v0.8 c (c为真空中 光速)的匀速度在地面观测站的上空飞过 (1)观测站测得飞船长及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? 13、某人测得一静止棒长为l、质量为 m,于是求得此棒的线密度

16、为 l m =。假定此 棒以速度 v 在棒长方向上运动,此人再测棒的线密度应为多少?若棒在垂直长度方向上运 动,它的线密度又为多少? 14、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 41026j,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。 高三物理 第一学期 巩固练习 第一周 天津市立思辰网络教育有限公司 版权所有 5 / 7 15、1905 年,爱因斯坦创立了“相对论”,提出了著名的质能方程 emc2,下面涉及 到对质能方程理解的几种说法中,正确的是 ( ) a若物体的能量增大,则它的质量增大 b若物体的能量增大,则它的质量减小

17、c若核反应过程质量减小,则需吸收能量 d若核反应过程质量增大,则会放出能量 16如图所示,沿平直铁路线有间距相等的三座铁塔 a、b 和 c。假想有一列车沿 ac 方向以接近光速行驶,当铁塔 b 发出一个闪光,列车上的观测者测得 a、c 两铁塔被照亮 的顺序是( ) a同时被照亮 ba 先被照亮 cc 先被照亮 d无法判断 17属于狭义相对论基本假设的是:在不同的惯性系中( ) a真空中光速不变 b时间间隔具有相对性 c物体的质量不变 d物体的能量与质量成正比 18(1)如图甲所示,强强乘电梯速度为 0.9c(c为光速)的宇宙飞船追赶正前方 的壮壮,壮壮的飞行速度为 0.5c,强强向壮壮发出一束

18、光进行联络,则壮壮观测到该光束 的传播速度为_。(填写选项前的字母) 甲 乙 丙 a0.4c b0.5c c0.9c d1.0c 高三物理 第一学期 巩固练习 第一周 天津市立思辰网络教育有限公司 版权所有 6 / 7 (2)在0t =时刻,质点 a 开始做简谐运动,其振动图象如图乙所示。 质点 a 振动的周期是_s;8ts=时,质点 a 的运动沿y轴的_方 向(填“正”或“负”);质点 b 在波动的传播方向上与 a 相距 16m。已知波的传播速度为 2m/s,在9ts=时,质点 b 偏离平衡位置的位移是_cm (3)图丙是北京奥运会期间安置在游泳池底部的照相机拍摄的一张照片,相机的镜头竖 直向上。照片中,水立方运动馆的景象呈现在半径11rcm=的圆形范围内,水面上的运动 员手到脚的长度10lcm=,若已知水的折射率为 4 3 n=,请根据运动员的实际身高估算该 游泳池的水深h。(结果保留两位有效数字) 1、b 事件先发生。 2、c 时钟走得最慢,a 走得最快。 3、bd 4、a 5、b 6、cd 7、0.8m 8、5.000 000 002s 9、b 10、bd 11、0.6 m 12、54m 2

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