高中物理 第五章 相對(duì)論 第四節(jié) 廣義相對(duì)論 第五節(jié) 宇宙學(xué)簡介（1）教案粵教版選修3-4VIP

1、學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精廣義相對(duì)論【教學(xué)目標(biāo)】1知道相對(duì)論速度疊加規(guī)律。2知道相對(duì)論質(zhì)能關(guān)系。3初步了解廣義相對(duì)論的幾個(gè)主要觀點(diǎn)以及主要觀測證據(jù)。4關(guān)注宇宙學(xué)的新進(jìn)展?！厩榫硨?dǎo)入】狹義相對(duì)論告訴我們,物體運(yùn)動(dòng)的極限速度都不可能越過真空中的光速。在宏觀低速運(yùn)動(dòng)的條件下，伽利略的速度疊加原理簡單有效，但對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的物體及微觀高速粒子，速度的疊加原理與傳統(tǒng)經(jīng)典觀念矛盾，必須要考慮相對(duì)論效應(yīng)?？紤]相對(duì)論效應(yīng)的情況下速度的疊加是怎樣的呢？提示：相對(duì)論效應(yīng)指的是“動(dòng)尺變短”或“動(dòng)鐘變慢”等。在高速運(yùn)動(dòng)的參考系中，速度的疊加必須考慮這個(gè)因素，低速宏觀狀態(tài)下遵守伽利略的速度疊加原理，高速的情況下任何運(yùn)動(dòng)的速

2、度不能超過光速?！局R(shí)點(diǎn)梳理】一、狹義相對(duì)論的其他結(jié)論1相對(duì)論速度變換公式設(shè)車對(duì)地的速度為v，人對(duì)車的速度為u,車上人相對(duì)于地面的速度為u，(1)經(jīng)典的時(shí)空觀：uuv。(2)相對(duì)論的速度變換公式為：_。如果車上人運(yùn)動(dòng)方向與車運(yùn)動(dòng)方向相同，u取_值，如果車上人運(yùn)動(dòng)方向與車運(yùn)動(dòng)方向相反，u取_值.(3）結(jié)論：光速c是宇宙萬物速度的極限,且相對(duì)于任何參考系都是不變的.注意：它只適用于沿同一直線運(yùn)動(dòng)物體速度的疊加。2相對(duì)論質(zhì)量(1)經(jīng)典力學(xué)：物體的質(zhì)量是_的，一定的力作用在物體上，產(chǎn)生的加速度也是_的，足夠長的時(shí)間以后物體就可以達(dá)到_速度.（2)相對(duì)論情況下：物體的質(zhì)量隨其速度的增大而增大。物體以速度

3、v運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量m與靜止時(shí)的質(zhì)量m0的關(guān)系式為：_。3質(zhì)能方程質(zhì)能方程：_。質(zhì)能方程表達(dá)了物體的質(zhì)量m和它所具有的能量e之間的關(guān)系。思考:有人根據(jù)emc2得出結(jié)論：質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為能量、能量可以轉(zhuǎn)化為質(zhì)量。這種說法對(duì)嗎？二、廣義相對(duì)論簡介1超越狹義相對(duì)論的思考愛因斯坦思考狹義相對(duì)論無法解決的兩個(gè)問題：(1)引力問題，萬有引力理論無法納入_的框架。（2)非慣性系問題，狹義相對(duì)論只適用于_。它們是促成廣義相對(duì)論的前提。2廣義相對(duì)性原理和等效原理（1)廣義相對(duì)性原理：在任何參考系中，物理規(guī)律都是_的。（2)等效原理:一個(gè)均勻的引力場與一個(gè)做勻加速運(yùn)動(dòng)的參考系_。3廣義相對(duì)論的幾個(gè)結(jié)論（1)光線經(jīng)過強(qiáng)引力

4、場中發(fā)生_：如1919年5月29日,發(fā)生日全食期間，科學(xué)家成功地觀測到了太陽背后恒星發(fā)出的光線經(jīng)過太陽附近發(fā)生彎曲的現(xiàn)象，并拍得了太陽背后恒星的照片。（2)引力紅移：引力場的存在使得空間不同位置的時(shí)間進(jìn)程出現(xiàn)了差別。例如：矮星表面的引力很強(qiáng)，按照廣義相對(duì)論，那里的時(shí)間進(jìn)程_，那里原子發(fā)光的頻率比同種原子在地球上發(fā)光的頻率低，看起來偏紅，這個(gè)現(xiàn)象叫做引力紅移。答案：一、1。(2)u正負(fù)2(1)不變一定任意的（2）m3emc2思考提示：這是對(duì)相對(duì)論的曲解,事實(shí)上質(zhì)量決不會(huì)變成能量，能量也決不會(huì)變成質(zhì)量。一個(gè)系統(tǒng)能量減少時(shí),其質(zhì)量也相應(yīng)減少，另一個(gè)系統(tǒng)因接受而增加能量時(shí)，其質(zhì)量也相應(yīng)增加。一個(gè)封閉的

5、系統(tǒng),能量是守恒的，質(zhì)量也是守恒的.二、1。（1）狹義相對(duì)論（2)慣性系2(1)相同(2）等價(jià)3（1）彎曲（2）比較慢【重難點(diǎn)突破】一、對(duì)相對(duì)論速度變換公式的理解相對(duì)論認(rèn)為，如果一列沿平直軌道高速運(yùn)行的火車對(duì)地面的速度為v，車上的人以速度u沿著火車前進(jìn)的方向相對(duì)于火車運(yùn)動(dòng)，那么這個(gè)人相對(duì)于地面的速度u，對(duì)這一個(gè)公式做以下幾點(diǎn)說明：1如果車上的人的運(yùn)動(dòng)方向與火車的運(yùn)動(dòng)方向相反，u取負(fù)值。2如果vc、uc，這時(shí)可以忽略不計(jì)，這時(shí)的速度合成公式就是經(jīng)典的伽利略公式：uuv。3如果u和v的方向垂直或成其他任意角度，公式不成立,只適用于一條直線上。對(duì)于微觀、高速運(yùn)動(dòng)的物體，其速度的疊加不再按照宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)

6、律,而是遵守相對(duì)論速度變換公式。二、相對(duì)論質(zhì)量相對(duì)論中質(zhì)量和速度的關(guān)系為m。理解這個(gè)公式時(shí)請(qǐng)注意:1式中m0是物體靜止時(shí)的質(zhì)量(也稱為靜質(zhì)量)，m是物體以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量。這個(gè)關(guān)系式稱為相對(duì)論質(zhì)速關(guān)系，它表明物體的質(zhì)量會(huì)隨速度的增大而增大。2vc時(shí)，近似地mm0。3微觀粒子的運(yùn)動(dòng)速度很高,它的質(zhì)量明顯地大于靜止質(zhì)量.例如回旋加速器中被加速的粒子質(zhì)量會(huì)變大，導(dǎo)致做圓周運(yùn)動(dòng)的周期變大后,它的運(yùn)動(dòng)與加在d形盒上的交變電壓不再同步,回旋加速器的加速能力因此受到了限制。三、對(duì)質(zhì)能方程的理解質(zhì)能方程表達(dá)了物體的質(zhì)量與它具有的能量的關(guān)系，一定的質(zhì)量總是和一定的能量相對(duì)應(yīng)，具體有下列說明：1運(yùn)動(dòng)物體的動(dòng)能:

7、ekee0,ek是物體的動(dòng)能,emc2是物體運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量，e0m0c2是物體靜止時(shí)的能量.在vc時(shí)，ekm0v2。這就是我們過去熟悉的動(dòng)能表達(dá)式，這也能讓我們看出，牛頓力學(xué)是相對(duì)論力學(xué)在低速情況下的特例。推導(dǎo)如下:ekee0mc2m0c2將動(dòng)態(tài)質(zhì)量m代入上式整理ekm0c2當(dāng)vc時(shí)，1（)2,代入上式得ekm0v22如果質(zhì)量發(fā)生了變化，其能量也相應(yīng)發(fā)生變化：emc2,這個(gè)方程應(yīng)用在核能的開發(fā)和利用上。如果系統(tǒng)的質(zhì)量虧損為m，就意味著有e的能量釋放。（1)質(zhì)能方程表達(dá)了物體的質(zhì)量和它所具有的能量的關(guān)系；一定的質(zhì)量總是和一定的能量相對(duì)應(yīng)。(2）靜止的物體的能量為emc2，這種能量叫做物體的靜質(zhì)能。

8、【例題】類型一 相對(duì)論速度變換公式的應(yīng)用【例1】 地球上一觀察者,看見一飛船a以速度2.5108 m/s從他身邊飛過,另一飛船b以速度2。0108 m/s跟隨a飛行。求：(1）a上的乘客看到b的速度。(2)b上的乘客看到a的速度。解析：(1）a上的乘客看到地面的速度為u2。5108 m/s，b相對(duì)于地面的速度為v2.0108 m/s則a上的乘客看b的速度為u m/s1.125108 m/s(2)同理b看a的速度為1.125108 m/s。答案：（1）1。125108 m/s(2）1。125108 m/s題后反思:必須把公式中涉及的三個(gè)速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系找清楚。類型二 動(dòng)態(tài)質(zhì)量問題【例2】 星際火箭

9、以0。8c的速度飛行，其運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量為靜止時(shí)的多少倍？解析：設(shè)星際火箭的靜止質(zhì)量為m0，其運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量由公式得mm0答案：運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量為靜止時(shí)質(zhì)量的倍.題后反思：在vc時(shí)，可以認(rèn)為質(zhì)量是不變的，但v接近光速時(shí)m的變化是一定要考慮的。類型三 質(zhì)能方程問題【例3】 一個(gè)原來靜止的電子，經(jīng)過100 v的電壓加速后它的動(dòng)能是多少？質(zhì)量改變了百分之幾?速度是多少?此時(shí)還能否使用經(jīng)典的動(dòng)能公式？（m09.11031 kg)解析：由動(dòng)能定理ekeu1。61019100 j1.61017 j根據(jù)質(zhì)能方程：emc2得：m，質(zhì)量的改變是原來的0。02%上述計(jì)算表明，加速后的電子還屬于低速,可以使用經(jīng)典的動(dòng)能公式。

10、加速后的速度為v m/s5。9106 m/s答案:1。61017j0.025.9106 m/s可以使用經(jīng)典動(dòng)能公式題后反思：如果質(zhì)量發(fā)生明顯變化,經(jīng)典動(dòng)能公式就不成立了。如果質(zhì)量變化可忽略,則仍可以使用經(jīng)典動(dòng)能公式?！倦S堂練習(xí)】1為紀(jì)念愛因斯坦對(duì)物理學(xué)的巨大貢獻(xiàn)，聯(lián)合國將2005年定為“世界物理年”。對(duì)于愛因斯坦提出的質(zhì)能方程emc2，下列說法中不正確的是（）.aemc2表明物體具有的能量與其質(zhì)量成正比b根據(jù)emc2可以計(jì)算核反應(yīng)中釋放的核能c一個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)子結(jié)合成氘核時(shí)釋放出核能,表明此過程中出現(xiàn)了質(zhì)量虧損demc2中的e是發(fā)生核反應(yīng)中釋放的核能2下列說法中正確的是().a在任何參考系中，物理規(guī)律都是相同的，這就是廣義相對(duì)性原理b在不同的參考系中，物理規(guī)律都是不同的，例如牛頓定律僅適用于慣性參考系c一個(gè)均勻的引力場與一個(gè)做勻速運(yùn)動(dòng)的參考系等價(jià)，這就是著名的等效原理d一個(gè)均勻的引力場與一個(gè)做勻加速運(yùn)動(dòng)的參考系等價(jià)，這就是著名的等效原理3下列屬于廣義相對(duì)論結(jié)論內(nèi)容的是（）。a尺縮效應(yīng)b時(shí)間變慢c光線在引力場中彎曲d物體運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量比靜止時(shí)大4經(jīng)過證明,物體運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量m與靜止時(shí)的質(zhì)量