人教版高中物理 15.3 狭义相对论的其他结论 15.4 广义相对论简介课件 新人教选修34.ppt

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1、2021/8/9 星期一12021/8/9 星期一22021/8/9 星期一32021/8/9 星期一42021/8/9 星期一52021/8/9 星期一62021/8/9 星期一72021/8/9 星期一82021/8/9 星期一92021/8/9 星期一10一、对质能方程的理解一、对质能方程的理解2021/8/9 星期一111.1.运动物体的动能：运动物体的动能：E Ek k=E-E=E-E0 0，E Ek k是物体的动能，是物体的动能，E=mcE=mc2 2是物体是物体运动时的能量，运动时的能量，E E0 0=m=m0 0c c2 2是物体静止时的能量是物体静止时的能量.在在v vc c

2、时，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顿力学是相对论力学在低速情况下的特例.推导如下：推导如下：E Ek k=E-E=E-E0 0=mc=mc2 2-m-m0 0c c2 2，将动态质量将动态质量 代入上式整理得：代入上式整理得：2021/8/9 星期一122021/8/9 星期一132.2.如果质量发生了变化，其能量也相应发生变化如果质量发生了变化，其能量也相应发生变化E=mcE=mc2 2，这个方程常应用在核能的开发和利用上这个方程常应用在核能的开发和利用上.如果系统的质量亏损如果

3、系统的质量亏损为为mm，就意味着有，就意味着有EE的能量释放的能量释放.2021/8/9 星期一14 物体的动能增加时，物体对应的质量也增大，物体的动能增加时，物体对应的质量也增大，此时可以根据此时可以根据m=m=求出物体增加的质量求出物体增加的质量.2021/8/9 星期一15【典例【典例1 1】(2011(2011青岛高二检测青岛高二检测)一个原来静止的电子，经过一个原来静止的电子，经过100 V100 V的电压加速后它的动能是多少？质量改变了百分之几？的电压加速后它的动能是多少？质量改变了百分之几？速度是多少？此时还能否使用经典的动能公式？速度是多少？此时还能否使用经典的动能公式？(m(

4、m0 0=9.1=9.11010-31-31 kg)kg)【解题指导】【解题指导】(1)(1)如果质量发生明显变化，经典动能公式就不成立了如果质量发生明显变化，经典动能公式就不成立了.(2)(2)如果质量变化可忽略，则仍可使用经典动能公式如果质量变化可忽略，则仍可使用经典动能公式.2021/8/9 星期一16【标准解答】【标准解答】由动能定理：由动能定理：E Ek k=eU=1.610=eU=1.610-19-19100 J100 J=1.610=1.610-17-17 J.J.根据质能方程：根据质能方程：E=mcE=mc2 2，得，得m=m=质量的改变量是原来的：质量的改变量是原来的：加速后

5、的速度为加速后的速度为上述计算表明，加速后的电子还属于低速的，可以使用经典上述计算表明，加速后的电子还属于低速的，可以使用经典的动能公式的动能公式.答案：答案：1.6101.610-17-17 J 0.02%5.910 J 0.02%5.9106 6 m/s m/s 可以使用经典可以使用经典动能公式动能公式2021/8/9 星期一17【规律方法】【规律方法】相对论的质速关系相对论的质速关系由相对论的质速关系由相对论的质速关系 知，物体以速度知，物体以速度v v运动时的质运动时的质量量m m大于静止时的质量大于静止时的质量m m0 0，且，且v v越大，越大，m m与与m m0 0相差越大相差越

6、大.微观粒微观粒子的运动速度很高，它的质量明显大于静止质量，在粒子加子的运动速度很高，它的质量明显大于静止质量，在粒子加速问题中注意考虑这一问题速问题中注意考虑这一问题.2021/8/9 星期一18二、广义相对论的几个结论二、广义相对论的几个结论2021/8/9 星期一221.1.光线在引力场中弯曲光线在引力场中弯曲根据广义相对论根据广义相对论,物质的引力会使光线弯曲物质的引力会使光线弯曲,引力场越强引力场越强,弯曲弯曲越厉害越厉害.通常物体的引力场都太弱通常物体的引力场都太弱,但太阳引力场却能引起光但太阳引力场却能引起光线比较明显的弯曲线比较明显的弯曲.2.2.引力红移引力红移按照广义相对论

7、按照广义相对论,引力场的存在使得空间不同位置的时间进程引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别出现差别.例如例如,在强引力的星球附近在强引力的星球附近,时间进程会变慢时间进程会变慢,因此因此光振动会变慢光振动会变慢,相应的光的波长变长、频率变小相应的光的波长变长、频率变小,光谱线会发光谱线会发生向红光一端移动的现象生向红光一端移动的现象.光谱线的这种移动是在引力作用下光谱线的这种移动是在引力作用下发生的发生的,所以叫所以叫“引力红移引力红移”.”.2021/8/9 星期一233.3.水星近日点的进动水星近日点的进动天文观测显示天文观测显示,行星的轨道并不是严格闭合的行星的轨道并不是严格闭

8、合的,它们的近日点它们的近日点(或远日点或远日点)有进动有进动(行星绕太阳一周后行星绕太阳一周后,椭圆轨道的长轴也随椭圆轨道的长轴也随之有一点转动之有一点转动,叫做叫做“进动进动”),”),这个效应以离太阳最近的水星这个效应以离太阳最近的水星最为显著，这与牛顿力学理论的计算结果有较大的偏差，而最为显著，这与牛顿力学理论的计算结果有较大的偏差，而爱因斯坦的广义相对论的计算结果与实验观察结果十分接近爱因斯坦的广义相对论的计算结果与实验观察结果十分接近.广义相对论所作出的以上预言全部被实验观测所证实广义相对论所作出的以上预言全部被实验观测所证实.还有其还有其他一些事实也支持广义相对论他一些事实也支持

9、广义相对论.目前目前,广义相对论已经在宇宙广义相对论已经在宇宙结构、宇宙演化等方面发挥了主要作用结构、宇宙演化等方面发挥了主要作用.2021/8/9 星期一24 (1)(1)光线在引力场中弯曲，以及引力红移现象光线在引力场中弯曲，以及引力红移现象都是在引力场很强的情况下产生的效应都是在引力场很强的情况下产生的效应.(2)(2)光在同一种均匀介质中沿直线传播的现象在我们的日常生光在同一种均匀介质中沿直线传播的现象在我们的日常生活中仍然成立活中仍然成立.2021/8/9 星期一25【典例【典例2 2】在适当的时候，通过仪器可以观察到太阳后面的恒】在适当的时候，通过仪器可以观察到太阳后面的恒星，这说

10、明星体发出的光星，这说明星体发出的光()()A.A.经太阳时发生了衍射经太阳时发生了衍射B.B.可以穿透太阳及其他障碍物可以穿透太阳及其他障碍物C.C.在太阳引力场作用下发生了弯曲在太阳引力场作用下发生了弯曲D.D.经过太阳外的大气层时发生了折射经过太阳外的大气层时发生了折射 【解题指导】【解题指导】依据广义相对论中的引力场中的光线弯曲依据广义相对论中的引力场中的光线弯曲考虑考虑.2021/8/9 星期一26【标准解答】【标准解答】选选C.C.根据爱因斯坦的广义相对论可知，光线在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太阳引力场作用下发生了弯曲，所以

11、可以在适当的时候(如日如日全食时全食时)通过仪器观察到太阳后面的恒星，故通过仪器观察到太阳后面的恒星，故C C正确，正确，A A、B B、D D均错均错.2021/8/9 星期一27【典例】【典例】(2011(2011临沂高二检测临沂高二检测)地球上一观察者，看见一飞地球上一观察者，看见一飞船船A A以速度以速度2.5102.5108 8 m/s m/s从他身边飞过，另一飞船从他身边飞过，另一飞船B B以速度以速度2.0102.0108 8 m/s m/s跟随跟随A A飞行飞行.求：求：(1)A(1)A上的乘客看到上的乘客看到B B的速度是多少？的速度是多少？(2)B(2)B上的乘客看到上的乘

12、客看到A A的速度是多少？的速度是多少？2021/8/9 星期一29【标准解答】【标准解答】(1)A(1)A上的乘客看到地面上的人的速度上的乘客看到地面上的人的速度u=-2.510u=-2.5108 8 m/s m/s，B B相当于地面的速度为相当于地面的速度为v=2.010v=2.0108 8 m/s.m/s.则则A A上的乘客看到上的乘客看到B B的速度为的速度为(2)(2)同理同理B B上的乘客看到上的乘客看到A A的速度为的速度为1.125101.125108 8 m/s.m/s.答案：答案：(1)-1.12510(1)-1.125108 8 m/s m/s(2)1.12510(2)1

13、.125108 8 m/sm/s 2021/8/9 星期一30一、选择题一、选择题1.1.关于物体的质量，下列说法正确的是关于物体的质量，下列说法正确的是()()A.A.在牛顿力学中，物体的质量是保持不变的在牛顿力学中，物体的质量是保持不变的B.B.在牛顿力学中，物体的质量随物体的速度变化而变化在牛顿力学中，物体的质量随物体的速度变化而变化C.C.在相对论力学中，物体静止时的质量最小在相对论力学中，物体静止时的质量最小D.D.在相对论力学中，物体的质量随物体速度的增大而增大在相对论力学中，物体的质量随物体速度的增大而增大2021/8/9 星期一31【解析】【解析】选选A A、C C、D.D.在

14、牛顿力学中，物体的质量是保持不变在牛顿力学中，物体的质量是保持不变的，故选项的，故选项A A正确，正确，B B错误；在相对论力学中，由于物体的速错误；在相对论力学中，由于物体的速度度v v不可能达到光速不可能达到光速c c，所以，所以v vc c，1-()1-()2 21 1，根据，根据 可判断选项可判断选项C C、D D均正确均正确.2021/8/9 星期一322.2.一个物体静止时质量为一个物体静止时质量为m m0 0，能量为，能量为E E0 0，速度为，速度为v v时，质量为时，质量为m m，能量为，能量为E E，动能为，动能为E Ek k，下列说法正确的是，下列说法正确的是()()A.

15、A.物体速度为物体速度为v v时能量时能量E=mcE=mc2 2B.B.物体速度为物体速度为v v时动能时动能E Ek k=mc=mc2 2C.C.物体速度为物体速度为v v时的动能时的动能E Ek k=mv=mv2 2D.D.物体速度为物体速度为v v时的动能时的动能E Ek k=(m-m=(m-m0 0)c)c2 22021/8/9 星期一33【解析】【解析】选选A A、D.D.物体具有的质量与质量对应的能量称为质能，物体具有的质量与质量对应的能量称为质能，E=mcE=mc2 2表明质量与能量之间存在一一对应的关系，物体吸收或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

16、的质量会增加或减少，故选项放出能量，则对应的质量会增加或减少，故选项A A、D D正确，正确，B B、C C错误错误.2021/8/9 星期一343.(20113.(2011大同高二检测大同高二检测)设想有一艘飞船以设想有一艘飞船以v=0.8cv=0.8c的速度在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，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该物体相对于飞船的速度为0.9c0.9c，从地面上的人看来，物体，从地面上的人看来，物体的速度为的速度为()()A.1.7c B.0.1c C.0.99c D.A.1.7c B.0.1c C.0.

17、99c D.无法确定无法确定【解析】【解析】选选C.C.根据相对论速度变换公式：根据相对论速度变换公式：得得 故选项故选项C C正确正确.2021/8/9 星期一354.4.下列说法中正确的是下列说法中正确的是()()A.A.万有引力可以用狭义相对论做出正确的解释万有引力可以用狭义相对论做出正确的解释B.B.电磁力可以用狭义相对论做出正确的解释电磁力可以用狭义相对论做出正确的解释C.C.狭义相对论是惯性参考系之间的理论狭义相对论是惯性参考系之间的理论D.D.万有引力理论无法纳入狭义相对论的框架万有引力理论无法纳入狭义相对论的框架【解析】【解析】选选B B、C C、D.D.狭义相对论理论认为电磁

18、相互作用的传狭义相对论理论认为电磁相互作用的传播速度播速度c c是自然界中速度的极限，而星球的运动不能够超过光是自然界中速度的极限，而星球的运动不能够超过光速影响到远处的另一个星球，所以万有引力理论无法纳入狭速影响到远处的另一个星球，所以万有引力理论无法纳入狭义相对论，故选项义相对论，故选项A A错误，错误，B B、D D正确；狭义相对论是惯性参考正确；狭义相对论是惯性参考系之间的理论，故选项系之间的理论，故选项C C正确正确.2021/8/9 星期一36 【方法技巧】【方法技巧】如何选择非惯性系为参考系解题如何选择非惯性系为参考系解题1.1.由广义相对性原理：在任何参考系中，物理规律都是相同

19、由广义相对性原理：在任何参考系中，物理规律都是相同的的.这意味着惯性系中的运动定律，在非惯性系中都是相同的，这意味着惯性系中的运动定律，在非惯性系中都是相同的，但要满足相对性原理但要满足相对性原理.2.2.由相对性的等效原理：一个均匀的引力场与一个做匀加速由相对性的等效原理：一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价运动的参考系等价.这意味着一个非惯性系可以看做一个惯性这意味着一个非惯性系可以看做一个惯性系，只不过是它的后面有一个均匀的引力场，这样选非惯性系，只不过是它的后面有一个均匀的引力场，这样选非惯性系作为参考系解题，可以使用我们学过的运动定律，但在分系作为参考系解题，可以使用我们学

20、过的运动定律，但在分析受力时应分析惯性力析受力时应分析惯性力(即引力即引力)的作用的作用.2021/8/9 星期一375.5.下列说法中正确的是下列说法中正确的是()()A.A.物体的引力使光线弯曲物体的引力使光线弯曲B.B.光线弯曲的原因是介质不均匀而非引力作用光线弯曲的原因是介质不均匀而非引力作用C.C.在强引力的星球附近，时间进程会变慢在强引力的星球附近，时间进程会变慢D.D.广义相对论可以解释引力红移现象广义相对论可以解释引力红移现象【解析】【解析】选选A A、C C、D.D.根据广义相对论的几个结论可知，选项根据广义相对论的几个结论可知，选项A A、C C、D D正确，正确，B B错

21、误错误.2021/8/9 星期一386.6.下列说法中正确的是下列说法中正确的是()()A.A.在任何参考系中，物理规律都是相同的在任何参考系中，物理规律都是相同的,这就是广义相对性这就是广义相对性原理原理B.B.在不同的参考系中，物理规律都是不同的，例如牛顿定律在不同的参考系中，物理规律都是不同的，例如牛顿定律仅适用于惯性参考系仅适用于惯性参考系C.C.一个均匀的引力场与一个做匀速运动的参考系等价，这就一个均匀的引力场与一个做匀速运动的参考系等价，这就是著名的等效原理是著名的等效原理D.D.一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价，这一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价，这就

22、是著名的等效原理就是著名的等效原理2021/8/9 星期一39【解析】【解析】选选A A、D.D.根据广义相对性原理和等效原理可知，选项根据广义相对性原理和等效原理可知，选项A A、D D正确，正确，C C错误；根据狭义相对论两个基本假设可知，选项错误；根据狭义相对论两个基本假设可知，选项B B错误错误.2021/8/9 星期一40二、非选择题二、非选择题7.7.有人说物体燃烧释放出的能量就是静质能有人说物体燃烧释放出的能量就是静质能(m(m0 0c c2 2).).又有人说又有人说核反应释放出的能量就等于静质能核反应释放出的能量就等于静质能(m(m0 0c c2 2)，你说对吗？，你说对吗？

23、【解析】【解析】1 kg1 kg汽油所包含的静质能是汽油所包含的静质能是9109101616 J,J,而而1 kg1 kg汽油的汽油的燃烧值为燃烧值为4.6104.6107 7 J J，这只是静质能的二十亿分之一，而核，这只是静质能的二十亿分之一，而核能约占它总静质能的能约占它总静质能的8.5%8.5%，因而物体燃烧、核反应释放出的，因而物体燃烧、核反应释放出的能量都只是静质能中极小的一部分能量都只是静质能中极小的一部分.答案：答案：不对不对2021/8/9 星期一418.(20118.(2011潍坊高二检测潍坊高二检测)一匀质矩形薄板，在它静止时测得一匀质矩形薄板，在它静止时测得其长度为其长度为a a，宽为，宽为b b，质量为，质量为m m0 0，由此可算得其面积密度为，由此可算得其面积密度为 假定该薄板沿长度方向以接近光速的速度假定该薄板沿长度方向以接近光速的速度v v做匀速直线做匀速直线运动，此时再测算该矩形薄板的面积密度为多少？运动，此时再测算该矩形薄板的面积密度为多少？2021/8/9 星期一42【解析】【解析】由相对论长度公式由相对论长度公式a=a=答案：答案：2021/8/9 星期一43Thank you!Thank you!2021/8/9 星期一442021/8/9 星期一45