人教版選修34 狹義相對(duì)論的其他結(jié)論廣義相對(duì)論簡介 第1課時(shí)學(xué)案.docxVIP

14.3狹義相對(duì)論的其他結(jié)論14.4廣義相對(duì)論簡介學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.知道相對(duì)論速度變換公式，相對(duì)論質(zhì)量和質(zhì)能方程.2.了解廣義相對(duì)論的基本原理.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)重點(diǎn)：相對(duì)論速度變換公式，相對(duì)論質(zhì)量和質(zhì)能方程.難點(diǎn)：廣義相對(duì)論的幾個(gè)主要觀點(diǎn)以及主要觀測證據(jù) 預(yù)習(xí)新課：問題導(dǎo)學(xué)一、狹義相對(duì)論的其他結(jié)論活動(dòng)與探究11根據(jù)相對(duì)論速度公式，如果u和v都很大，例如u0.6c，v0.6c，它們的合速度會(huì)不會(huì)超過光速？如果u和v更大些呢？2若uc，求證：uc，即在另一個(gè)參考系中光的速度也是c，而與v大小無關(guān)。3通過上面兩個(gè)問題討論得到什么結(jié)論？遷移與應(yīng)用1一觀察者測出電子質(zhì)量為2m0，其中m0為電子的靜止質(zhì)量，求電子速度為多少？1由相對(duì)論速度變換公式u知，如果uc，uc，這時(shí)可忽略不計(jì)，相對(duì)論的速度合成公式可近似變?yōu)閡uv，這和我們?cè)诮?jīng)典力學(xué)中的相對(duì)速度變換是一樣的。2由公式可知光速是物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的極限，只能無限趨近，永遠(yuǎn)不能達(dá)到和超過。3對(duì)于質(zhì)速關(guān)系m（1）這個(gè)關(guān)系式表明：物體的質(zhì)量會(huì)隨物體速度的增大而增大。（2）uc時(shí)，（）20，此時(shí)有mm0，也就是說：低速運(yùn)動(dòng)的物體，可認(rèn)為其質(zhì)量與物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)。（3）微觀粒子的速度很高，因此粒子運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量明顯大于靜質(zhì)量。二、廣義相對(duì)論簡介活動(dòng)與探究21狹義相對(duì)論無法解決哪兩個(gè)問題？2怎樣理解廣義相對(duì)性原理？3怎樣理解等效原理？4廣義相對(duì)論的結(jié)論是如何驗(yàn)證的？遷移與應(yīng)用2下列說法中正確的是（）a物質(zhì)的引力使光線彎曲b光線彎曲的原因是介質(zhì)不均勻而非引力作用c在強(qiáng)引力的星球附近，時(shí)間進(jìn)程會(huì)變慢d廣義相對(duì)論可以解釋引力紅移現(xiàn)象1在任何參考系中的物理規(guī)律都是相同的。這意味著慣性系中的運(yùn)動(dòng)定律，在非慣性系中都是相同的，但要滿足相對(duì)性原理。2一個(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)。這意味著，一個(gè)非慣性系可以看成一個(gè)慣性系，只不過它的后面有一個(gè)均勻的引力場。因?yàn)閼T性和引力在非慣性系中是分不清的。這是相對(duì)論的等效原理。典例分析：【例1】如圖所示，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的相對(duì)速度；(2)b上的乘客看到a的相對(duì)速度。解析：(1)a上的乘客看到b的相對(duì)速度，即b相對(duì)運(yùn)動(dòng)參考系a的速度u，由題意知a相對(duì)靜止參考系(觀察者)的速度vva2.5108 m/s，b相對(duì)靜止參考系的速度uvb2.0108 m/s，由相對(duì)論速度變換公式u可得2.0108 m/s，解上式得u1.125108 m/s，即a上的乘客看到b以1.125108 m/s的速度沿飛船a運(yùn)動(dòng)的反方向運(yùn)動(dòng)。(2)根據(jù)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性可知，b上的乘客看到a以1.125108 m/s的速度沿飛船b運(yùn)動(dòng)的方向運(yùn)動(dòng)。答案：(1)1.125108 m/s(2)1.125108 m/s【例2】人造衛(wèi)星以第一宇宙速度(約8 km/s)運(yùn)動(dòng)，問它的質(zhì)量和靜質(zhì)量之比是多少？解析：c3108 m/s，()2()27.11010，由公式m得1.000 000 000 35。答案：1.000 000 000 35【例3】一核彈含20 kg的钚，爆炸后生成的靜止質(zhì)量比原來小1/10 000。求爆炸中釋放的能量。解析：由愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系可得釋放的能量。爆炸前后質(zhì)量變化：m20 kg0.002 kg釋放的能量為：emc20.002(3108)2 j1.81014 j。答案：1.81014 j【例4】假如宇宙飛船是全封閉的，航天員與外界沒有任何聯(lián)系，但是航天員觀察到，飛船內(nèi)沒有支撐的物體都以某一加速度落向艙底，請(qǐng)分析這些物體運(yùn)動(dòng)的原因及由此得到的結(jié)論。解析：飛船內(nèi)沒有支撐的物體都以某一加速度落向艙底的原因可能是飛船正在向遠(yuǎn)離任何天體的空間加速飛行，也可能是由于飛船處于某個(gè)星球的引力場中，實(shí)際上飛船內(nèi)部的任何物理過程都不能告訴我們飛船到底是加速運(yùn)動(dòng)還是停泊在一個(gè)行星的表面。這個(gè)事實(shí)使我們想到：一個(gè)均勻的引力場與一個(gè)做加速運(yùn)動(dòng)的參考系等價(jià)。答案：一個(gè)均勻的引力場與一個(gè)做加速運(yùn)動(dòng)的參考系等價(jià)?！纠?】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？(m00.91031 kg)解析：加速后電子的動(dòng)能是ekqu1.61019100 j1.61017 j，因?yàn)閑kmc2m0c2，所以mm0，因此。把數(shù)值代入，得2.0104，即質(zhì)量改變了0.02%，這說明在100 v電壓下加速后，電子的速度與光速相比仍然很小，因此可以用ekm0v2這個(gè)公式。由ekm0v2得電子的速度v m/s6106 m/s。答案：1.61017 j0.02%6106 m/s【例6】根據(jù)廣義相對(duì)論相關(guān)理論，下列說法正確的是()a一個(gè)均勻的引力場與一個(gè)勻加速運(yùn)動(dòng)的參考系等價(jià)b光線經(jīng)過強(qiáng)引力場時(shí)發(fā)生彎曲c引力場的存在使得空間不同位置的時(shí)間進(jìn)程出現(xiàn)差別d引力紅移現(xiàn)象驗(yàn)證了廣義相對(duì)論的正確性解析：選項(xiàng)剖析結(jié)論a根據(jù)等效原理，均勻引力場與勻加速運(yùn)動(dòng)的參考系等價(jià)b在引力場存在的情況下，光線沿彎曲的路徑傳播c時(shí)空不是平直的，在每一點(diǎn)上都是彎曲的，質(zhì)量越大，彎曲越大d光在引力場中傳播時(shí)，它的頻率或波長會(huì)發(fā)生變化答案：abcd【例7】以下說法中，錯(cuò)誤的是()a矮星表面的引力很強(qiáng)b時(shí)鐘在引力場弱的地方比引力場強(qiáng)的地方走得快些c在引力場越弱的地方，物體長度越長d在引力場強(qiáng)的地方，光譜線向綠端偏移解析：因矮星體積很小，質(zhì)量卻不小，所以矮星表面引力很強(qiáng)，a正確；根據(jù)廣義相對(duì)論的結(jié)論可知，引力場越強(qiáng)，時(shí)間進(jìn)程越慢，b正確、c錯(cuò)誤；在引力場強(qiáng)的地方光譜線向紅端偏移稱為引力紅移，d錯(cuò)。答案：cd當(dāng)堂檢測1下列問題需要用相對(duì)論來進(jìn)行解釋的是（）a“嫦娥”一號(hào)的運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算b噴氣式飛機(jī)的空中運(yùn)行c人造太陽的反應(yīng)過程d紅矮星的演變過程2若一宇宙飛船對(duì)地以速度v運(yùn)動(dòng)，宇航員在飛船內(nèi)沿同方向測得光速為c，問在地上觀察者看來，光速應(yīng)為vc嗎？3一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體的總能量為e，e中是否考慮了物體的動(dòng)能？4人造衛(wèi)星以第一宇宙速度（約8 km/s）運(yùn)動(dòng)，問它的質(zhì)量和靜質(zhì)量的比是多少？答案：課堂合作探究【問題導(dǎo)學(xué)】活動(dòng)與探究1：1答案：u0.88c，u和v更大些，只要u和v不超過光速，可以證明u會(huì)更大一些，但不會(huì)超過光速。2答案：通過相對(duì)論速度公式u知，當(dāng)uc時(shí)，uc，與v大小無關(guān)。3答案：相對(duì)論速度表達(dá)式與狹義相對(duì)論基本假設(shè)之一：光對(duì)任何參考系速度都是一樣的。遷移與應(yīng)用1：答案：0.866c解析：將m2m0代入質(zhì)量公式m得，2m0，vc0.866c?；顒?dòng)與探究2：1答案：萬有引力理論無法納入狹義相對(duì)論的框架和狹義相對(duì)論是慣性參考系之間的理論。2答案：廣義相對(duì)性原理關(guān)鍵一點(diǎn)是適用于任何參考系。3答案：我們可以從引力場和勻加速參考系產(chǎn)生的效果上來考慮等效原理，引力場的作用是使物體加速向下運(yùn)動(dòng)，如果參考系是加速向上運(yùn)動(dòng)的，我們將會(huì)觀察到靜止的物體也“向下”運(yùn)動(dòng)，它們兩者產(chǎn)生的效果是一樣的，所以稱為等效原理。4答案：物質(zhì)的引力使光線彎曲：1915年5月29日的一次日全食，兩支英國考察隊(duì)分別赴幾內(nèi)亞灣和巴西觀測，其結(jié)果證實(shí)了引力使光線彎曲的結(jié)論。這是廣義相對(duì)論最早的證實(shí)。強(qiáng)引力場附近的時(shí)間進(jìn)程會(huì)變慢：引力紅移現(xiàn)象已經(jīng)證明了此結(jié)論。引力紅移已經(jīng)在天文觀察中得到證實(shí)，宇宙中有一類恒星，體積小、密度大，叫做矮星，它們形成的引力場特別強(qiáng)，經(jīng)觀測，那里的原子發(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。這就證明引力紅移的存在，也證明了強(qiáng)引力場附近的時(shí)間進(jìn)程會(huì)變慢。遷移與應(yīng)用2：acd解析：從廣義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)可以得出：物質(zhì)的引力使光線彎曲；引力場的存在使得空間不同位置的時(shí)間進(jìn)程出現(xiàn)差別，如在矮星表面的引力很強(qiáng)，那里的時(shí)間進(jìn)程變慢，從而導(dǎo)致引力紅移，所以正確的選項(xiàng)為a、c、d?！井?dāng)堂檢測】1cd解析：c選項(xiàng)中的過程屬于微觀的情況，d選項(xiàng)中的過程屬于高速的情況。2答案：地面的觀察者看來，光速是c不是vc。解析：由相對(duì)論速度變換公式u，式中u