人教版選修34狹義相對論的其他結(jié)論　廣義相對論簡介 第1課時 教案.docx

15.3狹義相對論的其他結(jié)論15.4 廣義相對論簡介教學(xué)目標(biāo)一、知識與技能：（1）運動速度的相對論變換（2）相對論質(zhì)量（3）質(zhì)能方程二、過程與方法：讓學(xué)生體會到自洽性檢驗是科學(xué)理論研究的一個基本方法。三、情感態(tài)度和價值觀：體會物理學(xué)中蘊含的簡單與和諧之美（質(zhì)能方程）教學(xué)重點、難點重點：三個公式 難點：運動速度的相對性變換教學(xué)過程一、相對論的速度變換公式通過狹義相對論兩個原理的學(xué)習(xí)，知道光對任何物體的運動速度都一樣，物體運動的極限速度都不可能越過真空中的光速。在宏觀低速運動條件下，伽利略的速度疊加原理簡單有效。但對高速運動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，必須要考慮相對論效應(yīng)。 車對地的速度為v，人對車的速度為u/ 地面上的人看到車上人相對地面的速度為u 如果車上人運動方向與火車運動方向相同，u取正值如果車上人運動方向與火車運動方向相反，u取負(fù)值 學(xué)生通過計算和推導(dǎo)知道相對論的自洽性注意：相對論速度變換公式，是根據(jù)相對論理論中的洛倫茲變換推出的結(jié)論，只適用于同一直線運動物體速度的疊加。對于更復(fù)雜的速度的疊加， 此公式不適用。二、相對論質(zhì)量。 物體的運動速度不能無限增加，那么物體的質(zhì)量是否隨著速度而變化？ 嚴(yán)格的論證表明，物體高速（與光速相比）運動時的質(zhì)量與它靜止時的質(zhì)量之間有下面的關(guān)系： m運動質(zhì)量 m0靜止質(zhì)量微觀粒子的速度很高，它的質(zhì)量明顯的大于靜止質(zhì)量在研究制造回旋加速器時必須考慮相對論效應(yīng)的影響 介紹：1988年，中國第一座高能粒子加速器北京正負(fù)電子對撞機首次對撞成功三、質(zhì)能方程 引入：物體的能量和質(zhì)量之間存在密切的聯(lián)系 讓學(xué)生知道根據(jù)狹義相對論原理及洛倫茲變換，經(jīng)過高等數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可得到相對論動力學(xué)的一個著名結(jié)論：質(zhì)能方程 質(zhì)能方程表達(dá)了物體的質(zhì)量和它所具有的能量之間的關(guān)系.ek是物體的動能，e是物體運動時的能量 e0是物體靜止時的能量在v c時 這就是我們過去熟悉的動能表達(dá)式，這也能讓我們看出，牛頓力學(xué)是相對論力學(xué)在低速情況下的特例154 廣義相對論簡介一、超越狹義相對論的思考 愛因斯坦思考狹義相對論無法解決的兩個問題：1、引力問題，萬有引力定律不滿足洛倫茲變換，無法納人狹義相對論的理論框架；2、非慣性系問題，狹義相對論只適用于慣性系。它們是促成廣義相對論的前提。二、廣義相對性原理和等效原理 引導(dǎo)學(xué)生在前述背景介紹下，思考怎樣來解決這兩個問題。愛因斯坦考慮要解決第二個問題，必須去掉慣性系在相對論理論中的特殊地位，把相對性原理從“任何慣性系平權(quán)”推廣到“包括非慣性系在內(nèi)的任意參考系(即包括慣性系和非慣性系)平權(quán)”。三、廣義相對論幾個結(jié)論以及相關(guān)實驗驗證從廣義相對論兩個基本原理出發(fā)，愛因斯坦預(yù)見性地提出了驗證這一理論的幾個著名實驗。光線經(jīng)過強引力場中發(fā)生彎曲介紹物質(zhì)的引力使時空彎曲，彎曲的時空又使光線彎曲的事實。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。從而確認(rèn)廣義相對論的結(jié)論是正確的。這是廣義相對論創(chuàng)立以來最早得到科學(xué)界認(rèn)同的最重大的成果。到目前為止科學(xué)家對400多顆恒星作了測量，射電天文學(xué)的發(fā)展使人類不用等日全食發(fā)生也能在地球上進(jìn)行精度很高的觀測，且與理論值符合。引力紅移 了解引力導(dǎo)致時空彎曲，按照相對性原理，空間效應(yīng)與時間效應(yīng)是互相影響的，在發(fā)生空間彎曲效應(yīng)的同時，時間膨脹效應(yīng)也發(fā)生了。換句話說，我們觀察到引力場空間彎曲的同時也將觀測到引力場時鐘變慢。水星軌道近日點的進(jìn)動 補充介紹牛頓的經(jīng)典力學(xué)理論在描述行星運動時，其理論值與實際觀測結(jié)果存在微小差異。由于場能空間分布的不均勻性，當(dāng)水星運動到靠近太陽附近(近日點)時，場能影響較為顯 著，這種影響使得水星運行的橢圓軌道非常緩慢地繞太陽旋轉(zhuǎn)，這就是“水星近日點進(jìn)動”現(xiàn)象。愛因斯坦用廣義相對論計算近日點的進(jìn)動速率與實際觀測結(jié)果取得了很好的一致。行星軌道旋轉(zhuǎn)之謎的成功破譯，是廣義相對論再一次取得的偉大勝利。四、關(guān)于的宇宙大爆炸理論簡單介紹宇宙大爆炸理論，說明按照廣義相對論，宇宙就是無所不包的最大的時空，而且它的彎曲情況和物質(zhì)的分布應(yīng)該符合愛因斯坦方程。四、課堂練習(xí)：1經(jīng)過證明，物體運動的質(zhì)量m與靜止時的質(zhì)量m0_（填“相同”或“不相同”），兩個質(zhì)量滿足的關(guān)系為_。從上式可以看出，當(dāng)物體的速度很大時（接近光速），物體的質(zhì)量明顯_靜止時的質(zhì)量。2按照相對論和基本力學(xué)規(guī)律可以推導(dǎo)出物體質(zhì)量與能量之間的關(guān)系為_，這就是著名的_。該式表示，隨著一個物體質(zhì)量的減小（也叫_），會_一定的能量，與此同時，另一個物體吸收了能量，質(zhì)量會_。3廣義相對論認(rèn)為，在任何參考系中，物理規(guī)律都是_。4等效原理的基本內(nèi)容是一個均勻的_場與一個做_運動的參考系是等價的。5廣義相對論告訴我們，_的存在使得空間不同位置的_出現(xiàn)差別，物質(zhì)的_使光線彎曲。6如果宇航員駕駛一艘宇宙飛船，以接近光速的速度朝某一星球飛行，他是否可以根據(jù)下列變化感覺到自己在運動 ( )a身體質(zhì)量在減小b心臟跳動變慢c身體質(zhì)量在增加d永遠(yuǎn)不可能由自身的變化知道他是否在運動7下列屬于廣義相對論結(jié)論的是 ( )a尺縮效應(yīng)b時間變慢c光線在引力場中彎曲d物體運動時的質(zhì)量比靜止時大大8下列屬于狹義相對論結(jié)論的是 ( )a尺縮效應(yīng)b時間變慢c光線在引力場中彎曲d水星近日點的進(jìn)動9星際火箭以0.8c的速率飛行，其運動質(zhì)量為靜止質(zhì)量的多少倍？10冥王星繞太陽公轉(zhuǎn)的線速率為4.83103 m/s，求其靜止質(zhì)量為運動質(zhì)量的百分之幾？11北京正負(fù)電子對撞機中電子的動能為2800mev，求此電子的速率比光速小多少？12一立方體物體靜止時的體積為v，質(zhì)量為m，當(dāng)該物體沿一條棱以速度v運動時，它的體積變?yōu)槎嗌伲?3有兩火箭a、b沿同一直線相向運動，測得二者相對于地球的速度大小分別為0.9c和0.8c，求在a上測b相對于a的運動速度。答案：1、不相同，大于 2、emc2，質(zhì)能方程，質(zhì)量虧損，釋放，增加 3、相同的 4、引力，勻加速 5、引力場，時間進(jìn)程，引力 6、d 7、c 8、ab 9、倍 10、99.9% 11、5m/s 12、 13、0.988c作業(yè)：1.(相對論速度變換公式)在高速運動的火車上，設(shè)車對地面的速度為v，車上的人以速度u沿著火車前進(jìn)的方向相對火車運動，那么他相對地面的速度u與uv的關(guān)系是()auuvbuuv d以上均不正確答案b解析由相對論速度變換公式可知b正確2(相對論質(zhì)量)關(guān)于物體的質(zhì)量，下列說法正確的是()a在牛頓力學(xué)中，物體的質(zhì)量是保持不變的b在牛頓力學(xué)中，物體的質(zhì)量隨物體的速度變化而變化c在相對論力學(xué)中，物體靜止時的質(zhì)量最小d在相對論力學(xué)中，物體的質(zhì)量隨物體速度的增大而增大答案acd解析在牛頓力學(xué)中，物體的質(zhì)量是保持不變的，故選項a正確，b錯誤；在相對論力學(xué)中，由于物體的速度v不可能達(dá)到光速c，所以vc,1()21，根據(jù)m，可知選項c、d均正確3(廣義相對論的幾個結(jié)論)在引力可以忽略的空間有一艘宇宙飛船在做勻加速直線運動，一束光垂直于飛船的運動方向在飛船內(nèi)傳播，下列說法中正確的是()a船外靜止的觀察者看到這束光是沿直線傳播的b船外靜止的觀察者看到這束光是沿曲線傳播的c宇航員以飛船為參考系看到這束光是沿直線傳播的d宇航員以飛船為參考系看到這束光是沿曲線傳播的答案ad4(對質(zhì)能方程的理解)已知電子的靜止能量為0.511 mev，若電子的動能為0.25 mev，則它所增加的質(zhì)量m與靜止質(zhì)量m0的比值近似為()a0.1 b0.2c0.5 d0.9答案c解析設(shè)電子運動時的速度為v由題意知e0m0c20.511 mev電子運動時的能量ee0ek0.761 mev又因為emc2由可知所以0.5，故選項c正確5設(shè)想有一艘飛船以v0.8c的速度在地球上空飛行，如果這時從飛船上沿其運動方向拋出一物體，該物體相對于飛船的速度為0.9c，在地面上的人看來，物體的速度為()a1.7c b0.1cc0.99c d無法確定答案c解析根據(jù)相對論速度變換公式：u，得u0.99c.6火箭以c的速度飛離地球，從火箭上向地球發(fā)射一束高能粒子，粒子相對地球的速度為c，其運動方向與火箭的運動方向相反則粒子相對火箭的速度大小為()a.c b.c.c d.答案c解析由相對論的速度變換公式u，可得c，解得uc，負(fù)號說明與v方向相反7愛因斯坦提出了質(zhì)能方程，揭示了質(zhì)量與能量的關(guān)系關(guān)于質(zhì)能方程，下列說法正確的是()a質(zhì)量和能量可以相互轉(zhuǎn)化b當(dāng)物體向外釋放能量時，其質(zhì)量必定減小，且減小的質(zhì)量m與釋放的能量e滿足emc2c如果物體的能量增加了e，那么它的質(zhì)量相應(yīng)減小m，并且emc2dmc2是物體能夠放出能量的總和答案b解析愛因斯坦的質(zhì)能方程說明物質(zhì)的質(zhì)量和能量之間有著emc2這種對應(yīng)關(guān)系，故b正確8已知太陽內(nèi)部進(jìn)行著激烈的熱核反應(yīng)，每秒鐘輻射的能量為41026 j，則可算出()a太陽的質(zhì)量約為4.4106 tb太陽的質(zhì)量約為8.8106 tc太陽的質(zhì)量每秒減少約4.4106 td太陽的質(zhì)量每秒減少約8.8106 t答案c解析由質(zhì)能方程emc2得：m kg4.4109 kg4.4106 t，故只有c項正確9.日全食的時候，通過儀器可以觀察到太陽后面的恒星，這說明恒星發(fā)出的光()a經(jīng)太陽時發(fā)生了衍射b可以穿透太陽及其他障礙物c在太陽引力場作用下發(fā)生了彎曲d經(jīng)過太陽外的大氣層時發(fā)生了折射解析根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論可知，光線在太陽引力場作用下發(fā)生了彎曲，所以可以在適當(dāng)?shù)臅r候(如日全食時)通過儀器觀察到太陽后面的恒星，故c正確答案c10關(guān)于狹義相對論、廣義相對論的認(rèn)識，下列說法正確的是()a萬有引力可以用狹義相對論做出正確的解釋b電磁力可以用狹義相對論做出正確的解釋c狹義相對論是慣性參考系之間的理論d萬有引力理論無法納入狹義相對論的框架e由emc2知質(zhì)量和能量可以相互轉(zhuǎn)化答案bcd11下列說法中正確的是()a物質(zhì)的引力能使光線彎曲b光線彎曲的原因是介質(zhì)不均勻而非引力作用c在強引力的星球附近，時間進(jìn)程會變慢d廣義相對論可以解釋引力紅移現(xiàn)象答案acd解析根據(jù)廣義相對論的結(jié)論可知，選項a、c、d正確，b錯誤12下列說法中正確的是()a由于太陽引力場的影響，我們有可能看到太陽后面的恒星b強引力作用可使光譜線向紅端偏移c引力場越強的位置，時間進(jìn)程越快d由于物質(zhì)的存在，實際的空間是彎曲的答案abd解析由廣義相對論我們可知：物質(zhì)的引力使光線彎曲，因此選項a、d正確在引力場中時間進(jìn)程變慢，而且引力越強，時間進(jìn)程越慢，因此我們能觀察到引力紅移現(xiàn)象，所以選項b正確，c錯誤13以下說法中正確的是()a白矮星表面的引力很強b在引力場弱的地方時鐘走得比引力場強的地方快些c引力場越弱的地方，物體的長度越短d在引力場強的地方，光譜線向綠端偏移答案ab一列火車正以v50 m/s的速度高速行駛，列車內(nèi)一乘客以相對列車u5 m/s的速度向前跑，站臺上的觀察者測得該乘客的速度是uvu55 m/s.若列車的速度是0.9c，乘客的速度是0.5c，那么站臺上的觀察者測得該乘客的速度是0.9c0.5c1.4c嗎？答案不是光速c是極限速度14.下列關(guān)于愛因斯坦質(zhì)能方程的說法中，正確的是()a只有運動的物體才具有質(zhì)能，靜止的物體沒有質(zhì)能b一定的質(zhì)量總是和一定的能量相對應(yīng)cemc2中能量e其實就是物體的內(nèi)能d由emc2知質(zhì)量與能量可以相互轉(zhuǎn)化解析emc2表明質(zhì)量與能量之間存在一一對應(yīng)的關(guān)系，物體吸收或放出能量，則對應(yīng)的質(zhì)量會增加或減少，質(zhì)量與能量并沒有相互轉(zhuǎn)化故選項b正確，d錯誤靜止的物體也具有能量，稱為靜質(zhì)能，e0m0c2，m0叫做靜質(zhì)量；emc2