第5章 第3節(jié) 質(zhì)能方程與相對(duì)論速度合成定理 第4節(jié) 廣義相對(duì)論 第5節(jié) 宇宙學(xué)簡(jiǎn)介

1、.第三節(jié)質(zhì)能方程與相對(duì)論速度合成定理第四節(jié)廣義相對(duì)論第五節(jié)宇宙學(xué)簡(jiǎn)介13分通常我們把地球和相對(duì)地面靜止或勻速運(yùn)動(dòng)的物體參考系看成是慣性系，假設(shè)以以下系統(tǒng)為參考系，那么屬于非慣性系的有A停在地面上的汽車(chē)B繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的飛船C在大海上勻速直線航行的輪船D以較高速度勻速運(yùn)動(dòng)的磁懸浮列車(chē)【解析】由慣性系概念知B屬于非慣性系，B項(xiàng)正確【答案】B23分以下說(shuō)法中正確的選項(xiàng)是A經(jīng)典物理中的速度合成公式在任何情況下都是適用的B經(jīng)典物理規(guī)律也適用于高速運(yùn)動(dòng)的物體C力學(xué)規(guī)律在一個(gè)靜止的參考系和一個(gè)勻速運(yùn)動(dòng)的參考系中是不等價(jià)的D力學(xué)規(guī)律在任何慣性系里都是等價(jià)的【解析】經(jīng)典力學(xué)適用于低速宏觀物體B錯(cuò)；經(jīng)典物理

2、中速度合成公式 適用于慣性系A(chǔ)錯(cuò)；力學(xué)規(guī)律在慣性系中都成立，C錯(cuò)【答案】D34分關(guān)于狹義相對(duì)論的說(shuō)法，不正確的選項(xiàng)是A狹義相對(duì)論認(rèn)為在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是一樣的B狹義相對(duì)論認(rèn)為在一切慣性系中，光在真空中的速度都等于c，與光源的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)C狹義相對(duì)論只涉及無(wú)加速運(yùn)動(dòng)的慣性系D狹義相對(duì)論任何情況下都適用【解析】狹義相對(duì)論只適用于慣性系，D錯(cuò)【答案】D課 標(biāo) 導(dǎo) 思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.理解廣義相對(duì)論的根本原理.3.初步理解廣義相對(duì)論的幾個(gè)主要觀點(diǎn)以及主要觀測(cè)證據(jù).4.理解宇宙的演化及宇宙學(xué)的新進(jìn)展. 學(xué)生P65一、狹義相對(duì)論的其他結(jié)論1相對(duì)論質(zhì)量物體以

3、速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量m與靜止時(shí)的質(zhì)量m0之間的關(guān)系是：m，因?yàn)榭傆衯<c.可知運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量m總要大于它靜止時(shí)的質(zhì)量m0.2質(zhì)能方程關(guān)系式：Emc2，式中m是物體的質(zhì)量，E是它具有的能量3相對(duì)論速度變換公式1公式：設(shè)高速行駛的火車(chē)的速度為v，車(chē)上的人相對(duì)火車(chē)以速度u運(yùn)動(dòng)，那么人相對(duì)地面的速度為u.2結(jié)論：光速c是宇宙速度的極限，且相對(duì)任何參考系，光速都是不變的二、廣義相對(duì)論簡(jiǎn)介1狹義相對(duì)論無(wú)法解決的問(wèn)題1萬(wàn)有引力理論無(wú)法納入狹義相對(duì)論框架2慣性參考系在狹義相對(duì)論中具有特殊的地位2廣義相對(duì)論的根本原理1廣義相對(duì)性原理：在任何參考系中物理規(guī)律都是一樣的2等效原理：一個(gè)均勻的引力場(chǎng)與一個(gè)做勻加速

4、運(yùn)動(dòng)的參考系等價(jià)3廣義相對(duì)論的幾個(gè)結(jié)論1光線在引力場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)2引力場(chǎng)的存在使得空間不同位置的時(shí)間進(jìn)程出現(xiàn)偏向引力紅移3水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)，行星的軌道并不是嚴(yán)格閉合的，它們的近日點(diǎn)或遠(yuǎn)日點(diǎn)有進(jìn)動(dòng)三、宇宙學(xué)簡(jiǎn)介1人類(lèi)對(duì)宇宙演化的認(rèn)識(shí)1愛(ài)因斯坦的有限無(wú)界宇宙模型；由彎曲空間構(gòu)成，沒(méi)有邊界、沒(méi)有中心，宇宙中有物質(zhì)，但在整體上是無(wú)運(yùn)動(dòng)的，所以這是一個(gè)有限的、靜態(tài)的宇宙2動(dòng)態(tài)宇宙模型：英國(guó)科學(xué)家家丁頓和蘇聯(lián)科學(xué)家費(fèi)里德曼提出了動(dòng)態(tài)的宇宙模型，認(rèn)為宇宙中的物質(zhì)分布是均勻的，從各個(gè)方向看都是一樣的，并隨時(shí)間的變化，宇宙在不斷地膨脹320世紀(jì)40年代，美籍蘇聯(lián)科學(xué)家伽莫夫開(kāi)展了勒海特的理論，提出了宇宙大爆炸學(xué)說(shuō)，使

5、人們對(duì)宇宙創(chuàng)生和演化的過(guò)程有了新的認(rèn)識(shí)2宇宙學(xué)的新進(jìn)展20世紀(jì)后半期，科學(xué)家在宇宙探究中開(kāi)展了許多新奇的現(xiàn)象；超新星的爆發(fā)、驚人的中子星、令人困惑的類(lèi)星體、可怕的“黑洞、有趣的“百洞和“蟲(chóng)洞、準(zhǔn)確的脈沖星、神秘的時(shí)空隧道、不可捉摸的反物質(zhì)、大量存在的暗物質(zhì)等等 學(xué)生P65一、對(duì)相對(duì)論速度變換公式的理解1公式中的v和u假如滿足：vc，uc，可忽略不計(jì)，這時(shí)相對(duì)論的速度合成公式可近似的變?yōu)閡uv.與經(jīng)典物理學(xué)的速度合成公式一樣2假如u與v的方向不在一條直線上互相垂直或成其他角度時(shí)，情況比較復(fù)雜，上式不適用二、對(duì)質(zhì)速關(guān)系式m的理解1式中m0是物體靜止時(shí)的質(zhì)量也稱(chēng)為靜質(zhì)量，m是物體以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量

6、這個(gè)關(guān)系式說(shuō)明：物體的質(zhì)量會(huì)隨物體的速度的增大而增大2vc時(shí)，20，此時(shí)有mm0，也就是說(shuō)：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(wú)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)量例如：盤(pán)旋加速器中被加速的粒子的質(zhì)量會(huì)隨粒子的加速明顯增加導(dǎo)致粒子圓周運(yùn)動(dòng)的周期變大它的運(yùn)動(dòng)與加在D形盒上的交變電壓不再同步盤(pán)旋加速器加速粒子的最大能量因此受到了限制三、對(duì)質(zhì)能方程的理解質(zhì)能方程表達(dá)了物體的質(zhì)量和它所具有的能量的關(guān)系：一定的質(zhì)量總與一定的能量相對(duì)應(yīng)，詳細(xì)從以下幾個(gè)方面理解：1靜止物體的能量為E0m0c2，這種能量叫做物體的靜質(zhì)能每個(gè)有靜質(zhì)量的物體都具有靜質(zhì)能2對(duì)于一個(gè)以速率v運(yùn)動(dòng)的物體，其

7、動(dòng)能Ekm0c2.3物體的總能量E為動(dòng)能與靜質(zhì)能之和，即EEkE0mc2m為動(dòng)質(zhì)量4由質(zhì)能關(guān)系式可知Emc2.四、廣義相對(duì)論的根本原理1廣義相對(duì)論的根本原理1廣義相對(duì)性原理：愛(ài)因斯坦把狹義相對(duì)性原理從勻速和靜止參考系推廣到做加速運(yùn)動(dòng)的參考系，認(rèn)為所有的參考系都是平權(quán)的，不管它們是慣性系還是非慣性系，對(duì)于描繪物理現(xiàn)象來(lái)說(shuō)都是平等的2等效原理：在物理學(xué)上，一個(gè)均勻的引力場(chǎng)等效于一個(gè)做勻加速運(yùn)動(dòng)的參考系2廣義相對(duì)論的幾個(gè)結(jié)論1光線在引力場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)根據(jù)廣義相對(duì)論，物質(zhì)的引力會(huì)使光線彎曲，引力場(chǎng)越強(qiáng)，彎曲越厲害通常物體的引力場(chǎng)都太弱，但太陽(yáng)引力場(chǎng)卻能引起光線比較明顯的彎曲2引力紅移：按照廣義相對(duì)論，引力場(chǎng)

8、的存在使得空間不同位置的時(shí)間進(jìn)程出現(xiàn)差異例如，在強(qiáng)引力的星球附近，時(shí)間進(jìn)程會(huì)變慢，因此光振動(dòng)會(huì)變慢，相應(yīng)的光的波長(zhǎng)變長(zhǎng)、頻率變小，光譜線會(huì)發(fā)生向紅光一端挪動(dòng)的現(xiàn)象光譜線的這種挪動(dòng)是在引力作用下發(fā)生的，所以叫“引力紅移3水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)；天文觀測(cè)顯示，行星的軌道并不是嚴(yán)格閉合的，它們的近日點(diǎn)或遠(yuǎn)日點(diǎn)有進(jìn)動(dòng)行星繞太陽(yáng)一周后，橢圓軌道的長(zhǎng)軸也隨之有一點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，叫做“進(jìn)動(dòng)，這個(gè)效應(yīng)以離太陽(yáng)最近的水星最為顯著廣義相對(duì)論所作出的以上預(yù)言全部被實(shí)驗(yàn)觀測(cè)所證實(shí)還有其他一些事實(shí)也支持廣義相對(duì)論目前，廣義相對(duì)論已經(jīng)在宇宙構(gòu)造、宇宙演化等方面發(fā)揮著主要作用4桿的長(zhǎng)度與引力場(chǎng)有關(guān)空間不是均勻的，引力越大的地方，長(zhǎng)度越小

9、一、動(dòng)態(tài)質(zhì)量問(wèn)題星際火箭以0.8c的速率飛行，其運(yùn)動(dòng)質(zhì)量為靜止質(zhì)量的多少倍？【導(dǎo)析】應(yīng)用m解題【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mm0，即其運(yùn)動(dòng)質(zhì)量為靜止質(zhì)量的倍【答案】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的變化一定要考慮. 1人造衛(wèi)星以第一宇宙速度約8 km/s運(yùn)動(dòng)，問(wèn)它的質(zhì)量和靜質(zhì)量的比是多少？【解析】c3×108 m/s，7.1×1010.由m，得1.000 000 000 35.【答案】1.000 000 000 35二、質(zhì)能方程的應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室觀測(cè)，兩個(gè)電子的總動(dòng)能是多少？以一個(gè)電子為參考系，兩個(gè)電子的總動(dòng)能又是多少？計(jì)算時(shí)由電子運(yùn)動(dòng)時(shí)的

10、能量減去靜止時(shí)的能量就得到電子的動(dòng)能【導(dǎo)析】應(yīng)用質(zhì)能方程分析求解【解析】在實(shí)驗(yàn)室觀測(cè)，兩個(gè)電子的總動(dòng)能為Ek12mc2mec22×mec21.33mec2.相對(duì)于乙電子，甲電子的質(zhì)量是m4.56me.因此，以乙電子為參考系，甲電子的動(dòng)能為Ek2mc2mec24.56mec2mec23.56mec2.即為兩電子的總動(dòng)能【答案】1.33 mec23.56mec22一個(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？【解析】總能量EE0Ek，E0為靜質(zhì)能，實(shí)際上包括分子的動(dòng)能和勢(shì)能、化學(xué)能、電磁能、結(jié)合能E0m0c2.Ek為動(dòng)能，Ekm0c2 1，EE0Ekmc2.【答案】總能量E中已經(jīng)計(jì)

11、入了物體的動(dòng)能三、相對(duì)論的速度變換公式的應(yīng)用地球上一觀察者，看見(jiàn)一飛船A以速度2.5×108 m/s從他身邊飛過(guò)，另一飛船B以速度2.0×108 m/s跟隨A飛行求：1A上的乘客看到B的相對(duì)速度；2B上的乘客看到A的相對(duì)速度【導(dǎo)析】運(yùn)用相對(duì)論速度合成公式u可解【解析】1設(shè)A為靜止參考系，地面為運(yùn)動(dòng)參考系，A、B速度方向?yàn)檎较?，那么v2.5×108 m/s，B相對(duì)于地面速度為u2.0×108 m/s，B對(duì)A的相對(duì)速度uB為：uB m/s1.125×108 m/s負(fù)號(hào)表示uB與正方向相反，即A上的乘客看到B船向遠(yuǎn)離A的方向飛去2同理可算得B上的乘

12、客看到A的相對(duì)速度uA1.125×108 m/s，表示uA的方向與正方向一樣【答案】11.125×108 m/s21.125×108 m/s靜止參考系和運(yùn)動(dòng)參考系的合理選取是順利應(yīng)用速度變換公式的關(guān)鍵；對(duì)于微觀、高速運(yùn)動(dòng)的物體，其速度的疊加不再遵循宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而是遵守相對(duì)論速度變換公式. 1當(dāng)物體的速度v0.6cc為光速時(shí)，質(zhì)量增大到原來(lái)的_倍【解析】根據(jù)質(zhì)量與速度的關(guān)系，將v0.6c代入公式得：m1.25 m0.【答案】1.252矮星外表原子發(fā)光的波長(zhǎng)與同種原子在地球上發(fā)光的波長(zhǎng)相比，以下說(shuō)法正確的選項(xiàng)是A矮星外表的原子發(fā)光波長(zhǎng)較長(zhǎng)B地球外表的原子發(fā)光波長(zhǎng)較長(zhǎng)

13、C一樣長(zhǎng)D無(wú)法確定【解析】矮星體積很小，質(zhì)量卻很大，其外表引力場(chǎng)很強(qiáng)，引力勢(shì)比地球外表大得多，其外表的時(shí)間進(jìn)程比較慢，矮星上的發(fā)光頻率比地球上同種原子的發(fā)光頻率要低，由狹義相對(duì)論的光速不變?cè)砜芍?，二者發(fā)光的速度相等又由可得矮星上的原子發(fā)光波長(zhǎng)較長(zhǎng)，這也就是矮星上發(fā)生“光譜線紅移現(xiàn)象的原因，故正確答案為A.【答案】A3以下說(shuō)法中，錯(cuò)誤的選項(xiàng)是A矮星外表的引力很強(qiáng)B在引力場(chǎng)弱的地方，時(shí)鐘走得快些C在引力場(chǎng)越弱的地方，時(shí)間進(jìn)程越慢D在引力場(chǎng)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，所以矮星外表引力很強(qiáng)，A正確；根據(jù)廣義相對(duì)論的結(jié)論，引力場(chǎng)越強(qiáng)，時(shí)間進(jìn)程越慢，B正確；C錯(cuò)誤在引力場(chǎng)強(qiáng)的地方，光譜線向紅端偏移