高中物理-第15章《相對論簡介》課件-新人教版選修3-4

高中物理-第15章《相對論簡介》課件-新人教版選修3-4第一頁，共63頁。第十五章

《相對論簡介》第一頁第二頁，共63頁。15.1《相對論誕生》第二頁第三頁，共63頁。教學(xué)目標(biāo)

知識與技能：（1）了解相對論誕生的歷史背景，知道麥克耳孫一莫雷實驗（2）了解經(jīng)典的相對性原理（3）知道相對性原理與電磁規(guī)律之間的矛盾（4）知道狹義相對論的兩個基本假設(shè)過程與方法：

（1）了解對經(jīng)典物理學(xué)內(nèi)部矛盾的探索過程（2）理解愛因斯坦建立相對論的科學(xué)探究思想和邏輯推理方法情感態(tài)度價值觀：（1）明確物理理論的發(fā)展的基礎(chǔ)——實驗教學(xué)重點、難點：狹義相對論的兩點假設(shè)教學(xué)方法：閱讀小結(jié)第三頁第四頁，共63頁。世界物理年徽標(biāo)第四頁第五頁，共63頁。第五頁第六頁，共63頁。（1）了解經(jīng)典的相對性原理①運動的相對性中國古代研究：《尚書緯．考靈曜》“地恒動而人不知，譬如閉舟而行不覺舟之運也?！?/p>

②伽里略相對性原理《關(guān)于兩種世界體系的對話》：“理想船實驗”伽里略速度變換公式：③牛頓力學(xué)的不變性：第六頁第七頁，共63頁。伽利略相對性原理

1632年，伽利略發(fā)表了《關(guān)于兩種世界體系的對話》一書，其中對船艙里觀察到的現(xiàn)象有一段生動的描述：“……船停著不動時，你留神觀察，小蟲都以等速向各方向飛行，魚向各個方向隨意游動，水滴滴進(jìn)下面的罐中；你把任何東西扔給你的朋友時，只要距離相等，向這一方向不必比向另一方向用更多的力，你雙腳齊跳，無論向哪個方向跳過的距離都相同。當(dāng)你仔細(xì)觀察這些事情之后，再使船以任何速度前進(jìn)，只要運動是勻速的，也不忽左忽右地擺動，你將發(fā)現(xiàn)，所有上述現(xiàn)象絲毫沒有變化。你也無法從其中任何一個現(xiàn)象來確定，船是在運動還是停著不動……”第七頁第八頁，共63頁。伽利略這段描述說明：在相對于地面做勻速直線運動的船艙里所進(jìn)行的力學(xué)實驗和觀測，其結(jié)果與地面上的力學(xué)實驗和觀測結(jié)果沒有差異。不能根據(jù)在船艙內(nèi)的力學(xué)實驗和觀測，來判斷船相對于地面是靜止還是運動。正如地球以30千米/秒的速度相對太陽而運動，我們卻絲毫沒有感覺地球在運動一樣，也不能根據(jù)地面上的力學(xué)實驗來直接判斷地球的公轉(zhuǎn)。這是因為地面上和船艙里的力學(xué)規(guī)律具有相同的形式。牛頓第二定律的形式F＝ma，在靜止的船上和做勻速直線運動的船上是相同的。牛頓運動定律是經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)，凡是牛頓運動定律成立的參照系，稱為慣性參照系，或簡稱慣性系。地面參照系是慣性系，相對地面做勻速直線運動的船也是慣性系。一般而言，相對慣性系做勻速直線運動的任何參照系，都是慣性系。第八頁第九頁，共63頁。牛頓運動定律成立的參考系，稱為慣性參考系，簡稱慣性系．牛頓運動定律不成立的參考系，稱為非慣性系．第九頁第十頁，共63頁。綜上所述，相對任何慣性系，力學(xué)規(guī)律都具有相同的形式。換言之，在描述力學(xué)的規(guī)律上，一切慣性系都是等價的。這一原理稱為伽利略相對性原理，或經(jīng)典力學(xué)的相對性原理。第十頁第十一頁，共63頁。（2）知道狹義相對論的兩個基本假設(shè)狹義相對論的兩個基本原理：①相對性原理一切物理定律，在不同的慣性系中是相同的②光速不變原理光在真空中的傳播速度在不同的慣性系中測得的數(shù)值都是相同的第十一頁第十二頁，共63頁。③邁克爾遜-莫雷實驗實驗原理圖實驗干涉條紋第十二頁第十三頁，共63頁。電磁理論與經(jīng)典的運動學(xué)理論的矛盾19世紀(jì)中葉，麥克斯韋在總結(jié)前人研究電磁現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，建立了完整的電磁理論，又稱麥克斯韋電磁場方程組。麥克斯韋電磁理論不但能夠解釋當(dāng)時已知的電磁現(xiàn)象，而且預(yù)言了電磁波的存在，確認(rèn)光是波長較短的電磁波，電磁波在真空中的傳播速度為一常數(shù)，c＝3.0×108米/秒，并很快為實驗所證實。從麥?zhǔn)戏匠探M中解出的光在真空中的傳播速度與光源的速度無關(guān)。如果光波也和聲波一樣，是靠一種媒質(zhì)(以太)傳播的，那么光速相對于絕對靜止的以太就應(yīng)該是不變的?？茖W(xué)家們?yōu)榱藢ふ乙蕴隽舜罅康膶嶒?，其中以美國物理學(xué)家邁克耳孫和莫雷實驗最為著名。這個實驗不但沒能證明以太的存在，相反卻宣判了以太的死刑，證明光速相對于地球是各向同性的。但是這卻與經(jīng)典的運動學(xué)理論相矛盾。第十三頁第十四頁，共63頁。愛因斯坦分析了物理學(xué)的發(fā)展，特別是電磁理論，于1905年提出了狹義相對論。狹義相對論的基本原理可表述于下：1.相對性原理

相對任何慣性系，包括電磁理論在內(nèi)的物理規(guī)律具有相同的形式。也就是說，沒有任何物理實驗?zāi)艽_定一個慣性系的運動狀態(tài)。2.光速不變原理

相對任何慣性系，真空中的光速都是一個常量，c＝3.0×108米/秒，與傳播的方向無關(guān)，與光源的速度也無關(guān)。第十四頁第十五頁，共63頁。15.2《時間和空間

的相對性》第十五頁第十六頁，共63頁。教學(xué)目標(biāo)

知識與技能：（1）同時的相對性；（2）運動長度的收縮；（3）時間間隔的相對；（4）了解時空相對性的驗證；（5）了解相對論時空觀與經(jīng)典物理時空觀的主要區(qū)別過程與方法：（1）理解同時相對性的推演過程男；（2）理解從“同時相對性”出發(fā)得出“運動長度和時間間隔的相對性”的過程情感態(tài)度和價值觀：（1）體會相對論嶄新的時空觀，體會相對論的建立對人類認(rèn)識世界的影響。（2）辯證地看待經(jīng)典物理理論教學(xué)重點、難點：從“同時”的相對性得出運動長度和時間間隔的相對性第十六頁第十七頁，共63頁。

在經(jīng)典物理家的頭腦中，如果兩個事件在一個參考系中看來是同時的，在另一個參考系中看來也一定是同時的，但是如果接受愛因斯坦的兩個假設(shè)，我們會得出“同時是相對的”這樣一個結(jié)論．同時是相對的第十七頁第十八頁，共63頁。一、“同時”的相對性

車廂上的人和地面上的人看到車廂中間燈光到達(dá)前后車廂的先后是不一樣的．

車上的觀察者認(rèn)為光同時到達(dá)車廂的前后兩壁

站臺上的觀察者認(rèn)為光先到車廂后壁后到前壁第十八頁第十九頁，共63頁。結(jié)論：1、對于運動的火車上同時發(fā)生的兩個事件，對于地面就不是同時的

關(guān)鍵：在各個參考系中光速都為c

2、地面上同時發(fā)生的兩個事件，對于運動的火車也不是同時的

關(guān)鍵：相對運動課本P108思考與討論第十九頁第二十頁，共63頁。二、長度的相對性

v車上的人看到的車廂的長度：車外的人看到的車廂的長度：第二十頁第二十一頁，共63頁。注意：長度縮短效應(yīng)只發(fā)生在相對運動的方向上如上例中的X軸方向上，在Y軸方向上無長度縮短效應(yīng)動尺變短（空間收縮效應(yīng)）S′O′X′Y′OSXY●第二十一頁第二十二頁，共63頁。

結(jié)論

一條沿自身長度方向運動的桿，其長度總比桿靜止時的長度小斐克小伙劍術(shù)精，出刺迅捷如流星，由于空間收縮性，長劍變成小鐵釘.第二十二頁第二十三頁，共63頁。三、時間間隔的相對性在站臺上看運動火車上的鐘在火車上看運動站臺上的鐘第二十三頁第二十四頁，共63頁。

高速運行的列車上，由車廂底部發(fā)出的閃光，對于車上的人來說，閃光是在豎直方向反射的，而車廂外的人認(rèn)為被接收的反射光是沿斜線傳播的．由光速不變原理便得到不同的時間間隔第二十四頁第二十五頁，共63頁。對于車廂內(nèi)的人：對于車廂外的人：h第二十五頁第二十六頁，共63頁。相對速度與動鐘延緩效應(yīng)

(τ=1s）V（米/秒）0.1c=3×1070.5c

0.8c0.9c0.99c0.999c0.9998cT(秒)1.011.151.672.297.122.450第二十六頁第二十七頁，共63頁。四、時空相對性的實驗驗證

根據(jù)相對論，時間在運動中會進(jìn)行的比較緩慢，也就是說，在空間中高速移動的時鐘，比固定于地面上的時鐘走得慢．

1971年，科學(xué)家將銫原子鐘放在噴氣式飛機中作環(huán)球飛行，然后與地面的基準(zhǔn)鐘對照．實驗結(jié)果與理論預(yù)言符合的很好．這是相對論的第一次宏觀驗證．第二十七頁第二十八頁，共63頁。第二十八頁第二十九頁，共63頁。

早在1941年，科學(xué)家通過對宇宙線的觀測證實了相對論的結(jié)論，美國科學(xué)家羅西和霍爾在不同高度統(tǒng)計了宇宙線中μ子的數(shù)量，結(jié)果與相對論預(yù)言完全一致．第二十九頁第三十頁，共63頁。

當(dāng)兩個參考系的相對速度可與光速相比時，時間與空間的相對性才比較明顯．

狹義相對論的結(jié)論已經(jīng)完全得到證實，實際上它已經(jīng)成為微觀粒子研究的基礎(chǔ)之一．第三十頁第三十一頁，共63頁。

牛頓物理學(xué)的絕對時空觀：物理學(xué)的空間與時間是絕對分離沒有聯(lián)系的，脫離物質(zhì)而單獨存在，與物質(zhì)的運動無關(guān)。而相對論認(rèn)為：有物質(zhì)才有時間和空間，空間和時間與物體的運動狀態(tài)有關(guān)。人類對于空間、時間更進(jìn)一步的認(rèn)識而形成的新的時空觀，是建立在新的實驗事實和相關(guān)結(jié)論與傳統(tǒng)觀念不一致的矛盾基礎(chǔ)上，不斷發(fā)展、不斷完善起來的。五、相對論的時空觀第三十一頁第三十二頁，共63頁。小結(jié)一、“同時”是相對的二、長度的相對性三、時間間隔的相對性第三十二頁第三十三頁，共63頁。15.3《狹義相對論的

其他結(jié)論》第三十三頁第三十四頁，共63頁。教學(xué)目標(biāo)

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。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第三十四頁第三十五頁，共63頁。一、相對論的速度變換公式地面上的人看到車上人相對地面的速度為：車對地的速度為v，人對車的速度為u/v第三十五頁第三十六頁，共63頁。如果車上人運動方向與火車運動方向相反，則u’取負(fù)值

課本P115思考與討論第三十六頁第三十七頁，共63頁。

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為運動質(zhì)量﹥

m0為靜止質(zhì)量二、相對論質(zhì)量第三十七頁第三十八頁，共63頁。

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．

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第三十八頁第三十九頁，共63頁。

物體的能量和質(zhì)量之間存在密切的聯(lián)系，他們的關(guān)系是：這就是著名的愛因斯坦質(zhì)能方程三、質(zhì)能方程第三十九頁第四十頁，共63頁。

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.物體的動能運動時的能量靜止時的能量在v＜＜c時的一種近似這就是動能表達(dá)式．第四十頁第四十一頁，共63頁。具體推導(dǎo)過程如下：第四十一頁第四十二頁，共63頁。

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．課本P116思考與討論第四十二頁第四十三頁，共63頁。15.4《廣義相對論簡介》第四十三頁第四十四頁，共63頁。教學(xué)目標(biāo)

知識與技能：（1）了解廣義相對論基本原理廣義相對性原理和等效原理（2）廣義相對論主要結(jié)論物質(zhì)的引力使光線彎曲和強引力場附近的時間進(jìn)程會變慢（3）介紹廣義相對論的實驗驗證過程與方法：（1）了解愛因斯坦思考和推演廣義相對論思維過程情感態(tài)度和價值觀：（1）體會在宇宙中人類的渺小和科學(xué)的巨大力量教學(xué)重點、難點：1、廣義相對性原理和等效原理2、廣義相對論的主要結(jié)論：引力使光線彎曲和強引力場附近的時間進(jìn)程會變慢第四十四頁第四十五頁，共63頁。復(fù)習(xí)一、狹義相對論的兩點假設(shè)：1、狹義相對性原理在不同的慣性參考系，一切物理規(guī)律都是相同的2、光速不變原理

真空中的光速在不同的慣性參考系中是相同的，光速與光源、觀察者間的相對運動沒有關(guān)系。第四十五頁第四十六頁，共63頁。二、由狹義相對論推出的幾個結(jié)論1、“同時”的相對性2、動尺變短3、動鐘變慢4、速度變換公式第四十六頁第四十七頁，共63頁。5、相對論質(zhì)量6、質(zhì)能方程第四十七頁第四十八頁，共63頁。閱讀思考題1、狹義相對論遇到哪兩個無法解決的問題？2、廣義相對論的兩個基本原理是什么？與狹義相對論的兩個假設(shè)有什么不同？3、根據(jù)廣義相對論的兩個基本原理可以導(dǎo)出那些重要結(jié)論？第四十八頁第四十九頁，共63頁。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，為什么慣性系具有這樣的地位？狹義相對論無法解釋第四十九頁第五十頁，共63頁。二、廣義相對性原理和等效原理1、廣義相對性原理：在任何參考系中，物理規(guī)律都是相同的。伽利略相對性原理力學(xué)規(guī)律在任何慣性系都是相同的愛因斯坦狹義相對性原理(1905年)在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都有是相同的；

愛因斯坦廣義相對論原理（1916年）在任何參考系中(包括非慣系）所有的物理規(guī)律都是相同的，稱為廣義相對性原理。邏輯形式逐漸簡約第五十頁第五十一頁，共63頁。2、等效原理：

一個均勻的引力場與一個做勻加速運動的參考系等價。第五十一頁第五十二頁，共63頁。

如果飛船做勻加速運動，在光向右傳播的同時，飛的速度也在不斷增大，因此船上觀察者記錄下的光的徑跡是一條拋物線。三、廣義相對論的幾個結(jié)論1、物質(zhì)的引力使光線發(fā)生彎曲

如果飛船做勻速直線運動，船上觀察者記錄下的光的徑跡是一條直線（虛線）飛船外觀察者看到這束光是直線傳播的（水平向右）第五十二頁第五十三頁，共63頁。

通常物體的引力場都太弱，20世紀(jì)只能觀測到太陽引力場引起的光線彎曲．太陽

由于太陽引力場的作用，我們有可能觀測到太陽后面的恒星，最好的觀測時間是發(fā)生日全食的時候．

1919年5月29日，發(fā)生日全食，英國考察隊分赴幾內(nèi)亞灣和巴西進(jìn)行觀測，證實了愛因斯坦的預(yù)言，這是對廣義相對論的最早證實．第五十三頁第五十四頁，共63頁。透鏡效應(yīng)

星球的強引力場能使背后傳來的光線匯聚，這種現(xiàn)象叫做引力透鏡效應(yīng)．星體星體無法觀測黑洞

宇宙中很可能存在黑洞，它不輻射電磁波，因此無法直接觀測，但是它的巨大質(zhì)量和極小的體積使其附近產(chǎn)生極強的引力場，引力透鏡是探索黑洞的途徑之一．第五十四頁第五十五頁，共63頁。2、引力場的存在使得空間不同位置的時間進(jìn)程出現(xiàn)差別．

對于高速轉(zhuǎn)動的圓盤，除了轉(zhuǎn)動軸的位置外，各點都在做加速運動，越是靠近邊緣，加速度越大，方向指向盤心．

地面上看到：越是靠近邊緣，速度越大．根據(jù)狹義相對論，靠近邊緣部位的時間進(jìn)程較慢．

圓盤上的人認(rèn)為：盤上存在引力場，方向由盤心指向邊緣，靠近邊緣的位置引力勢較低，得出：引力勢較低的位置，時間進(jìn)程比較慢．第五十五頁第五十六頁，共63頁。各類星體對比

宇宙中有一類恒星，體積很小，質(zhì)量卻很大，叫做矮星，引力勢比地球低的多，矮星表面的時間進(jìn)程比較慢，哪里的發(fā)光的頻率比同種的原子在地球上發(fā)光頻率低，看起來偏紅，這個現(xiàn)象叫做引力紅移．3、引力紅移第五十六頁第五十七頁，共63頁。

由于物質(zhì)的存在，實際空間并不是均勻的，空間