幻灯片 1

(1)

高中物理选修 3-4 课件

第三节狭义相对论的其他结论　　

第四节广义相对论简介　

(2)

课前自主学案

核心要点突破课堂互动讲练

课标定位

知能优化训练第四

节　广义相对论简介

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课标定位

学习目标： 1. 知道相对论速度变换公式，相对论质量和质能方程．

2 ．了解广义相对论的基本原理．

3 ．初步了解广义相对论的几个主要观点以及主要观测证据．

重点难点：狭义相对论的几个其他结论和质能关系．

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课前自主学案

一、狭义相对论的其他结论 1. 相对论速度变换公式

(1) 速度变换公式 : 设在高速的火车上 , 火车对地面的速度为 v^, 车上的人以速度 u′ 沿火车前进的方向相对火车运动 ,

那么他相对地面的速度 u ＝ ____________,

(5)

如果车上人的运动与火车的运动方

向相反，则他相对于地面的速度 u ＝ __________

_.

(2) 结论 : 光速 c 是宇宙速度的 _____, 且相对任何参考系 , 光速都是 ______ 的 .

极限不变

(6)

2 ．相对论质量

(1) 经典力学 : 物体的质量是 ______ 的 , 一定的力作用在物体上产生的加速度 _____, 足够长时间后物体可以达到 ______ 的速度 .

(2) 相对论 : 物体的质量随物体速度增大而 ______

.

物体以速度 v 运动时的质量 m 与

静止时的质量 m₀ 之间的关系是 :m ＝ __________

,

不变一定任意

增大

(7)

因为总有 v^<c. 可知运动物体的质量 m 总 ______

它静止时的质量 m₀. 3 ．质能方程

物体质量 m 与其蕴含的能量 E 之间的关系是 : __________.

大于

E ＝ mc

2

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二、广义相对论简介 1 ．广义相对性原理

在任何参考系中 , 物理规律都是 _______ 的．

2 ．等效原理

一个 ______ 的引力场与一个 ______________ 的参考系等价．

3 ．广义相对论的几个结论

(1) 物质的 ______ 使光线弯曲．

(2) 引力场的存在使空间不同位置的 __________

出现差别 , 引力场越强 , 时间 ______.

相同

均匀做匀加速运动

引力

时间进程越慢

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核心要点突破

(10)

例如 : 回旋加速器中被加速的粒子的质量会随粒子的加速明显增加 . 导致粒子圆周运动的周期变大 . 它的运动与加在 D 形盒上的交变电压不再同步 . 回旋加速器加速粒子的最大能量因此受到了限制 .

(11)

答案：大于

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二、对质能方程的理解

质能方程表达了物体的质量和它所具有的能量的关系：一定的质量总是和一定的能量相对应．

具体从以下几个方面理解：

1. 静止物体的能量为 E₀＝ m₀c², 这种能量叫做物体的静质能 . 每个有静质量的物体都具有静质能 .

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(14)

即时应用 ( 即时突破，小试牛刀 )

2 ． 1905 年，爱因斯坦创立了“相对论” , 提出了著名的质能方程 . 下面涉及对质能方程理解的几种说法中正确的是 ( 　　 )

A ．若物体能量增大 , 则它的质量增大 B ．若物体能量增大 , 则它的质量减小

C ．若核反应过程质量减小 , 则需吸收能量 D ．若核反应过程质量增大 , 则会放出能量

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解析：选 A. 由 E ＝ mc²，若 E 增大，则 m 增大；若 E 减小，则 m 减小，故 A 正确、 B 错．

若 m 减小，则 E 减小；若 m 增大，则 E 增大

，故 C 、 D 错．

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三、广义相对论的几个结论

1. 光线在引力场中偏转 : 根据广义相对论 , 物质的引力会使光线弯曲 , 引力场越强 , 弯曲越厉害 . 通常物体的引力场都太弱 , 但太阳引力场却能引起光线比较明显的弯曲 .

2. 引力红移 : 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出现差别 . 例如 , 在强引力的星球附近 , 时间进程会变慢 , 因此光振动会变慢 , 相应的光的波长变长、频率变小 , 光谱线会发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发生的 , 所以叫“引力红移” .

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3. 水星近日点的进动 : 天文观测显示 , 行星的轨道并不是严格闭合的 , 它们的近日点 ( 或远日点 ) 有进动 ( 行星绕太阳一周后 , 椭圆轨道的长轴也随之有一点转动 , 叫做“进动” ), 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 . 还有其他一些事实也支持广义相对论 . 目前 , 广义相对论已经在宇宙结构、宇宙演化等方面发挥主要作用 .

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课堂互动讲练

质速关系的应用

例例 11

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(20)

【答案】　见精讲精析

(21)

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变式训练 1 　一观察者测出电子质量为 2m₀, 求电子速率是多少？ (m₀ 为电子静止时的质量 )

答案： 0.866c

(23)

质能方程的应用

　　　　　　　电子静止时质量为 9.1×10 ^－ ³¹　kg, 被加速器加速后 , 其能量为 1.28×10⁹　eV, 问加速后电子的质量是多少 ? 是静止质量的多少倍 ?

【思路点拨】　电子被加速后的能量是电子的总能量 , 而不只是电子具有动能 , 满足公式 E ＝ mc

2.

例例 22

(24)

【答案】　 2.28×10 ^－ ²⁷　kg 　 2505 倍

(25)

【方法总结】　明确物体质能表达式 E ＝ mc² 的含义是解题的关键 . 如果物体静止 , 则 E₀ ＝ m₀c², 如果此时物体还具有动能 E_k, 则此时物体的能量为 E ＝ E₀ ＋ E_k ＝ mc², 其中 m 为物体运动时的质量 .

(26)

变式训练 2 　已知电子的静止能量为 0.511 MeV, 若电子的动能为 0.25 MeV, 则它所增加的质量 Δ m 与静止质量 m₀的比值近似为 ( 　　 )

A ． 0.1 　　　　　　 B ． 0.2

C ． 0.5 D ． 0.9

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(28)

在适当的时候 , 通过仪器可以观察到太阳后面的恒星 , 这说明星体发出的光 ( 　　 )

A ．经太阳时发生了衍射

B ．可以穿透太阳及其他障碍物

C ．在太阳引力场作用下发生了弯曲 D ．经过太阳外的大气层时发生了折射

对广义相对论结论的理解

例例 33

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【思路点拨】　依据广义相对论中的引力场中的光线弯曲考虑．

【精讲精析】　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 ( 如日全食时 ) 通过仪器观察到太阳后面的恒星 , 故 C 正确 ,A 、 B 、 D 均错．

【答案】　 C

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变式训练 3 　以下说法中，错误的是 ( 　　 ) A ．矮星表面的引力很强

B ．时钟在引力场弱的地方比引力场强的地方走得快些

C ．在引力场越弱的地方，物体长度越长 D ．在引力场强的地方，光谱线向绿端偏移答案： CD

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第三节 狭义相对论的其他结论

第四节 广义相对论简介

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