（北京专用）2020版高考物理总复习 第十六章 第3讲 相对论初步课件

第3讲相对论初步一相对论的诞生二时间和空间的相对性三相对论质量四质能方程:E=mc2知识梳理考点一对狭义相对论基本原理的理解考点二“动尺变短”和“动钟变慢”考点三对相对论质量和质能方程的理解深化拓展一、相对论的诞生1.经典的相对性原理(1)惯性系:①牛顿运动定律能够成立的参考系。相对一个惯性系做②匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系。(2)伽利略相对性原理:③力学规律在任何④惯性系中都是相同的。知识梳理2.狭义相对论的两个基本假设(1)实验基础:不论光源与观测者做怎样的相对运动,光速都是⑤一样的。(2)两个基本假设:狭义相对性原理在不同的⑥惯性参考系中,一切⑦物理规律都是相同的光速不变原理真空中的光速在不同的惯性参考系中都是⑧相同的二、时间和空间的相对性1.“同时”的相对性(1)经典的时空观:在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件,在另一个惯性系中观察也是①同时的。(2)相对论的时空观:“同时”具有②相对性,即在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件,在另一个惯性系中观察③不一定是同时的。2.长度的相对性(1)经典的时空观:一条杆的长度不会因为观察者是否与杆做④相对运动而不同。(2)相对论的时空观:长度也具有⑤相对性,一条沿自身长度方向运动的杆,其长度总比杆⑥静止时的长度小。设相对于杆静止的观察者认为杆的长度为l0,与杆有相对运动的人认为杆的长度为l,杆相对于观察者的速度为v,则l、l0、v的关系是l=l0 。2v1c三、相对论质量(1)经典力学质量:物体的质量是①不变的,一定的力作用在物体上产生一定的②加速度,足够长时间后物体可以达到③任意的速度。(2)相对论质量:物体的质量随物体④速度的增大而增大。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= ,因为总有vc,可知运动物体的质量m总要⑤大于它静止时的质量m0。02mv1c四、质能方程:E=mc2。1.属于狭义相对论基本假设的是:在不同的惯性系中 (A)A.真空中光速不变B.时间间隔具有相对性C.物体的质量不变D.物体的能量与质量成正比解析狭义相对论的基本假设有:(1)狭义相对性原理:在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的;(2)光速不变原理:真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的。综上所述,只有A项正确。2.下列几种说法:(1)所有惯性系统对物理基本规律都是等价的;(2)在真空中,光的速度与光的频率、光源的运动状态无关;(3)在任何惯性系中,光在真空中沿任何方向的传播速度都相同。其中哪些是正确的 (D)A.只有(1)(2)是正确的B.只有(1)(3)是正确的C.只有(2)(3)是正确的D.三种说法都是正确的解析狭义相对论认为:物体所具有的一些物理量可以因所选参考系的不同而不同,但它们在不同的参考系中所遵从的物理规律却是相同的,即(1)(2)都是正确的。光速不变原理认为:光在真空中沿任何方向的传播速度都是相同的,即(3)正确,故选D。3.(多选)假设甲在接近光速的火车上看地面上乙手中沿火车前进方向放置的直尺,同时地面上的乙看甲手中沿火车前进方向放置的直尺,则下列说法中正确的是 (BD)A.甲看到乙手中的直尺长度比乙看到自己手中的直尺长度大B.甲看到乙手中的直尺长度比乙看到自己手中的直尺长度小C.乙看到甲手中的直尺长度比甲看到自己手中的直尺长度大D.乙看到甲手中的直尺长度比甲看到自己手中的直尺长度小解析由l=l0 可知,运动的观察者观察静止的尺子和静止的观察者观察运动的尺子时,都出现尺缩效应,即都发现对方手中的尺子比自己手中的短,故B、D正确。22v1c4.(多选)对于公式m= ,下列说法中正确的是 (CD)A.公式中的m0是物体以速度v运动时的质量B.当物体运动速度v0时,物体的质量mm0,即物体的质量改变了,故经典力学不适用C.当物体以较小的速度运动时,质量变化十分微弱,经典力学理论仍然适用,只有当物体以接近光速运动时,质量变化才明显,故经典力学适用于低速运动,而不适用于高速运动02mv1cD.通常由于物体的运动速度太小,质量的变化引不起我们的感觉,在分析地球上物体的运动时,不必考虑质量变化解析公式中m0是静止质量,m是物体以速度v运动时的质量,A错误;由公式可知,只有当v接近光速时,物体的质量变化才明显,一般情况下物体的质量变化十分微小,故经典力学仍然适用,故B错误,C、D正确。深化拓展考点一对狭义相对论基本原理的理解1.一切物理规律(包括力学、光学、电磁学等)的数学形式与参考系的选择无关。2.真空中的光速与光源的运动和观察者的运动无关。3.任何惯性系都是等价的,不存在特殊的绝对的惯性系,抽象地谈论时间长短和空间尺寸是毫无意义的。虽然时空量度是相对的,但是,客观事物的存在、发生与发展的过程又是绝对的,不以观察者所处的参考系的不同而改变。相对性与绝对性是辩证统一的关系。 1-1以下说法中正确的是 (D)A.经典物理中的速度合成公式在任何情况下都是适用的B.经典物理规律也适用于高速运动的物体C.力学规律在一个静止的参考系和一个匀速运动的参考系中是不等价的D.力学规律在任何惯性系里都是等价的解析经典物理规律不适用于高速运动的物体,A、B均错误;力学规律在任何惯性系中都是等价的,C错误,D正确。1-2(多选)假设有一天某人坐在“神舟”号飞船上,以0.5c的速度遨游太空,当他打开一个光源时,下列说法正确的是 (CD)A.飞船正前方地面上的观察者看到的光速为1.5cB.飞船正后方地面上的观察者看到的光速为0.5cC.在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到的光速是cD.在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c解析根据狭义相对论的基本假设,真空中的光速相对于不同的惯性参考系是相同的,即在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c,A、B错误,C、D正确。考点二“动尺变短”和“动钟变慢”1.“动尺变短”:狭义相对论中的长度公式:l=l0 中,l0是相对于杆静止的观察者测出的杆的长度,而l可以认为是杆沿自己的长度方向以速度v运动时,静止的观察者测量的长度。还可以认为是杆不动,而观察者沿杆的长度方向的反方向以速度v运动时测出的杆的长度。2v1c2.“动钟变慢”:时间间隔的相对性公式:Δt= 中,Δτ是相对事件发生地静止的观察者测量同一地点的两个事件发生的时间间隔,而Δt是相对于事件发生地以速度v高速运动的观察者测量同一地点的同样两个事件发生的时间间隔。也就是说:在相对运动的参考系中观测,事件变化过程的时间间隔变大了,这叫做狭义相对论中的时间膨胀。2v1cΔ3.分析时间间隔和长度变化时注意的问题:(1)时间间隔、长度的变化,都是由于物质的相对运动引起的一种观测效应,它与所选取的参考系有关,物质本身的结构并没有变化。(2)两个事件的时间间隔和物体的长度,必须与所选取的参考系相联系,如果在没有选取参考系的情况下讨论时间的长短及空间的尺寸,是没有任何意义的。4.经典时空观和狭义相对论时空观:(1)经典时空观:空间和时间脱离物质而存在,是绝对的,空间和时间没有联系,即与物质的运动无关。(2)狭义相对论时空观:空间和时间与物质运动状态有关。 2-1如图所示,竖直墙上挂着一面时钟,地面上的静止的观察者A观测到钟的面积为S,另一观察者B在车中以0.8倍光速沿平行于y轴正方向运动,观察到钟的面积为S′。则S和S′的大小关系是 (A)A.SS'B.S=S'C.SS'D.无法判断解析观察者B以0.8倍光速平行y轴正方向运动,根据运动的尺子缩短,B观察到的钟的面积沿y轴方向的直径减小,而z轴方向的直径不变,故S'S,选项A正确。2-2地面上长100km的铁路上空有一火箭沿铁路方向以30km/s的速度掠过,则火箭上的人看到铁路的长度应该为多少?如果火箭的速度达到0.6c,则火箭上的人看到的铁路的长度又是多少?答案100km80km解析当火箭速度较低时,看到的铁路的长度基本不变,还是100km。当火箭的速度达到0.6c时,由相对论长度公式l=l0 代入数据解得l=100× km=80km。2v1c210.6考点三对相对论质量和质能方程的理解1.相对论质量相对论中质量和速度的关系为m= 。理解这个公式时请注意:(1)式中m0是物体静止时的质量(也称为静质量),m是物体以速度v运动时的质量。这个关系式称为相对论质速关系,它表明物体的质量会随速度的增大而增大。02mv1c(2)v≪c时,近似地认为m=m0。(3)微观粒子的运动速度很快,它的质量明显地大于光子质量。例如回旋加速器中被加速的粒子质量会变大,导致做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,回旋加速器的加速能量因此受到了限制。2.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。(2)对于一个以速率v运动的物体,其动能Ek=m0c2 22111vc(3)物体的总能量E为动能与静质能之和,即E=Ek+E0=mc2(m为动质量)。(4)由质能关系式可知ΔE=Δmc2。 3-11905年,爱因斯坦创立了“相对论”,提出了著名的质能方程。下列说法中正确的是 (A)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,则会放出能量解析由E=mc2,若E增大,则m增大;若E减小,则m减小,故A正确、B错误;若m减小,则E减小;若m增大,则E增大,故C、D错误。3-2设宇宙射线粒子的能量是其静止能量的k倍,则粒子运动时的质量等于其静止质量的k倍,粒子运动速度是光速的倍。答案 2k1k解析依据爱因斯坦的质能方程E=mc2,宇宙射线粒子的能量是其静止能量的k倍,则其运动时的质量等于其静止质量的k倍;再由相对论质量公式m= ,得 = 。02mv1cvc2k1k