2019-2020学年高中物理 第十五章 第3节 狭义相对论的其他结论 第4节 广义相对论简介课件

第十五章相对论简介第3节狭义相对论的其他结论第4节广义相对论简介第十五章相对论简介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结论以及主要观测证据．u′＋v1＋u′vc2－u′＋v1＋－u′vc2一、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＝____________，如果车上人的运动方向与火车的运动方向相反，则他相对于地面的速度u＝______________．m01－vc2(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．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＝___________，因为总有vc.可知物体运动时的质量m总______它静止时的质量m0.极限不变不变一定任意增大大于3．质能方程物体质量m与其蕴含的能量E之间的关系是：____________．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．E＝mc2相同均匀做匀加速运动3．广义相对论的几个结论(1)光线经过强引力场发生______．(2)引力红移：引力场的存在使得空间不同位置的______进程出现了差别，而使矮星表面原子发光频率______．弯曲时间偏低判一判(1)只有运动物体才具有能量，静止物体没有质能．()(2)一定的质量总是和一定的能量相对应．()(3)E＝mc2中能量E其实就是物体的内能．()×√×想一想爱因斯坦提出狭义相对论后，为什么还要提出广义相对论？提示：爱因斯坦提出狭义相对论后，遇到了狭义相对论无法解决的两个问题：万有引力理论无法纳入狭义相对论的框架；惯性参考系在狭义相对论中具有特殊的地位．为了解决这两个问题，爱因斯坦又向前迈进了一大步，提出了广义相对论．质能方程1．质能方程的两种表达形式(1)E＝mc2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．(2)ΔE＝Δmc2表明物体吸收和放出能量时，必伴随质量的增加或减少．这里，ΔE不仅可以表示机械能的改变，也可以代表因物体吸热或放热、吸收或辐射光子等引起的能量的变化．2．对质能方程的理解(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，其能量为E＝mc2＝m0c21－vc2.(3)静质量为m0、速率为v的物体的动能为：Ek＝E－E0＝m0c21－vc2－m0c2.当v≪c时，1－vc2≈1－12vc2，代入上式得：Ek＝m0c2－m0c2＋12m0c2vc21－12vc2≈12m0v2.一个电子被电压为106V的电场加速后，其质量为多少？速率为多大？(电子的静止质量m0＝9.1×10－31kg)[解题探究](1)怎样计算电子被加速后增加的能量？(2)怎样计算加速后电子的质量？(3)怎样计算加速后电子的速度？[解析]由动能定理得Ek＝eU＝1.6×10－19×106J＝1.6×10－13J对高速运动的电子，由Ek＝mc2－m0c2得：m＝Ekc2＋m0＝1.6×10－13（3×108）2＋9.1×10－31kg≈2.69×10－30kg，由m＝m01－v2c2得v＝c1－m20m2≈0.94c.[答案]2.69×10－30kg0.94c质能方程的三点注意(1)质能方程没有“质能转化”的含义，质能方程只反映质量和能量在量值上的关系，二者不能相互转化．对一个封闭系统而言，质量是守恒的，能量也是守恒的．(2)在物质反应和转化过程中，物质的存在形式发生变化，能量的形式也发生变化，但质量并没有转化为能量．质量和能量都表示物质的性质，质量描述惯性和引力性，能量描述系统的状态．(3)当物体速度很大时，计算动能不能用Ek＝12mv2，而是用Ek＝mc2－m0c2.(多选)关于E＝mc2，下列说法中正确的是()A．质量为m的物体，就贮存有mc2的能量B．质量为m的物体，对应着mc2的动能C．如果物体质量减少Δm，就将该质量转化为mc2的能量D．如果物体质量减少Δm，就将产生Δmc2的能量解析：选AD.一个质量为m的物体，一定具有mc2的能量，选项A、D正确．广义相对论1．广义相对论的两个原理(1)广义相对性原理：在任何参考系中，物体规律都是相同的．广义相对性原理把狭义相对性原理从惯性参考系推广到非惯性参考系．(2)等效原理：一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价．广义相对论与狭义相对论不同，狭义相对论研究的是直线、匀速运动的参考系，而广义相对论研究的是做任何运动的参考系．广义相对论进一步表明，时间和空间并不是孤立的，物质的分布和运动也反过来决定时间和空间的结构，它们之间也相互影响，是对立统一体．2．广义相对论的几个结论(1)时空弯曲：广义相对论认为，时空不是平直的，而是弯曲或“扭曲”的．扭曲的基本原因在于时空和物质的质量或能量的分布．时空几乎在每一点上都是弯曲的，只有在没有质量的情况下，时空才没有弯曲．质量越大，时空弯曲的程度也就越大．(2)光线弯曲：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，但太阳附近的引力场却能引起光线比较明显的弯曲．3．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．广义相对论所作出的以上预言全部被实验观测证实．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了主要作用．(多选)下列说法中正确的是()A．在任何参考系中，物理规律都是相同的，这就是广义相对性原理B．在不同的参考系中，物理规律都是不同的，例如牛顿定律仅适用于惯性参考系C．一个均匀的引力场与一个做匀速运动的参考系等价，这就是著名的等效原理D．一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价，这就是著名的等效原理[解析]根据广义相对性原理和等效原理可知，选项A、D正确，C错误；根据狭义相对论两个基本假设可知，选项B错误．[答案]AD(多选)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在引力场强的地方走得快些C．时钟在引力场弱的地方比在引力场强的地方走得慢些D．在引力场强的地方，光谱线向绿端偏移解析：选CD.因矮星体积很小，质量却不小，所以矮星表面引力很强，故选项A正确；根据广义相对论的结论可知，引力场越强，时间进程越慢，故选项B正确，C错误；在引力场强的地方光谱线向红端偏移称为“引力红移”，故选项D错误．