6.1 高速世界 课件 (4)

课件56张PPT。第1节 高速世界1.初步了解爱因斯坦相对论建立的背景.
2.了解高速世界的两个基本原理，知道时间延缓、长度缩短、质速关系、质能关系和时空弯曲，能应用相对论知识解释简单的现象.
3.了解经典物理学的局限，知道经典时空观与相对论时空观之间的关系. 重点：理解相对论时空观中的基本观点.
难点：根据相对论时空观的观点进行分析，解决相关问题.一、爱因斯坦的狭义相对论
1.两个基本原理
(1)相对性原理：所有物理规律在一切___________中都具有
_____的形式.
(2)光速不变原理：
在一切___________中，测量到的真空中的______都一样
(c=3×108 m/s).惯性参照系相同惯性参照系光速c2.两个效应
(1)时间延缓效应：
①在相对论时空观中，_____的时钟比_____的时钟走得慢.
②关系式：
Δt=____________,Δt为运动时间,Δt′为静止时间.运动静止(2)长度收缩效应：
①在相对于物体运动着的惯性系中沿运动方向测出的物体长度,比在相对静止的惯性系中测出的长度___.
②关系式:短3.两个关系
(1)质速关系：
当物体在所处的惯性系中静止时，质量m0最小，称为_________.
当物体相对于惯性系以v运动时，在此惯性系内观测它的质量
m=____________物体的质量随_____的增大而_____.在低速运动
中，质量的变化可以_____.静止质量速度增大忽略(2)质能关系：
按照相对论及基本力学定律可得质量和能量的关系为E=___,称
为质能关系式.物质的质量减少(或增加)时，必然伴随_____的
减少(或增加)，其关系为ΔE=_____.mc2能量Δmc2【判一判】
(1)时间延缓效应是说时钟走得慢了.( )
(2)长度收缩效应表明物体真实长度变小.( )
(3)物体所含物质的多少会随速度的变化而变化,这就是质速关系.( )提示：(1)时间延缓效应说明，在不同惯性系中观测时间测得的结果不同，并不是时钟真的走得慢了，故(1)错.
(2)长度收缩效应说明，在不同惯性系中测量长度的结果会不同，并不是真实长度收缩了，故(2)错.(3)质速关系说明，在不同参考系中测量物体的质量，速度越大时，测量的物体质量会越大，并不是物体所含物质的多少增大了，故(3)错.二、爱因斯坦的广义相对论——时空弯曲
爱因斯坦的理想实验：
(1)加速和引力的等效预言：如果_____能使光线弯曲，_____也
能使光线弯曲.
(2)实验验证：恒星的光线经过_____附近时，产生能够测量到
的_____效应，其弯曲的数据与广义相对论的理论预言相当吻合.
(3)进一步推理：①光线在引力场中的弯曲可_____为空间本身
被引力弯曲.引力不但影响_____，而且影响_____，即时空弯曲.加速引力太阳弯曲等效空间时间②在宇宙中，物质_____大、_____高的区域时空弯曲大；物质
稀少的地方，时空弯曲小.
③爱因斯坦基于广义相对论_______和经典的牛顿引力场理论，
最终提出了广义相对论_______方程，建立了广义相对论.质量密度时空观引力场【想一想】通常情况下，我们说光在同一种均匀介质中是沿直线传播的.广义相对论的观点是加速和引力能使光束轨迹弯曲.两者矛盾吗?
提示：不矛盾，只有在质量很大，密度很高的区域，时空才能产生明显的弯曲.在低速和物质稀少的生活中，时空较“平直”.通常认为光在同一种均匀介质中是沿直线传播的.　　　　　对相对论中“两个基本原理”和“两个
效应”的理解
【探究导引】
我们所熟悉的生活中，高速行驶的列车、高速飞行的子弹、发射升空的火箭等，这些高速运动物体的速度相对光速而言是低速宏观的.这些物体的运动规律也都是在低速宏观的条件下得出的.当物体以接近光速运动时，请思考以下问题：
(1)在不同的参考系中观测时间，结果一定是相同的吗？
(2)在不同的参考系中测量长度，结果会怎样?【要点整合】
1.两个基本原理
(1)相对性原理：所有物理规律在一切惯性参照系中都具有相同的形式，表明在任何惯性系中研究某个物体的某一运动过程，其运动规律的形式不变.
(2)光速不变原理：在一切惯性参照系中，测量到的真空中的光速c都一样，表明了经典时空观与相对论时空观的不同；比较如下：两种时空观的比较同一运动对不同参照
系描述结果不同，即
速度不同光在一切惯性参照系
中传向各个方向的速
度不变时间均匀流逝，空间
不变化，与运动情况
及外部条件无关时间、空间都随运动
情况而改变 ①同时的绝对性
②时间间隔的绝对性
③空间距离的绝对性
④物体的质量恒定不
变①同时的相对性
②运动的时钟变慢
③运动的尺子缩短
④物体的质量随速
度的增大而增大2.对“两个效应”的理解
(1)时间延缓效应：
在相对论时空观中，运动时钟与静止时钟的关系：
由此式可以看出v＜c，Δt＞Δt′.因此，如果某时钟所显示的某个物理过程经历的时间间隔小，我们就称该时钟走得慢.所以我们说运动的钟比静止的钟走得慢.这种效应被称为时间延缓.(2)长度收缩效应：
按照狭义相对论时空观，空间也与运动密切相关，即对某物体空间广延性的观测，与观测者和该物体的相对运动有关.观测长度l′与静止长度l之间的关系：l′= 由于v＜c，所以l′＜l.这种长度观测效应被称为长度收缩.
(3)在通常情况下，物体的速度很小时，相对论效应极其微小，可忽略不计，就简化为经典物理学，只有在高速运动时，相对论效应才显著.【特别提醒】(1)时间延缓效应是一种观测效应，不是时钟走快了或走慢了，也不是被观测过程的节奏变化了.
(2)长度收缩效应也是一种观测效应，不是物体本身发生了收缩.另外，在垂直于运动方向上不会发生收缩效应现象.【典例1】(2012·常州高一检测)长度测量与被测物体相对于观察者的运动有关，物体在运动方向上长度缩短了.一艘宇宙飞船的船身长度为L0=90 m,相对地面以v=0.8 c的速度在一观测站的上空飞过.
(1)观测站的观测人员测得飞船的船身通过观测站的时间间隔是多少？
(2)宇航员测得船身通过观测站的时间间隔为多少？【思路点拨】解答本题可以按以下思路分析：
关键点
(1)明确宇航员所测飞船的长度为静止长度L0.
(2)观测员所测飞船长度为观测长度L.
(3)运用 分别求出观测时间.【规范解答】(1)观测站测得船身的长度为
通过观测站的时间间隔为
(2)宇航员测得飞船船身通过观测站的时间间隔为
答案：(1)2.25×10-7 s (2)3.75×10-7 s【总结提升】时间延缓效应和长度收缩效应的应用方法
明确时间间隔的相对性公式中各物理量的含义,Δt是在“静止的参考系”(通常将观察者所在的参考系看成是静止的参考系)中测得的时间间隔,Δt′是在相对于“静止参考系”为速度v运动的“运动参考系”中测得的时间间隔.(1)“钟慢效应”或“动钟变慢”是在两个不同惯性系中进行时间比较的一种效应,不要认为是时钟的结构或精度因运动而发生了变化，而是在不同参考系中对时间的观测效应.
(2)运动时钟变慢完全是相对的,在两个惯性参考系中的观测者都将发现对方的钟变慢了.【变式训练】一支静止时长30 m的火箭以3×103 m/s的速度从观察者的眼前掠过，观察者测得火箭的长度应为多少？火箭上的人测得火箭的长度应为多少？如果火箭的速度为光速的二分之一，观察者测得火箭的长度为多少？
【解析】火箭相对于火箭上的人是静止的，所以不管火箭的速度是多少，火箭上测得的火箭长与静止时相同，为L′=L=30 m.如果火箭的速度为v=3×103 m/s，地面观察者测得的火箭长L1为如果火箭的速度为 地面观察者测得的火箭长
答案：30×(1-5.0×10-11) m 30 m 26 m　　　　　对“相对论”中两个关系的理解
【探究导引】
1905年9月26日爱因斯坦相对论第一次发表之后引起了世界物理各流派的广泛争议，到1945年第一枚原子弹在美国新墨西哥的爆炸，证明了爱因斯坦相对论的正确性.由爱因斯坦相对论思考以下三个问题：
(1)物体的质量与物体的速度之间有什么关系？
(2)物体的能量与质量之间有什么关系？
(3)什么样的核反应释放能量？【要点整合】
1.质速关系
(1)经典物理学的观点：
经典力学认为物体的质量是物体的固有属性，由物体所含物质的多少决定，与物体所处的时空和运动状态无关.由牛顿第二定律F=ma可知，只要物体的受力足够大、作用时间足够长，物体将能加速到光速或超过光速.(2)相对论的观点：
由狭义相对论和其他物理原理，可推知物体的质量是变化的.
当物体在所处的惯性参考系静止时，它具有最小的质量m0，这
个最小质量叫静止质量.当物体以速度v相对某惯性参考系运动
时，在这个惯性参考系观测到的质量为2.质能关系
(1)经典物理学的观点：
在经典物理学中，质量和能量是两个独立的概念.
(2)相对论的观点：
由相对论及基本力学定律可推出质量和能量的关系为
E=mc2或ΔE=Δmc2.
根据爱因斯坦的质能关系，人们利用重核裂变反应前后质量亏损释放大量能量发电及制造原子弹.【特别提醒】(1)相对论中，质量与能量是物质不可分离的属性.
(2)任何质量m都对应一定的能量mc2，即任何静止时质量不为零的物体，都贮存着巨大的能量.【典例2】(2012·济南高一检测)利用现代高能物理研究所用的
粒子加速器对电子进行加速，当把电子的速度加速到 时，
设电子的静止质量是m0.求：
(1)加速之后，电子的质量增加多少？
(2)加速之后，电子的能量和动能各多大？【思路点拨】解答本题时应注意以下两点：
关键点
(1)运动物体质量的增加量与运动速度有关.
(2)电子的动能应等于运动的能量减去静止的能量.【解题流程】(1)设电子加速之后的质量为m(2)加速之后，电子的动能等于电子加速之后的能量与静止的能量之差.
电子静止时的能量
答案：(1) (2)【变式训练】在粒子对撞机中，有一个电子经高压加速，速度达到光速的0.5倍，试求此时电子的质量变为静止时的多少倍？
【解析】由于电子的速度接近光速，所以质量变化明显，根据爱因斯坦狭义相对论中运动质量与静止质量的关系得
答案：1.155倍【变式备选】若电子的质量变为静止时质量的两倍,求电子运
动速度的大小?
【解析】由题意知
答案:2.6×108 m/s【温馨提示】爱因斯坦狭义相对论中提出，物理定律的形式在一切惯性系中都是相对的.当观察者做加速运动或者是在非惯性系中，遵守广义相对论.【典例】关于时空弯曲，下列说法正确的是( )
A.时空弯曲是在引力场或非惯性系中产生的
B.四维时空就是在常用的三维空间的基础上加上一维时间
C.广义相对论是爱因斯坦假想的，不是真实存在的
D.光是沿直线传播的，不会发生时空弯曲现象【思路点拨】解答本题时要明确以下两点：
关键点
(1)广义相对论中的时空弯曲现象已被证实是真实的.
(2)光线在引力场中的弯曲可等效为空间本身被引力弯曲了，引力不但影响空间，而且还影响时间.【规范解答】时空弯曲是爱因斯坦在狭义相对论的基础上，对非惯性系和引力场的理想实验的进一步推广提出的广义相对论，故A正确；四维时空是三维空间加上一维时间，用来描述广义相对论的时空，故B正确；广义相对论的时空弯曲现象已于1919年5月29日被英国天文学家爱丁顿等人的日全食观测结果证实，故C、D均错.
答案：A、B对相对论的应用范围的辨析
狭义相对论与经典力学的关系：牛顿的经典力学在宏观低速的世界中非常完善，而在高速(速度接近在真空中的光速)世界中的现象，用经典力学难以解释，为此爱因斯坦提出了狭义相对论.狭义相对论并没有否定经典力学，在宏观、低速情况下两者没有区别.【案例展示】(2012·无锡高一检测)关于狭义相对论与经典力学，下面说法中正确的是( )
A.狭义相对论和经典力学是相对立、互不相容的两种理论
B.狭义相对论和经典力学其实是同一理论
C.在物体高速运动时，物体的运动服从狭义相对性理论；在低速运动时，物体的运动服从牛顿运动定律
D.狭义相对论只适用于高速运动(速度接近真空中的光速的运动)，不适用于低速运动【规范解答】狭义相对论和经典力学不是相对立和互不相容的，两种理论在宏观低速情况下的结论没有什么区别，但两种理论在不同范围内的表现规律又有所区别，故两者不能说是同一理论，故A、B均错；在物体高速运动时，物体的运动服从狭义相对论，在低速运动时，物体的运动服从牛顿运动定律，并不是说狭义相对论只适用于高速运动，不适用于低速运动，只是在低速运动时，相对论的规律表现不明显.故C正确，D错.
答案：C【易错分析】本题易错选项及错误原因分析如下：1.关于狭义相对论的基本假设，下列说法正确的是( )
A.在不同的惯性系中，力学规律都是相同的
B.在不同的惯性系中，真空中的光速是不同的
C.在不同的参考系中，一切物理规律都是相同的
D.对任何惯性系，真空中的光速都是相同的【解析】选A、D.狭义相对论的基本假设相对性原理与光速不变原理均建立在惯性参考系的基础上，故A、D正确，B、C错误.2.一列火车以接近光速从我们身边飞驰而过，根据狭义相对论，关于我们看到的景象描述正确的是( )
A.车厢长度变长
B.车厢长度变短
C.车厢高度变高
D.车厢高度变低【解析】选B.根据狭义相对论的长度收缩效应知，在相对运动方向上，长度变短，在垂直于运动方向上不发生收缩效应现象，所以只有B正确.3.对于公式 下列说法中正确的是( )
A.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v>0时，物体的质量m>m0，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，质量变化十分微小，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
D.通常由于物体的速度太小，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】选C、D.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.4.日常生活中，我们并没有发现物体的质量随着物体运动的速度变化而变化，其原因是( )
A.运动中的物体无法称其质量
B.物体的速度远小于光速，质量变化极小
C.物体的质量太大
D.物体的质量不随速度的变化而变化【解析】选B.根据相对论 物体的质量随速度的变化而变化，但日常生活中物体运动速度太小(相对光速)，故其质量变化极小，难于发现，故B正确，A、C、D错误.5.近地卫星以7.9 km/s的最大运行速度环绕地球匀速运行.其上安装了一只完好的手表走过了1 min，地面上的人认为这只表走过这1 min“实际”上花了多少时间？【解析】由狭义相对论原理知卫星上测到的时间Δt′=1 min，
卫星运行的速度v=7.9×103 m/s.所以地面上的人观测到的时间
为
通过这个题目说明，即使对于人造卫星这样飞快的速度相对论
效应也是微不足道的.
答案：(1+3.47×10-10 ) min