《（人教版）高中选修3-4物理 15.2《狭义相对论的其他结论广义相对论简介》教案》由会员分享，可在线阅读，更多相关《（人教版）高中选修3-4物理 15.2《狭义相对论的其他结论广义相对论简介》教案（10页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、最新海量高中、初中教学资料尽在金锄头文库课时 狭义相对论的其他结论 点难点:相对论速度变换公式与质能方程。教学建议:在狭义相对论的两个基本假设基础上,光速极限条件下,经典的伽利略速度叠加法则不再适用,在此条件下介绍相对论速度变换公式。另一重要内容是爱因斯坦质能方程,它揭示了质量与能量的相互联系。对于广义相对论,要有所了解,体会人类对自然的认识在不断扩展。导入新课:时间和长度对于不同速度的参考系,将有不同的测量结果,那么,速度、质量和能量将会有什么情况呢?狭义相对论是惯性参考系之间的理论,爱因斯坦把相对性原理推广到非惯性系在内的任意参考系,提出了广义相对论。)相对论速度变换公式设高速火车的速度为
2、 v,车上的人以速度 u沿着火车前进的方向相对火车运动,光在真空中的速度为 c,则此人相对地面的速度为 u= 。+1+2(2)相对论质量最新海量高中、初中教学资料尽在金锄头文库物体以速度 v 运动时的质量为 m,和它静止时的质量 m= ,根据此式可知 ,微观粒子的运动速度很高时,它的质量明显大于01-()2静止时的质量,这个现象必须考虑,也就是说物体的质量与物体的 速度有关,并不是恒定不变的。(3)质能方程物体具有的能量与物体的 质量有关,其表达式为 E= )广义相对性原理:在狭义相对论中,不同惯性参考系中,一切物理规律都是相同的,爱因斯坦在狭义相对论的基础上,把相对性原理推广到包括非惯性参考
3、系在内的任意参考系,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。(2)等效原理:我们无法判断,在一个封闭的电梯内,物体加速运动是由引力引起的还是参考系相对于物体运动造成的,一个均匀的引力场与一个做 匀加速运动的参考系等价。这就是等效原理。(3)广义相对论的几个结论 根据等效原理,物质的引力使光线 弯曲。 广义相对论告诉我们,引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别,在强引力场附近,时间进程会变 慢(填“快”或“慢”)。答:直线运动。答:不违反。它们是针对不同对象的两条规律。答:能。最新海量高中、初中教学资料尽在金锄头文库主题 1:相对论速度变换公式情景:如图所示,如果把图
4、示小船放入水中,顺流而下,船相对水的速度是 3 m/s,水速是 4 m/s。问题:(1)船相对于岸的速度是多少?(2)是否需要相对论速度变换公式进行计算?(3)相对论速度变换公式怎样表达?解答:(1)根据速度合成法则,船速和水速方向相同,所以船相对于岸的速度等于船速加水速,等于 7 m/s。(2)相对论速度变换公式主要是计算接近光速的情况,该情况不需要利用相对论速度变换公式进行计算。(3)相对论的速度变换公式为 u= 。+1+2知识链接:有人说相对论认为什么都是相对的,这是对相对论的曲解。光在真空中的速率就不是相对的。主题 2:相对论质量情景:图示是某个回旋加速器的示意图,当电子在回旋加速器中
5、进行加速的时候,能够把速度增加到很大。最新海量高中、初中教学资料尽在金锄头文库问题:(1)如果某一回旋加速器能够把电子的速度增加到 么此时电子的质量是静止时的几倍?(2)当回旋加速器把粒子加速到一定速度时,粒子在回旋加速器中就不能再加速了(即使回旋加速器足够大),试解释其原因。解答:(1)根据物体运动质量和静止质量之间的关系 m= ,代入数据01-()2可以得到此时电子的质量是静止时的 5 倍。(2)回旋加速器的工作原理是利用电子在磁场中运动一个周期的时间跟所加电场的周期相同,而当粒子的速度接近光速时,其质量改变非常明显,使粒子在磁场中运动的周期改变,从而和电场不同步,进入电场后不能达到加速的
6、目的。知识链接:在 vc 时,可以认为质量是不变的,但 v 接近光速时, m 的变化一定要考虑。主题 3:广义相对性原理和等效原理情景:在 1905 年发表狭义相对论之后,爱因斯坦就意识到狭义相对论还有两个问题没有解决,这两个问题是非惯性系的问题和引力的问题。问题:为了解决这两个问题,爱因斯坦是怎样把这两个问题纳入相对论的轨道之中的?解决的方法是什么?解答:为了解决这两个问题,爱因斯坦提出两个原理,广义相对性原理和等效原理,广义相对性原理解决了狭义相对论中惯性参考系的问题,等效原理解决了万有引力的问题。知识链接:1919 年 5 月 29 日,发生日全食期间,科学家成功地观测到了太阳背后恒星发
7、出的光线经过太阳附近发生弯曲的现象,并拍到了太阳背后恒星的照片。最新海量高中、初中教学资料尽在金锄头文库1.(考查物理学史)图示是著名的科学家爱因斯坦的头像,他在物理学的发展过程中做出了不可磨灭的贡献,下列不是他作出的贡献是( )。析】黑洞并不是爱因斯坦发现的。【答案】A【点评】了解爱因斯坦的伟大贡献。2.(考查相对论质量)回旋加速器在对粒子进行加速时,当加速到一定的数值,速度不再增加。而不增加的原因是当速度增加到某一值,电场变换的周期和粒子在磁场中运动的周期不相等了,所以不能继续加速。关于周期变化的原因,下列说法正确的是( )。 形盒的半径太小,析】物体的质量在低速情况下和静止质量相差不多,
8、但是当物体速度逐渐增大,速度对质量的影响将会越来越大,从而改变了粒子在磁场中的运行周期。【答案】A【点评】加速过程中,速度越来越大,接近光速时,质量发生变化,周期也变化。3.(考查质能方程)正、负电子的静止质量均为 一个正电子和一个负电子相遇时可以发生湮灭现象,即两电子消失而产生一对相同的光子,则每个光子的能量为( )。最新海量高中、 析】光子能量的来源是电子质量的损失,每个电子由于质量而具有的能量是 E=个电子总共具有的能量是 2答案】A【点评】从相对论的质能关系看,质量大就意味着能量多。4.(考查相对论速度变换公式)假如兔子相对你的速度是 它看到前面小蝴蝶向前飞的速度又是 么你将看到小蝴蝶
9、的速度是多少呢?【解析】根据相对论速度变换公式 u= ,代入数据得到 u=+1+2从你的角度出发,看到小蝴蝶的速度是 不是 答案】0 评】了解相对论的速度变换公式。拓展一:c 表示光在真空中的速度)的速度前进,在车上向前发射一个速度为 子弹(相对于车),现在在地面上观察到的这颗子弹。(1)根据必修 1 和必修 2 中直线运动的公式进行计算,子弹的速度应该是多大?(2)根据相对论速度变换公式进行计算,子弹的速度应该是多大?(3)根据相对论速度变换公式,子弹相对于车的发射速度为 ,其相对地面的速度是否会超过光速?【分析】注意区分经典力学中的速度合成与根据相对论速度变换公式得到的速度的区别。根据相对
10、论速度变换公式,任何速度都不会超过光速。【解析】(1)根据速度的合成,两个 速度方向相同,所以合速度等于c。(2)根据相对论速度变换公式 u= ,代入数据得到 u = +1+2(3)根据相对论速度变换公式,可知子弹相对地面的速度不可能超过光速。最新海量高中、初中教学资料尽在金锄头文库【答案】(1) c (2)(3)不会【点拨】经典的速度合成公式和相对论速度变换公式是不同的,在物体运动的速度和光速为一个数量级时,应该按照相对论速度变换公式求解。拓展二:0%,则此物体在其运动方向上缩短了的尺寸约为自身运动方向长度的多少?【分析】本题是将相对论质量问题和尺缩问题结合在一起考查,需要掌握对应的两个公式
11、。【解析】设静止时物体质量为 体运动速度为 v,物体运动方向长度为 = =110%,根据尺缩效应公式知001-22011-22l=l ,故 = =1- =1- = 。1-22 - 1-22 1011111【答案】111【点拨】先根据相对论质量关系求出(1 - )的数值,再根据长度的相对论的22公式求出相对论长度。拓展三:设我们在没有引力的太空中,我们站在一台加速上升的电梯内(加速度为 g)释放一块石头,看到石头以加速度 g 落向地板,如果站在地球上的静止在地面上的电梯内释放石头,石头由于重力而下落,如果电梯封闭得很好,你站在电梯中,你是否能够分清你是在太空中的电梯里还是在地面上的电梯里?最新海
12、量高中、初中教学资料尽在金锄头文库【分析】本题考查广义相对论的结论,即一个均匀引力场和一个匀加速运动的参考系等价。【解析】因为这两种情况产生的效果是完全相同的,而惯性质量和引力质量又相等,所以不能进行判别。【答案】不能【点拨】一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价。一、物理百科狭义相对论的创立19 世纪理论物理学达到了巅峰状态,但其中也隐含着巨大的危机。海王星的发现显示出牛顿力学无比强大的理论威力,电磁学与力学的统一使物理学显示出一种形式上的完整,并被誉为“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂”。在人们的心目中,古典物理学已经达到了近乎完美的程度。 德国著名的物理学家普朗克年轻
13、时曾向他的老师表示要献身于理论物理学,老师劝他说:“年轻人,物理学是一门已经完成了的科学,不会再有多大的发展了,将一生献给这门学科,太可惜了。” 最新海量高中、初中教学资料尽在金锄头文库爱因斯坦似乎就是那个构建崭新的物理学大厦的人。在伯尔尼专利局的日子里,爱因斯坦广泛关注物理学界的前沿动态,在许多问题上深入思考,并形成了自己独特的见解。在十年的探索过程中,爱因斯坦认真研究了麦克斯韦电磁理论,特别是经过赫兹和洛伦兹发展和阐述的电动力学。爱因斯坦坚信电磁理论是完全正确的,但是有一个问题使他不安,这就是绝对参照系以太的存在。他阅读了许多著作发现,所有试图证明以太存在的实验都是失败的。经过研究爱因斯坦
14、发现,除了作为绝对参照系和电磁场的荷载物外,以太在洛伦兹理论中已经没有实际意义。于是他想到:以太绝对参照系是必要的吗?电磁场一定要有荷载物吗?爱因斯坦喜欢阅读哲学著作,并从哲学中吸收思想营养,他相信世界的统一性和逻辑的一致性。相对性原理已经在力学中被广泛证明,但在电动力学中却无法成立,对于物理学这两个理论体系在逻辑上的不一致,爱因斯坦提出了怀疑。他认为,相对论原理应该普遍成立,因此电磁理论对于各个惯性系应该具有同样的形式,但在这里出现了光速的问题。光速是不变的量还是可变的量,成为相对性原理是否普遍成立的首要问题。当时的物理学家一般都相信以太,也就是相信存在着绝对参照系,这是受到牛顿的绝对空间概念的影响。19 世纪末,马赫在所著的发展中的力学中,批判了牛顿的绝对时空观,这给爱因斯坦留下了深刻的印象。1905 年 5 月的一天,爱因斯坦与一个朋友贝索讨论这个已探索了十年的问题,贝索按照
