高中物理選修3-4第6章 課程綱要 教案學案

1、在經(jīng)典物理學中，若有一列火車以速度v做勻速直線運動，火車上有一物體以相對于火車的速度u與火車同向運動，則地面上的人看到物體的速度應該是uv.這似乎沒什么疑問，但是以此推下去，在運動的火車上發(fā)出的光就可以超光速傳播了請你思考：火車上發(fā)出的光可能超光速傳播嗎？§6.1經(jīng)典時空觀狹義相對論的兩個基本假設 1了解伽利略相對性原理和經(jīng)典時空觀2知道伽利略速度變換公式3了解愛因斯坦相對性原理4了解光速不變原理1重點難點教學重點：狹義相對論的基本假設教學難點：光速不變原理2高考前瞻該節(jié)內(nèi)容在高考中一般考查狹義相對論的兩個基本假設的結(jié)論，光速不變原理考查的頻率也較高3教學建議本課時應讓學生了解相關物

2、理史實，感受物理學的廣博宏大；通過實例類比，加強學生對相對性原理的理解；讓學生牢記光速不變原理，并通過實例加強記憶另外，讓學生明確相對論是物理學發(fā)展到一定程度上必然產(chǎn)物1. 伽利略相對性原理(1)如果牛頓運動定律在某個參考系中成立，這個參考系就是_(2)伽利略相對性原理：在任何慣性系中，_都是一樣的，都可以用_來描述2經(jīng)典時空觀時間是_(填“絕對”或“相對”)的、與任何外界事物無關；空間是_(填“絕對”或“相對”)的，與任何外界事物無關；時間和空間是_3伽利略速度變換公式一節(jié)車廂相對地面以速度u運動，車廂內(nèi)的人相對車廂以速度v運動，根據(jù)伽利略速度變換公式，人相對地面的運動速度v_4狹義相對論的

3、兩個基本假設(1)對于不同的慣性系，_都是一樣的這一假設稱為愛因斯坦相對性原理(2)愛因斯坦根據(jù)對麥克斯韋理論的研究提出光速不變原理，即在不同的慣性參考系中光速都是_的，光的傳播_(填“遵守”或“不遵守”)伽利略速度變換公式參考答案：1(1)慣性系(2)力學的規(guī)律牛頓定律2絕對絕對相互獨立、互不相關的3u v4(1)物理規(guī)律(包括力學和電磁的)(2)相同 不遵守主題1：物理學的大廈情景：19世紀末期，以經(jīng)典力學、熱力學和統(tǒng)計物理學(熱學)、電磁場理論為主要內(nèi)容的物理學形成了完整的科學體系問題：說說你了解的在建立經(jīng)典力學、熱力學和統(tǒng)計物理學、電磁場理論的過程中起重要作用的物理學家，每個分支至少說

4、出兩位科學家解答：經(jīng)典力學中有伽利略、牛頓、笛卡兒、胡克、開普勒等物理學家；熱力學和統(tǒng)計物理學中有焦耳、瓦特、開爾文等物理學家；電磁場理論中有法拉第、麥克斯韋、赫茲等物理學家主題2：經(jīng)典的相對性原理情景：黃河凌汛是威脅黃河下游的巨大水患，為了消除凌汛，我們每年冬春之交都要動用飛機炸開冰面如果飛機勻速飛行，每隔相同的時間投下一顆炸彈，如圖所示問題：(1)從飛行員角度進行觀察，在空中的炸彈的運動形式是怎樣的？(2)從第一顆炸彈上觀察其他仍在空中的炸彈，它們的運動形式是怎樣的？(3)從地面上安全位置靜止的指揮員觀察，在空中的每個炸彈的運動形式是怎樣的？(4)對于飛行員和地面觀察員觀察到的炸彈的運動，

5、描述運動中的物理量相同的是什么？解答：(1)從飛行員角度進行觀察，炸彈是做自由落體運動(2)從第一顆炸彈上觀察其他仍在空中的炸彈，炸彈是做豎直向上的勻速運動(3)從地面上安全位置靜止的指揮員觀察炸彈，炸彈是做平拋運動(4)飛行員和地面觀察員觀察到的炸彈的運動相同的物理量是加速度(即重力加速度)主題3：狹義相對論的兩個基本假設情景：狹義相對論的兩個基本假設：(1)狹義相對性原理在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的；(2)光速不變原理真空中的光速在不同慣性參考系中都是相同的問題：說說你對這兩個基本假設的認識，為什么這兩個觀點不叫定律而叫假設？解答：前一個假設是解決參考系的問題，愛因斯坦認為

6、自然界不存在特殊的慣性參考系，所以相對性原理的內(nèi)容是在不同參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的第二個假設解決電磁學規(guī)律不能和經(jīng)典的慣性參考系相兼容的問題，內(nèi)容是真空中的光速在不同慣性參考系中都是相同的能夠驗證這兩個觀點的實驗非常有限，只有從這兩個假設出發(fā)，經(jīng)過邏輯推理(包括數(shù)學推導)所得出的大量結(jié)論能與事實相符，才能證實它的正確性一、了解物理學史例1為了紀念一個偉大的科學家和思想家，為了紀念充滿神奇色彩的1905年，國際物理學會和聯(lián)合國將2005年定為世界物理年，并進行了一系列的活動，其中包括“物理照亮世界”的全球性光速傳遞活動緬懷偉人，承前啟后這位被紀念的偉人是()A哥白尼 B伽利略C牛頓 D愛

7、因斯坦【解析】一個歷史上極其特別的年份、一個人類應用黃金來書寫的年份、一個充滿了奇跡的年份1905年這一切，因為一個名叫愛因斯坦的公務員在德國物理學年鑒上發(fā)表了5篇論文，帶來了物理學那場偉大的革命，推倒了一座脆弱的金碧大廈，開啟了物理學新紀元這一年，愛因斯坦在分子運動理論、量子理論和相對論上做出了開創(chuàng)性的工作，締造了“愛因斯坦奇跡年”【答案】D【點撥】愛因斯坦是世界十大杰出物理學家之一，現(xiàn)代物理學的開創(chuàng)者、集大成者和奠基人，同時也是一位著名的思想家和哲學家.1921年，愛因斯坦因光電效應研究而獲得諾貝爾物理學獎，2009年10月4日，諾貝爾基金會評選“1921年物理學獎得主愛因斯坦”為諾貝爾獎

8、百余年歷史上最受尊崇的3位獲獎者之一二、經(jīng)典的相對性原理例2如圖所示，在列車車廂的光滑水平面上有一個質(zhì)量為m5 kg的小球，正隨車廂一起以20 m/s的速度勻速前進，現(xiàn)在給小球一個水平向前的F5 N的拉力作用，并保持不變，10 s后，求車廂里的觀察者和地面上的觀察者看到小球的速度【解析】利用經(jīng)典力學的相對性原理進行計算對車上的觀察者：物體的初速度v00，加速度a1 m/s2，10 s末速度v1at10 m/s對地面上的觀察者：物體初速度v020 m/s加速度相同a1 m/s210 s末速度v2v0at30 m/s.【答案】10 m/s30 m/s【點撥】在兩個慣性系中，雖然觀察到的結(jié)果并不相同

9、，一個是10 m/s，另一個是30 m/s，但我們卻應用了同樣的運動定律和速度合成法則，也就是說，力學規(guī)律在任何慣性系中都是相同的變式訓練1如圖甲所示，小船在風平浪靜的海面上靜止，從桅桿上釋放一個小球，桅桿上的人觀察到小球做什么運動？如果小船勻速運動，船上的人觀察到小球做什么運動？站在岸邊上的人觀察到小球的運動又是什么樣的？【解析】如圖乙所示，在桅桿上觀察，小球相對于觀察者沒有初速度，所以兩種情況下都是自由落體運動；而在岸上觀察，當船勻速運動時，小球在下落開始就具有一個水平方向上的初速度，所以做拋體運動【答案】見解析三、光速不變原理例3假設你是一個“光子”，你和你的同伴(當然也是一個“光子”)

10、都從燈泡里“逃”出來，那么，在你看來，你的同伴的速度是多少？在你的同伴看來，你的速度又是多少？在站在燈泡外面的人看來，你們的速度是多少？(從相對論的角度論述)【解析】根據(jù)光速不變原理，在所有的慣性系中，真空的光速都是一個常數(shù)c.當你是一個“光子”時，你就是一個慣性系，你將會看到你的“光子”同伴以c遠離你而去依此類推，你的“光子”同伴也是慣性系，在它看來，你將以c向前狂奔，把它拋在后面對于燈泡外邊的觀測者，也是一個慣性系，他將看到你們兩個將會并肩前進，速度都是c.【答案】見解析【點撥】在相對論中，有一個基本假設是光速對任何慣性參考系都是相同的變式訓練2如圖所示，回答下列問題：(1)參考系O相對于

11、參考系O靜止時，人看到的光速應是多少？(2)參考系O相對于參考系O以速度v向右運動時，人看到的光速應是多少？(3)參考系O相對于參考系O以速度v向左運動時，人看到的光速又是多少？ 【解析】根據(jù)速度合成法則，第(1)種情況人看到的光速應是c，第(2)種情況應是cv，第(3)種情況應是(cv)而根據(jù)狹義相對理論，光速是不變的，都應是c.【答案】三種情況都是c一、經(jīng)典的相對性原理1慣性參考系：牛頓運動定律成立的參考系2經(jīng)典的相對性原理：力學規(guī)律在任何慣性參考系中都是相同二、狹義相對論的兩個基本假設1狹義相對性原理：在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的2光速不變原理：真空中的光速在不同慣性參考

12、系中都是相同的1下列參考系可以看做慣性系的是()A靜止的參考系B勻速運動的參考系C勻加速運動的參考系D牛頓運動定律成立的參考系【解析】根據(jù)伽利略相對性原理可知A、B、D正確【答案】ABD2在勻速前進的汽車中的水平光滑桌面上放置一個小球，當車突然停止的瞬間，從地面上觀察，小球?qū)⒆鰟蛩龠\動，符合牛頓第二定律中物體受到的合力為零的情況；當從車內(nèi)桌邊靜止的人的角度觀察，小球做加速運動而分析小球受力情況時發(fā)現(xiàn)小球在水平方向上不受外力，那小球為什么做加速運動呢？這是什么原因呢？【解析】對于地面這個參考系來講，這個參考系沒有加速度，可以看做是慣性參考系，所以牛頓運動定律在這里是適用的，但是從車上觀察時，車是

13、一個減速運動的參考系，對此，牛頓運動定律不適用【答案】牛頓運動定律在非慣性系中不適用3在平直軌道上有兩輛車同時、同向前進，前車相對于地面的速度是30 m/s，后車相對于地面的速度是10 m/s，都做勻速直線運動，如果從后車上觀察，前車的速度是多少？【解析】由于兩車都做勻速運動，從后車上觀察就是認為后車固定不動，所以前車相對于后車的速度就是30 m/s10 m/s20 m/s.【答案】20 m/s4如圖所示，甲乘坐宇宙飛船追趕乘坐宇宙飛船離去的乙，兩宇宙飛船對地面的速度分別為0.7c、0.4c，某時刻甲為了聯(lián)系乙向乙發(fā)出一個光信號，則()A地面上的人看光信號的速度為vcB乙看光信號的速度為0.6

14、cC甲看光信號的速度為cD乙看甲的速度為0.3c【解析】由相對性原理可知D對；由光速不變原理可知C對【答案】CD§6.2相對論時空觀 1知道狹義相對論關于時空相對性的主要結(jié)論2了解經(jīng)典時空觀與相對論時空觀的主要區(qū)別，體會相對論時空觀的建立對人類認識世界的影響3通過實例，了解時間和空間的相對性，體會相對論時空觀與低速世界情景的差異1重點難點教學重點：同時的相對性，時間間隔的相對性，長度的相對性教學難點：同時的相對性2高考前瞻同時的相對性是高考考查的熱點，要能夠熟練地進行分析“尺短鐘慢”效應一般只在選擇題中出現(xiàn)，要求能用公式做出正確的判斷，所以一定要記住“尺短鐘慢”的公式并知道其基本意義

15、3教學建議在學習本節(jié)知識之前，首先要對上節(jié)學過的相對論的誕生的有關知識進行復習本節(jié)的重點是時間和空間的相對性，學習時應注意結(jié)論的理解，不必在數(shù)量關系上下工夫，要注意邏輯關系的應用1同時的相對性同時是指兩個事件發(fā)生的時刻是一樣的，同時的相對性是說，在一個慣性系中，同時發(fā)生的兩個事件，在另一個慣性系中則可能不是同時發(fā)生的，即同時是_的 ，也就是說，有人看到同時發(fā)生的事件，在其他觀察者眼里可能不是同時發(fā)生的2時間延緩既然同時具有相對性，時間間隔也就具有了相對性，時間間隔相對性的公式為，其中u為車廂相對地面運動的速度，_(填“0”或“”)為車廂內(nèi)的觀察者所觀察到的時間，_(填“0”或“”)為地面上的觀

16、察者所測得的時間3長度縮短物體的長度與觀察者和物體間的相對運動情況有關，物體靜止在地面時的長度為l0，相對地面運動速度為u時，地面上的觀察者觀察到的長度為l，則l_4相對論的時空觀相對論認為：空間和時間的量度與_有關，是相對的經(jīng)典時空觀是相對論時空觀的特殊表現(xiàn)參考答案：1相對203l04物體的運動主題1：認識時間情景：世界上最快又最慢，最長又最短，最平凡然而又最珍貴，最容易被忽視而又最令人后悔失去的就是時間為了計時，世界上出現(xiàn)了各式各樣的鐘：沙鐘(如圖所示)、電鐘、機械鐘、光鐘和生物鐘問題：既然運動可以使時間變慢，它是不是會使所有的鐘都一樣變慢呢？與鐘的種類有沒有關系？人身處其中能不能感受到時

17、間變慢了呢？解答：根據(jù)愛因斯坦的狹義相對論，運動可以使時間變慢，與計時工具無關，因此所有的鐘都一樣變慢，與鐘的種類沒有關系，人身處其中也感受不到時間變慢，只是地面上不動的人認為他的時間變慢主題2：同時的相對性情景：一列火車以速度v相對地面高速運動，在火車上有一個光源問題：如果地面上的人測得這個光源發(fā)出的閃光同時到達車的前壁和后壁，圖示是地面上觀察者得到的結(jié)果，那么按照火車上人的測量，閃光是先到達前壁還是后壁？火車上的人怎樣解釋自己的測量結(jié)果？解答：火車上的人測得閃光先到達前壁，由于地面上的人測得閃光同時到達前后壁，而在光向前后壁傳播的過程中，火車要相對于地面向前運動一段距離，所以光源發(fā)光的位置

18、一定距離前壁較近，各個方向上的光速又是一樣的，從車上觀察，閃光先到達前壁主題3：長度的相對性問題：圖示是一只兔子靜止在草地上的情況，假設該兔子以接近光速的速度沿水平方向高速奔跑，在地面上的你看到的兔子的圖像大體上應該是哪個圖像，你分析的依據(jù)是什么？(提示：根據(jù)相對論知識進行分析)解答：當兔子沿著水平方向高速運動時，根據(jù)狹義相對論的尺縮效應，當物體速度很大時，物體的尺度將減小，即ll0，所以看上去兔子將變扁，但是在其他方向上沒有運動，所以其他方向上長度不變所以看到的應該是B圖主題4：時間間隔的相對性情景：隨著科學技術的逐漸進步，列車速度越來越快，假設在未來的某一天，列車的速度能夠達到接近光速，已

19、知某特快列車的速度為v，一位乘客觀察到一滴水從行李架上下落到桌面上經(jīng)歷的時間為t.問題：試想如果站在鐵道邊上的人能清晰地看到水滴的運動，利用相對論分析，對地面上的觀察者來講，這滴水珠下落的時間是變長了還是變短了？為什么？如果以現(xiàn)行列車的速度行駛，以上時間間隔的差別能不能區(qū)分？解答：變長了因為根據(jù)狹義相對論的時間間隔的相對性，地面上的人觀測時間是t，火車上的人觀測時間為t，根據(jù)公式可知t，由此可知，在陸地上的人觀察到水滴運動時間變長了如果是以列車現(xiàn)行的速度行駛，速度與光速之間的比值接近等于零，可知兩個時間間隔幾乎沒有差距一、同時的相對性例1如圖所示，沿鐵道排列的兩電桿正中央安裝一閃光裝置，光信號

20、到達一電桿稱為事件1，到達另一電桿稱為事件2.對地面上的觀察者和向右運動的車廂中的觀察者看來，兩事件是()A在地面上的觀察者看來，事件1先發(fā)生；在車廂中的觀察者看來，事件2與事件1同時發(fā)生B在地面上的觀察者看來，事件2先發(fā)生；在車廂中的觀察者看來，事件2與事件1同時發(fā)生C在地面上的觀察者看來，事件1、2同時發(fā)生；在車廂中的觀察者看來，事件2比事件1后發(fā)生D在地面上的觀察者看來，事件1、2同時發(fā)生；在車廂中的觀察者看來，事件2比事件1先發(fā)生【解析】對地面上的觀察者看來，光源在兩根電桿的正中央，光信號向兩電桿傳播的速度相同，因此，光信號同時到達兩電桿在運動的車廂中的觀察者看來，運動的車廂是個慣性系

21、，地面和電桿都在向左運動，光信號向左右兩側(cè)傳播的速度相同(光速不變原理)在光信號向兩側(cè)傳播的過程中，地面及兩個電桿都向左運動了一段距離，所以光信號先到達電桿2，后到達電桿1.【答案】D【點撥】同時相對性產(chǎn)生的原因是觀察者所處的位置不同，在不同參考系中觀察，同時產(chǎn)生的事件具有相對性變式訓練1如圖所示，列車K靜止在地面上，某時車廂中央發(fā)出了一個閃光，車廂中的人認為閃光是同時到達了前后兩壁可以記作事件A和事件B，另一列列車L從旁邊呼嘯而過，那么，在運動的火車L里面的觀察者認為，沿著運動方向位置靠前一些的事件A先發(fā)生，還是靠后一些的事件B先發(fā)生？【解析】當火車L相對于火車K向A運動時，由于相對于A發(fā)生

22、了運動，光傳播到A的時間短了，所以A事件先發(fā)生【答案】事件A先發(fā)生二、長度的相對性例2一根10 m長的梭鏢以相對速度穿過一根10 m長的管子，它們的長度都是在靜止狀態(tài)下測量的下列敘述能最好地描述了梭鏢穿過管子的情況的是()A梭鏢收縮變短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它B管子收縮變短，因此在某些位置上，梭鏢從管子的兩端伸出來C兩者都收縮，且收縮量相等，因此在某個位置，管子恰好遮住梭鏢D所有這些都與觀察者的運動情況有關【解析】如果你是在相對于管子靜止的參考系中觀察運動著的梭鏢，那么梭鏢看起來就比管子短，在某些位置梭鏢會完全處在管子內(nèi)部然而當你和梭鏢一起運動時，你看到的管子就縮短了，所以在某些位

23、置，你可以看到梭鏢兩端都伸出管子假如你在梭鏢和管子之間運動，運動的速度是在梭鏢運動的方向上，而大小是其一半，那么梭鏢和管子都相對于你運動，且速度的大小一樣，你看到這兩樣東西都縮短了，且縮短的量相同所以你看到的一切都是相對的【答案】D【點撥】觀察者所處的角度不同，相對運動的速度就不同，所以得出的結(jié)論也不盡相同變式訓練2圖示是高速列車示意圖，如果車的運行速度可以和光速相比較(理想情況)，在車內(nèi)有一個米尺，與車相平行放置，同時在地面上也放置一個和車方向平行的米尺，則從車上的乘客觀察到的地面上的米尺的長度和地面上的人觀察到的車上的米尺的長度，下列說法正確的是()A車上的人認為地面上的米尺長度大于一米B

24、地面上的人認為車上的米尺長度大于一米C兩人都認為對方米尺的長度小于一米D兩人都認為對方米尺的長度大于一米【解析】以地面為參考系，火車是在做高速運動，但是以火車為參考系，地面也是高速運動的，由于兩個慣性參考系是平行的，所以在他們上面的觀測者都發(fā)現(xiàn)對方的尺子變短了【答案】C三、時間間隔的相對性例3如圖所示，甲、乙、丙三個完全相同的時鐘，甲放在地面上，乙、丙分別放在兩架航天飛機上，航天飛機沿同一方向高速飛離地球，但是乙所在的飛機比丙所在的飛機飛得快則乙所在飛機上的觀察者認為()A走得最快的鐘是甲B走得最快的鐘是乙C走得最快的鐘是丙D走得最慢的鐘是甲【解析】根據(jù)公式可知，相對于觀察者的速度v越大，其上

25、的時間進程越慢【答案】BD【點撥】時間間隔的相對性指的是運動的鐘變慢，在乙物體上觀察，甲物體的速度最大，丙物體速度較小，自身速度為零變式訓練3如果在地面上和火車上同時有兩個完全相同的鐘表，其他條件不變，則在火車上的人觀察到的地面上的鐘表和地面上的人觀察到的火車上的鐘表()A都變慢了B都變快了C都準確 D不能確定【解析】以地面為參考系，火車是在做高速運動，但是以火車為參考系，地面也是高速運動的，由于兩個慣性參考系是平行的，所以在他們上面的觀測者都發(fā)現(xiàn)對方的時鐘變慢了【答案】A一、同時的相對性1同時的定義：同時是指兩個事件發(fā)生的時刻是一樣的2同時的相對性：在一個慣性系中同時發(fā)生的兩個事件，在另一個

26、慣性系中可能是不同時發(fā)生的，即同時是相對的3同時相對性產(chǎn)生的原因：不論光源與觀察者做怎樣的相對運動，光相對于觀察者的速度都是一樣的觀察者在不同的相對運動的慣性系中的觀察角度不同二、時間間隔的相對性時間間隔相對性的公式表示為：，為地面的觀察者所觀察到的時間，為與鐘表相對靜止的觀察者所測時間v為鐘表所在慣性系相對于觀察者運動的速度三、長度的相對性1定義：一條沿自身長度方向運動的桿，其長度總比桿靜止時的長度小2公式描述：ll0，其中l(wèi)為靜止的觀察者觀察到的長度，l0為物體靜止時的長度，v為物體相對于觀察者運動的速度1圖示是一個邊長為1 m的正方體木箱，現(xiàn)在讓這個正方體木箱沿水平方向勻速向右運動，運動

27、速度很大，為0.99c，那么這個木箱看上去應該是()A邊長不相等的長方體B邊長都縮短的正方體C近似一個薄木板D以上說法都不對【解析】在沿著運動方向上，由于木箱運動的很快，速度已經(jīng)接近光速，所以在沿著運動方向上的尺縮效應很明顯，而其他兩個方向上沒有運動，所以沒有尺縮效應看上去應該是一個薄木板【答案】C2在狹義相對論中，下列說法正確的有()A一切運動物體相對于觀察者的速度都不能大于真空中的光速B質(zhì)量、長度的測量結(jié)果都與物體相對觀察者的相對運動狀態(tài)有關C時間的測量結(jié)果與物體相對觀察者的運動狀態(tài)無關D在某一慣性系中發(fā)生于同一時刻、不同地點的兩個事件，在其他一切慣性系中也是同時發(fā)生的【解析】根據(jù)狹義相對

28、論，光速是速度的極限值，所以A正確；根據(jù)狹義相對論，長度、質(zhì)量、時間間隔都與運動狀態(tài)有關，且都給出了具體的公式，所以B對，C錯；同時是相對的，D錯【答案】AB3如圖所示，地面上M點固定一光源，在沿AB方向運行的高速列車上的A、B兩點上固定兩個光接收器，從地面上看當高速列車運動到A、B兩點離光源等距離處時，光源發(fā)出一閃光，問：(1)在地面參考系中觀測，誰先接收到光信號？(2)在沿AB方向高速運動的火車參考系中觀測，誰先接收到光信號？【解析】以地面為參考系，M發(fā)出的閃光到A、B距離不同，先傳到A，所以A先接收到光信號；若以高速運動的火車為參考系，M傳到A、B的距離相等，所以同時到達A、B兩點【答案

29、】(1)A先接收到(2)同時接收到4在我國古代的神話傳說中有“天上一天，地上一年”之說，意思是說，仙境和人間的時間是不一樣的，在仙境過上一天，人間就經(jīng)歷了一年(1)用你學過的知識說明這種時間反差能否實現(xiàn)？(2)怎樣才能實現(xiàn)傳說中的“天上一天，地上一年”？【解析】(1)根據(jù)狹義相對論的時間相對性知可以實現(xiàn)(2)坐上高速飛船游仙境即可，由，得365此飛船的運動速度uccc.【答案】(1)能(2)乘坐以光速飛行的飛船游仙境§6.3相對論的速度變換定律質(zhì)量和能量的關系 1知道相對論速度變換公式2知道相對論質(zhì)能關系3能夠利用質(zhì)能關系分析相關問題1重點難點教學重點：相對論速度變換公式教學難點：相

30、對論質(zhì)能關系2高考前瞻相對論中速度變換是高考要求的內(nèi)容，但考的頻率不高，幾乎沒有考查，以后有可能出現(xiàn)相對論質(zhì)量以及愛因斯坦質(zhì)能關系也是高考要求的內(nèi)容，高考試題中也經(jīng)常涉及此內(nèi)容，基本上以選擇題和填空題的形式出現(xiàn)3教學建議學習本節(jié)課前，要先復習狹義相對論的兩個基本結(jié)論，有了上兩節(jié)的基礎后，學習相對論的速度疊加公式不會特別的困難，相對論質(zhì)量和質(zhì)能公式也不難理解，要注意通過實例的分析(包括節(jié)后練習)認清在哪些情況下要考慮相對論效應，哪些情況下不必考慮另外，核質(zhì)量m都對應著一定質(zhì)量的能量mc2，這個公式為開發(fā)和利用原子能提供了理論基礎1相對論的速度變換定律若車對地面的速度為u ，車上的人以速度v沿著火

31、車前進的方向相對火車運動，人相對地面的速度為v，則它們之間的關系v_2相對論質(zhì)量和能量(1)狹義相對論認為物體的質(zhì)量與它所含的能量存在確定的關系，即愛因斯坦質(zhì)能關系式_(2)按照相對論觀點，愛因斯坦質(zhì)能關系式中的質(zhì)量不是一個不變的量，它和物體的速率v有關系，即m，其中m0是_時物體的質(zhì)量，m是物體_的質(zhì)量(3)在低速運動時，經(jīng)典力學中的物體質(zhì)量和靜質(zhì)量的差別很小，一般不再加以區(qū)分與靜質(zhì)量對應的能量稱為靜能量，即E0mc2，并且這里的能量(E0)是指與_能量，而不僅是某一種或幾種能量形式參考答案：1.2(1)Emc2(2)v0(或靜止)速度為v時(或運動時)(3)所研究的對象相聯(lián)系的全部主題1：

32、相對論速度變換公式情景：如圖所示，如果把圖示小船放入水中，順流而下，船在靜水中速度是3 m/s，水速是4 m/s.問題：(1)船相對于岸的速度是多少？(2)是否需要相對論速度變換公式進行計算？(3)相對論速度變換公式怎樣表達？解答：(1)根據(jù)速度合成法則，船速和水速方向相同，所以船相對于岸的速度等于船速加水速，等于 7 m/s.(2)相對論速度公式主要是計算接近光速的情況，該情況不能利用相對論速度變換公式進行計算(3)相對論的速度變換公式為v.主題2：相對論質(zhì)量情景：在經(jīng)典力學中，一個物體所受的重力會隨著它所處的高度或緯度的變化而變化，但是它的質(zhì)量不僅與所處的位置無關，還與物體的運動無關根據(jù)牛

33、頓第二定律Fma可知，由于質(zhì)量不變，只要始終對物體施加一個恒力，那么，這個物體就將保持勻加速運動，它被加速到光速時還會繼續(xù)加速，并超過光速問題：閱讀教材中“相對論質(zhì)量和能量”的有關內(nèi)容，回答上述情況有可能嗎？解答：不可能根據(jù)物體運動質(zhì)量和靜止質(zhì)量之間的關系m可知，速度越大，質(zhì)量越大，速度接近光速時，質(zhì)量趨于無窮大，加速度趨于零，所以不可能一直加速主題3：質(zhì)能方程情景：愛因斯坦質(zhì)能方程Emc2表明物體的質(zhì)量和其具有的能量存在一定的關系，但絕不能理解成物體的質(zhì)量和能量可以相互轉(zhuǎn)化物體的質(zhì)量與速度有關，用m0表示物體靜止時的質(zhì)量，用v表示物體的速度，用E表示物體運動時的能量，E0表示物體靜止時的能量

34、，Ek表示物體運動時的動能問題：推導它們存在什么關系，以此來更好地體現(xiàn)質(zhì)能方程的意義解答：物體運動時的能量Emc2，物體靜止時的能量E0 m0c2，而EE0m0v2，即EkEE0，也就是說物體增加的質(zhì)量與物體增加的能量存在數(shù)量關系，但質(zhì)量和能量不存在相互轉(zhuǎn)化的問題一、相對論速度變換公式例1假設一輛車能夠以0.5c(c表示光在真空中的速度)的速度前進，在車上向前發(fā)射一個速度為0.5c 的子彈(相對于車)(1)根據(jù)必修1和必修2中直線運動的公式進行計算，在地面上觀察到的這顆子彈的速度應該是多大？(2)根據(jù)相對論速度變換公式進行計算，在地面上觀察到的這顆子彈的速度應該是多大？(3)根據(jù)相對論速度變換

35、公式，在車上發(fā)射一個速度為0.9c的子彈時，其相對地面的速度是否會超過光速？【解析】(1)根據(jù)速度的合成，兩個速度為0.5c，且方向相同，所以合速度等于c.(2)根據(jù)相對論速度變化公式v，代入數(shù)據(jù)得到v0.8c.(3)根據(jù)相對論速度變化公式可知，子彈相對地面的速度不可能超過光速【答案】(1)c(2)0.8c(3)不會【點撥】經(jīng)典的速度合成公式和相對論速度變換公式是不同的，在物體運動的速度和光速在一個數(shù)量級上，應該按照相對論速度的變換公式變式訓練1假設未來的高速列車速度是0.5c(c表示光在真空中的速度)，在列車行駛的過程中打開列車前面的燈，路邊上的人觀察到列車上的燈光的傳播速度v1是多少？在車

36、內(nèi)將一個物體以0.2c(相對于車)的速度向車后水平拋出，路邊上的人觀察到物體水平拋出的速度v2是多少？【解析】根據(jù)光速不變原理可知，光速相對于任何參考系都是不變的v1c；根據(jù)速度疊加原理v2，代入數(shù)據(jù)得到v2c.【答案】cc二、相對論質(zhì)量例2某物體的速度使其質(zhì)量增加10%，則此物體在其運動方向上縮短了的尺寸約為自身運動方向長度的多少？()A10%B90%C.D.【解析】設靜止時物體質(zhì)量為m0，物體運動速度為v，物體運動方向長度為l根據(jù)相對論質(zhì)量關系可知，110%，根據(jù)尺縮效應公式知ll，故11.【答案】D【點撥】先根據(jù)質(zhì)量相對性求出1的數(shù)值，再根據(jù)長度的相對性的公式求出相對論長度變式訓練2關于

37、質(zhì)量和長度，下列說法正確的是()A物體的質(zhì)量與位置、運動狀態(tài)無任何關系，是物質(zhì)本身屬性B物體的質(zhì)量與位置、運動狀態(tài)有關，只是在速度較低的情況下，變化忽略不計C物體的長度與運動狀態(tài)無關，是物質(zhì)本身的屬性D物體的長度與運動狀態(tài)有關，只是在速度較低的情況下，變化忽略不計【解析】相對論認為，物體的質(zhì)量和長度都是與物體運動的速度有關，當速度接近光速時，由速度帶來的影響要考慮進去【答案】BD三、質(zhì)能方程例3一核彈含20 kg的钚，爆炸后生成的靜止質(zhì)量比原來小.求爆炸中釋放的能量【解析】由愛因斯坦質(zhì)能方程可解釋放出的能量爆炸前后質(zhì)量變化：m×20 kg0.002 kg釋放的能量為Emc20.002

38、×(3×108)2 J1.8×1014 J.【答案】1.8×1014 J【點撥】一定的質(zhì)量總是和一定的能量相對應一、相對論速度變換公式表達式：v說明：(1)對于低速v與u與光速相比很小時，vvu，這就是經(jīng)典物理學的速度合成法則(2)對于高速u與光速相等時，即uc，不論v如何取值，在什么參考系中觀察，光速都是c.注意這一公式僅適用于u、v在一直線上的情況，當u與v相反時，v取負值二、相對論質(zhì)量表達式：m.說明：由公式可以看出隨v的增加，物體的質(zhì)量隨之增大三、質(zhì)能方程表達式：E mc2.說明：對于靜止質(zhì)量的粒子，該方程揭示了其所具有的能量與質(zhì)量間的數(shù)量關系1

39、回旋加速器在對粒子進行加速時，當加速到一定的數(shù)值時，速度不再增加而不增加的原因是當速度增加到某一值，電場變換的周期和粒子在磁場中運動的周期不相等了，所以不能繼續(xù)加速，關于周期變化的原因，下列說法正確的是()A質(zhì)量的變化引起粒子在磁場中運動周期的變化B人為的進行調(diào)整，怕速度超過光速C由于回旋加速器的D型盒的半徑太小，所以粒子要離開磁場了D以上猜想都不對【解析】物體的質(zhì)量在低速情況下和靜止質(zhì)量相差不多，但是當物體速度逐漸增大，速度對質(zhì)量的影響將會越來越大，從而改變了粒子在磁場中的運行周期【答案】A2正負電子的靜止質(zhì)量均為m0，當一個正電子和一個負電子相遇時可以發(fā)生湮滅現(xiàn)象，即兩電子消失而產(chǎn)生一對相

40、同的光子，則每個光子的能量為()Am0c2B2m0c2C.m0c2D.m0c2【解析】光子能量的來源是電子質(zhì)量的損失，每個電子由于質(zhì)量而具有的能量是Em0c2，兩個電子總共具有的能量是2m0c2.【答案】A3假如兔子相對你的速度是0.8c，而它看到前面小蝴蝶向前飛的速度又是0.5c，那么你將看到小蝴蝶的速度是多少呢？【解析】據(jù)速度變換公式v，代入數(shù)據(jù)得到v0.93c.即從你的角度出發(fā)，看到的小蝴蝶的速度是0.93c，而不是1.3c.【答案】0.93c4如果一個運動的粒子的總能量是靜能量的k倍，求該粒子的速度【解析】粒子總能量Emc2km0c2所以mkm0即vc.【答案】§6.4廣義相

41、對論點滴 1知道廣義相對性原理和等效原理2根據(jù)廣義相對論原理，能夠知道廣義相對論的一些常見的結(jié)論3了解宇宙的演化過程1重點難點教學重點：廣義相對論的兩個等效原理教學難點：廣義相對論的一些常見的結(jié)論2高考前瞻廣義相對論的兩個原理和幾個結(jié)論不在高考范圍3教學建議對于廣義相對論，只要讓學生了解廣義相對論的一些常見的結(jié)論，知道有些事實支持廣義相對論，可讓學生進行自由討論1廣義相對性原理和等效原理(1)在狹義相對論中，在不同慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的，愛因斯坦在狹義相對論的基礎上，把相對性原理推廣到包括非慣性參考系在內(nèi)的任意參考系，在_中，物理規(guī)律都是相同，這就是廣義相對性原理(2)我們無法判

42、斷，在一個封閉的電梯內(nèi)，物體加速運動是由引力引起的還是參考系相對于物體運動造成的一個_的加速度系統(tǒng)跟一個_的慣性系統(tǒng)是等效的，這就是等效原理(3)廣義相對論的幾個結(jié)論光在引力場中傳播時，將發(fā)生_，而不是_引力作用使光波發(fā)生頻移，即“_”或“_”在引力場中時間也會延緩，引力越強，時鐘就走得_有質(zhì)量的物體存在加速度時，會向外界輻射出_2宇宙的演化(1)宇宙起源大家比較公認的學說是大爆炸學說，宇宙現(xiàn)在處于體積不斷_，溫度不斷_的過程中(2)根據(jù)大爆炸學說，大爆炸的初期，1043 s時，宇宙的密度是1093 kg/m3，溫度是1032 K，宇宙是混沌一團；106 s時，溫度是1013 K，出現(xiàn)了電子、

43、正電子；1 min時，溫度降到109 K，質(zhì)子和中子結(jié)合成氦核；約10億年時，開始形成_；約100億年時，出現(xiàn)_；約120億年時，地球上出現(xiàn)生命；約137億年時出現(xiàn)了_，百萬年后出現(xiàn)了現(xiàn)代文明，宇宙溫度降到了3 K.參考答案：1(1)任何參考系(2)不受引力作用受引力作用(3)偏折直線傳播紅移藍移越慢引力波2(1)膨脹降低(2)恒星和星系銀河系、太陽和行星人類主題1：廣義相對性原理和等效原理情景：在1905年發(fā)表狹義相對論之后，愛因斯坦就意識到狹義相對論還有兩個問題沒有解決，這兩個問題是：非慣性系的問題和引力的問題問題：為了解決這兩個問題，愛因斯坦是怎樣把這兩個問題納入相對論的軌道之中的？解決

44、的方法是什么？解答：為了解決這兩個問題，愛因斯坦提出兩個原理，廣義相對性原理和等效原理，廣義相對性原理解決了狹義相對論中慣性參考系的問題，等效原理解決了萬有引力的問題主題2：廣義相對論的結(jié)論情景：圖甲是愛因斯坦做的一個理想實驗，如果在遙遠的宇宙里有一間房子，這間房子里面有一切必要的實驗用具，墻上有一個光線發(fā)射體，如果房子是慣性系，由光速不變原理可以知道，由墻上的光線發(fā)射體發(fā)出的光束就會沿著直線直接對穿正對面墻上的小孔，從房子里射出問題：如果房子向上加速運動，如圖乙所示，它就不再是慣性參考系，那么這束光還會不會從小孔射出？其軌跡應該是什么樣的呢，請您大致的畫一下解答：不會，光線由于房子加速會發(fā)生

45、彎曲，如圖丙所示主題3：宇宙情景：宇宙的起源一直是天文學中非常有意義的話題，宇宙學中大爆炸理論被很多科學家認可，它的基本觀點是宇宙正在膨脹問題：說說你對宇宙的認識解答：宇宙是所有時間和空間的總稱，宇宙不是從來就有的，也不是無邊無際的，宇宙現(xiàn)在還處于膨脹時期，今后可能一直膨脹，也可能膨脹到一定程度就收縮主題4：黑洞問題：關注宇宙的同學們都對黑洞感興趣，通過查閱相關的資料，回答下列問題(1)黑洞是什么？(2)黑洞是怎樣發(fā)現(xiàn)的？(3)太陽的“明天”會是什么？會不會是黑洞？解答：(1)黑洞是體積很小、密度很大的天體，任何進入這個天體區(qū)域的物質(zhì)，包括光線，都無法擺脫它巨大的引力，所以人們是看不見它的(2

46、)我們不能直接觀察到黑洞，但是黑洞可以與鄰近的恒星構(gòu)成雙星系統(tǒng)，從地球上看來，那可見的恒星便好像與一個看不見的天體不停地跳華爾茲，根據(jù)它的運動程度可推算出那看不見天體的質(zhì)量此外，黑洞的巨大引力使伴星的氣體物質(zhì)以螺旋軌道沖進黑洞，由于被急劇壓縮，物質(zhì)的溫度變得很高，從而產(chǎn)生X射線和射線，在地球上觀察這些射線，便可找到黑洞存在的證據(jù)(3)太陽正處于恒星的主序星階段，恒星在這個階段停留的時間最長、最穩(wěn)定恒星進入了老年期可能成為紅巨星或超新星恒星最終可能成為白矮星或中子星或黑洞. 一、廣義相對論例1如圖所示，假設我們在沒有引力的太空中，我們站在一臺加速上升的電梯內(nèi)(加速度為g)釋放一塊石頭，看到石頭以

47、加速度g落向地板，如果站在地球上的靜止在地面上的電梯內(nèi)釋放石塊，石頭由于重力而下落，如果電梯封閉的很好，你站在電梯中，你是否能夠分清您是在太空中的電梯里還是在地面上的電梯里？【解析】因為這兩種情況產(chǎn)生的效果是完全相同的，而慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量又相等，所以不能進行判別【答案】不能【點撥】一個均勻的引力場與一個做勻加速運動的參考系等價變式訓練1在遠離一切星體的太空中，作為一艘加速(加速度大于重力加速度g)運行的飛船上的乘客，你觀察自己的重量比在地球上是大、是小還是不變？如果飛船是勻速運動呢？【解析】如果在加速運動的飛船里進行測量，并且飛船的加速度大于重力加速度時，測得的重量比在地球上大，如果是勻速運動，則測量的重量為零【答案】見解析二、廣義相對論的幾個結(jié)論例2按照愛因斯坦的廣義相對論，下列說法正確的是()A天體之間的引力作用是時空彎曲的原因B光線經(jīng)過太陽附近時會發(fā)生彎曲C氫原子發(fā)射的光從太陽傳播到太空時，它的頻率會變低D光在真空中任何情況下都是沿直線傳播的【解析】根據(jù)廣義相對論，物質(zhì)的引力會使光線彎曲引力越強彎曲越厲害，因此在地球上看星體看到的位置與實際位置不符在引力強的星球附近時間進程會變慢，引力勢能的變化會引起波