第5章 5.3 奇特的相對論效應(yīng)+5.4 走近廣義相對論+5.5 無窮的宇宙

1、.5.3奇特的相對論效應(yīng)5.4走近廣義相對論5.5無窮的宇宙學(xué) 習(xí) 目 標知 識 脈 絡(luò)1.通過推理，知道時間間隔的相對性和長度的相對性.重點、難點2.知道相對論質(zhì)量、愛因斯坦質(zhì)能方程.重點、難點3.初步理解廣義相對論的幾個主要觀點.奇 特 的 相 對 論 效 應(yīng)1.運動時鐘延緩1經(jīng)典的時空觀某兩個事件，在不同的慣性系中觀察，它們的時間間隔總是一樣的.2相對論的時空觀物體所在的慣性系相對于我們所在慣性系的速度越大，我們所觀察到的某一物理過程的時間就越長.慣性系中的一切物理、化學(xué)過程和生命過程都變慢了.3相對時間間隔公式設(shè)t表示靜止的慣性系中觀測的時間間隔，t表示以v高速運動的參考系中觀察同樣兩

2、事件的時間間隔，那么它們的關(guān)系是：t.2.運動長度收縮1經(jīng)典的時空觀一條桿的長度不會因為觀察者是否與桿做相對運動而不同.2相對論的時空觀“長度也具有相對性，一條沿自身長度方向運動的桿，其長度總比靜止長度小，但在垂直于桿的運動方向上，桿的長度沒有變化.3相對長度公式設(shè)相對于桿靜止的觀察者認為桿的長度為l0，與桿有相對運動的人認為桿的長度為l，桿相對于觀察者的速度為v，那么l、l0、v的關(guān)系是ll0.3.愛因斯坦質(zhì)量公式和質(zhì)能關(guān)系1經(jīng)典力學(xué)物體的質(zhì)量是不變的，一定的力作用在物體上產(chǎn)生一定的加速度，足夠長時間后物體可以到達任意的速度.2質(zhì)量公式物體的質(zhì)量隨物體速度增加而增大.物體以速度v運動時的質(zhì)量

3、m與靜止時的質(zhì)量m0之間的關(guān)系是：m，因為總有vc.可知運動物體的質(zhì)量m總要大于它靜止時的質(zhì)量m0.3質(zhì)能關(guān)系關(guān)系式為Emc2，式中m是物體的質(zhì)量，E是它具有的能量.1.根據(jù)相對論的時空觀，“同時具有相對性.2.相對論時空觀認為，運動的桿比靜止的桿長度變大.×3.高速飛行的火箭中的時鐘要變慢.4.愛因斯坦通過質(zhì)能方程說明物體的質(zhì)量就是能量.×1.尺子沿任何方向運動其長度都縮短嗎？【提示】尺子沿其長度方向運動時縮短，在垂直于運動方向長度不變.2.以任何速度運動，時間延緩效應(yīng)都很顯著嗎？【提示】不是.當vc時，時間延緩效應(yīng)顯著；當vc時，時間延緩效應(yīng)可忽略.1.“動尺縮短狹義相

4、對論中的長度公式ll0中，l0是相對于桿靜止的觀察者測出的桿的長度，而l可以認為是桿沿自己的長度方向以速度v運動時，靜止的觀察者測量的長度.2.“動鐘變慢時間間隔的相對性公式t中，t是相對事件發(fā)生地靜止的觀察者測量同一地點的兩個事件發(fā)生的時間間隔，而t是相對于事件發(fā)生地以速度v高速運動的觀察者測量同一地點的同樣兩個事件發(fā)生的時間間隔.3.分析時間間隔和長度變化時應(yīng)注意的問題1時間間隔、長度的變化，都是由于物質(zhì)的相對運動引起的一種觀測效應(yīng)，它與所選取的參考系有關(guān)，物質(zhì)本身的構(gòu)造并沒有變化.2兩個事件的時間間隔和物體的長度，必須與所選取的參考系相聯(lián)絡(luò)，假如在沒有選取參考系的情況下討論時間的長短及空

5、間的尺寸，是沒有任何意義的.4.相對論質(zhì)量公式的理解1式中m0是物體靜止時的質(zhì)量也稱為靜質(zhì)量，m是物體以速度v運動時的質(zhì)量，這個關(guān)系式稱為相對論質(zhì)速關(guān)系，它說明物體的質(zhì)量會隨速度的增大而增大.2微觀粒子的運動速度很大，它的質(zhì)量明顯大于光子質(zhì)量，像盤旋加速器中被加速的粒子質(zhì)量會變大，導(dǎo)致做圓周運動的周期變大后，它的運動與加在D形盒上的交變電壓不再同步，盤旋加速器的加速能量因此受到了限制.3微觀粒子的速度很大，因此粒子質(zhì)量明顯大于靜質(zhì)量.5.對質(zhì)能方程的理解愛因斯坦質(zhì)能方程Emc2.它表達了物體的質(zhì)量和它所具有的能量關(guān)系：一定的質(zhì)量總是和一定的能量相對應(yīng).1靜止物體所對應(yīng)的能量為E0m0c2，這種

6、能量稱為物體的靜質(zhì)能，每個有靜質(zhì)量的物體都有靜質(zhì)能.2由質(zhì)能關(guān)系式可得Emc2.其中m表示質(zhì)量的變化量，該式意味著當質(zhì)量減少m時，要釋放出Emc2的能量.3物體的總能量E為動能Ek與靜質(zhì)能E0之和，即EEkE0mc2m為物體運動時的質(zhì)量.1.星際火箭以0.8c的速率飛行，其運動質(zhì)量為靜止質(zhì)量的多少倍？【解析】設(shè)星際火箭的靜止質(zhì)量為m0，其運動時的質(zhì)量mm0，即其運動質(zhì)量為靜止質(zhì)量的倍.【答案】 2.地面上長100 km的鐵路上空有一火箭沿鐵路方向以30 km/s的速度掠過，那么火箭上的人看到鐵路的長度應(yīng)該為多少？假如火箭的速度到達0.6c，那么火箭上的人看到的鐵路的長度又是多少？【解析】當火箭

7、速度較低時，長度根本不變，還是100 km.當火箭的速度到達0.6c時，由相對論長度公式ll0，代入相應(yīng)的數(shù)據(jù)解得：l100× km80 km.【答案】100 km80 km應(yīng)用相對論“效應(yīng)解題的一般步驟1.應(yīng)該通過審題確定研究對象及研究對象的運動速度.2.明確求解的問題，即明確求解靜止參考系中的觀察結(jié)果，還是運動參考系中的觀察結(jié)果.3.應(yīng)用“尺縮效應(yīng)公式或“時間延緩效應(yīng)公式進展計算.走 近 廣 義 相 對 論1.廣義相對論的根本原理1廣義相對性原理：在任何參考系中，物理過程和規(guī)律都是一樣的.2等效原理：一個均勻引力場與一個做勻加速運動的參考系等價.2.廣義相對論的幾個結(jié)論1光線在引

8、力場中彎曲.2引力場的存在使得空間不同位置的時間進程出現(xiàn)偏向引力紅移.1.萬有引力定律適用于狹義相對論.×2.廣義相對論提出在任何參考系中物理規(guī)律都是一樣的.3.廣義相對論提出光線會在引力場中沿直線傳播.×地球外表有引力，為什么說在地球外表均勻介質(zhì)中光沿直線傳播？【提示】地球外表的引力場很弱，對光的傳播方向影響很小，所以認為光沿直線傳播.1.廣義相對論的兩個根本原理的理解1廣義相對性原理：愛因斯坦把狹義相對性原理從慣性參考系推廣到了非慣性系在內(nèi)的所有參考系，一切參考系對于描繪物理規(guī)律和物理現(xiàn)象來說都是平等的，無論用什么參考系，物理規(guī)律都是一樣的.2等效原理：在物理學(xué)中，一個

9、均勻的引力場與一個做勻加速運動的參考系的慣性力場有等效性.2.光線在引力場中彎曲：根據(jù)廣義相對論，物質(zhì)的引力會使光線彎曲，引力場越強，彎曲越厲害.通常物體的引力場都太弱，但太陽引力場卻能引起光線比較明顯的彎曲.3.引力紅移：按照廣義相對論，引力場的存在使得空間不同位置的時間進程出現(xiàn)差異.例如，在強引力的星球附近，時間進程會變慢，因此光振動會變慢，相應(yīng)的光的波長變長、頻率變小，光譜線會發(fā)生向紅光一端挪動的現(xiàn)象.廣義相對論所作出的以上預(yù)言全部被實驗觀測證實.還有其他一些事實也支持廣義相對論.目前，廣義相對論已經(jīng)在宇宙構(gòu)造、宇宙演化等方面發(fā)揮了主要作用.3.以下說法中正確的選項是A.物體的引力使光線

10、彎曲B.光線彎曲的原因是介質(zhì)不均勻而非引力作用C.在強引力的星球附近，時間進程會變慢D.在強引力的星球附近，時間進程會變快E.廣義相對論可以解釋引力紅移現(xiàn)象【解析】根據(jù)廣義相對論的幾個結(jié)論可知，選項A、C、E正確，B、D錯誤.【答案】ACE4.在引力可以忽略的空間有一艘宇宙飛船在做勻加速直線運動，一束光垂直于運動方向在飛船內(nèi)傳播，以下說法中正確的選項是A.船外靜止的觀察者看到這束光是沿直線傳播的B.船外靜止的觀察者看到這束光是沿曲線傳播的C.航天員以飛船為參考系看到這束光是沿直線傳播的D.航天員以飛船為參考系看到這束光是沿曲線傳播的E.在加速參考系中的慣性力場等效于引力場【解析】在慣性參考系中，光是沿直線傳播的，故A正確，B錯誤.而在非慣性參考系中，因為有相對加速度，根據(jù)等效原理，光將做曲線運動，D正確，C錯誤