第5章 5.3 奇特的相對(duì)論效應(yīng)+5.4 走近廣義相對(duì)論+5.5 無(wú)窮的宇宙

1、.5.3奇特的相對(duì)論效應(yīng)5.4走近廣義相對(duì)論5.5無(wú)窮的宇宙學(xué) 習(xí) 目 標(biāo)知 識(shí) 脈 絡(luò)1.通過(guò)推理，知道時(shí)間間隔的相對(duì)性和長(zhǎng)度的相對(duì)性.重點(diǎn)、難點(diǎn)2.知道相對(duì)論質(zhì)量、愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程.重點(diǎn)、難點(diǎn)3.初步理解廣義相對(duì)論的幾個(gè)主要觀點(diǎn).奇 特 的 相 對(duì) 論 效 應(yīng)1.運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘延緩1經(jīng)典的時(shí)空觀某兩個(gè)事件，在不同的慣性系中觀察，它們的時(shí)間間隔總是一樣的.2相對(duì)論的時(shí)空觀物體所在的慣性系相對(duì)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(guò)程的時(shí)間就越長(zhǎng).慣性系中的一切物理、化學(xué)過(guò)程和生命過(guò)程都變慢了.3相對(duì)時(shí)間間隔公式設(shè)t表示靜止的慣性系中觀測(cè)的時(shí)間間隔，t表示以v高速運(yùn)動(dòng)的參考系中觀察同樣兩

2、事件的時(shí)間間隔，那么它們的關(guān)系是：t.2.運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度收縮1經(jīng)典的時(shí)空觀一條桿的長(zhǎng)度不會(huì)因?yàn)橛^察者是否與桿做相對(duì)運(yùn)動(dòng)而不同.2相對(duì)論的時(shí)空觀“長(zhǎng)度也具有相對(duì)性，一條沿自身長(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng)的桿，其長(zhǎng)度總比靜止長(zhǎng)度小，但在垂直于桿的運(yùn)動(dòng)方向上，桿的長(zhǎng)度沒(méi)有變化.3相對(duì)長(zhǎng)度公式設(shè)相對(duì)于桿靜止的觀察者認(rèn)為桿的長(zhǎng)度為l0，與桿有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的人認(rèn)為桿的長(zhǎng)度為l，桿相對(duì)于觀察者的速度為v，那么l、l0、v的關(guān)系是ll0.3.愛(ài)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(zhǎng)時(shí)間后物體可以到達(dá)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(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量

3、m與靜止時(shí)的質(zhì)量m0之間的關(guān)系是：m，因?yàn)榭傆衯c.可知運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量m總要大于它靜止時(shí)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(duì)論的時(shí)空觀，“同時(shí)具有相對(duì)性.2.相對(duì)論時(shí)空觀認(rèn)為，運(yùn)動(dòng)的桿比靜止的桿長(zhǎng)度變大.×3.高速飛行的火箭中的時(shí)鐘要變慢.4.愛(ài)因斯坦通過(guò)質(zhì)能方程說(shuō)明物體的質(zhì)量就是能量.×1.尺子沿任何方向運(yùn)動(dòng)其長(zhǎng)度都縮短嗎？【提示】尺子沿其長(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng)時(shí)縮短，在垂直于運(yùn)動(dòng)方向長(zhǎng)度不變.2.以任何速度運(yùn)動(dòng)，時(shí)間延緩效應(yīng)都很顯著嗎？【提示】不是.當(dāng)vc時(shí)，時(shí)間延緩效應(yīng)顯著；當(dāng)vc時(shí)，時(shí)間延緩效應(yīng)可忽略.1.“動(dòng)尺縮短狹義相

4、對(duì)論中的長(zhǎng)度公式ll0中，l0是相對(duì)于桿靜止的觀察者測(cè)出的桿的長(zhǎng)度，而l可以認(rèn)為是桿沿自己的長(zhǎng)度方向以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)，靜止的觀察者測(cè)量的長(zhǎng)度.2.“動(dòng)鐘變慢時(shí)間間隔的相對(duì)性公式t中，t是相對(duì)事件發(fā)生地靜止的觀察者測(cè)量同一地點(diǎn)的兩個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間間隔，而t是相對(duì)于事件發(fā)生地以速度v高速運(yùn)動(dòng)的觀察者測(cè)量同一地點(diǎn)的同樣兩個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間間隔.3.分析時(shí)間間隔和長(zhǎng)度變化時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題1時(shí)間間隔、長(zhǎng)度的變化，都是由于物質(zhì)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的一種觀測(cè)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(méi)有變化.2兩個(gè)事件的時(shí)間間隔和物體的長(zhǎng)度，必須與所選取的參考系相聯(lián)絡(luò)，假如在沒(méi)有選取參考系的情況下討論時(shí)間的長(zhǎng)短及空

5、間的尺寸，是沒(méi)有任何意義的.4.相對(duì)論質(zhì)量公式的理解1式中m0是物體靜止時(shí)的質(zhì)量也稱為靜質(zhì)量，m是物體以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量，這個(gè)關(guān)系式稱為相對(duì)論質(zhì)速關(guān)系，它說(shuō)明物體的質(zhì)量會(huì)隨速度的增大而增大.2微觀粒子的運(yùn)動(dòng)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(huì)變大，導(dǎo)致做圓周運(yùn)動(dòng)的周期變大后，它的運(yùn)動(dòng)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(duì)質(zhì)能方程的理解愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程Emc2.它表達(dá)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(duì)應(yīng).1靜止物體所對(duì)應(yīng)的能量為E0m0c2，這種

6、能量稱為物體的靜質(zhì)能，每個(gè)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(dāng)質(zhì)量減少m時(shí)，要釋放出Emc2的能量.3物體的總能量E為動(dòng)能Ek與靜質(zhì)能E0之和，即EEkE0mc2m為物體運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量.1.星際火箭以0.8c的速率飛行，其運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量mm0，即其運(yùn)動(dòng)質(zhì)量為靜止質(zhì)量的倍.【答案】 2.地面上長(zhǎng)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(guò)，那么火箭上的人看到鐵路的長(zhǎng)度應(yīng)該為多少？假如火箭的速度到達(dá)0.6c，那么火箭上的人看到的鐵路的長(zhǎng)度又是多少？【解析】當(dāng)火箭

7、速度較低時(shí)，長(zhǎng)度根本不變，還是100 km.當(dāng)火箭的速度到達(dá)0.6c時(shí)，由相對(duì)論長(zhǎng)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(duì)論“效應(yīng)解題的一般步驟1.應(yīng)該通過(guò)審題確定研究對(duì)象及研究對(duì)象的運(yùn)動(dòng)速度.2.明確求解的問(wèn)題，即明確求解靜止參考系中的觀察結(jié)果，還是運(yùn)動(dòng)參考系中的觀察結(jié)果.3.應(yīng)用“尺縮效應(yīng)公式或“時(shí)間延緩效應(yīng)公式進(jìn)展計(jì)算.走 近 廣 義 相 對(duì) 論1.廣義相對(duì)論的根本原理1廣義相對(duì)性原理：在任何參考系中，物理過(guò)程和規(guī)律都是一樣的.2等效原理：一個(gè)均勻引力場(chǎng)與一個(gè)做勻加速運(yùn)動(dòng)的參考系等價(jià).2.廣義相對(duì)論的幾個(gè)結(jié)論1光線在引

8、力場(chǎng)中彎曲.2引力場(chǎng)的存在使得空間不同位置的時(shí)間進(jìn)程出現(xiàn)偏向引力紅移.1.萬(wàn)有引力定律適用于狹義相對(duì)論.×2.廣義相對(duì)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(duì)論提出光線會(huì)在引力場(chǎng)中沿直線傳播.×地球外表有引力，為什么說(shuō)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(chǎng)很弱，對(duì)光的傳播方向影響很小，所以認(rèn)為光沿直線傳播.1.廣義相對(duì)論的兩個(gè)根本原理的理解1廣義相對(duì)性原理：愛(ài)因斯坦把狹義相對(duì)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(duì)于描繪物理規(guī)律和物理現(xiàn)象來(lái)說(shuō)都是平等的，無(wú)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(gè)

9、均勻的引力場(chǎng)與一個(gè)做勻加速運(yùn)動(dòng)的參考系的慣性力場(chǎng)有等效性.2.光線在引力場(chǎng)中彎曲：根據(jù)廣義相對(duì)論，物質(zhì)的引力會(huì)使光線彎曲，引力場(chǎng)越強(qiáng)，彎曲越厲害.通常物體的引力場(chǎng)都太弱，但太陽(yáng)引力場(chǎng)卻能引起光線比較明顯的彎曲.3.引力紅移：按照廣義相對(duì)論，引力場(chǎng)的存在使得空間不同位置的時(shí)間進(jìn)程出現(xiàn)差異.例如，在強(qiáng)引力的星球附近，時(shí)間進(jìn)程會(huì)變慢，因此光振動(dòng)會(huì)變慢，相應(yīng)的光的波長(zhǎng)變長(zhǎng)、頻率變小，光譜線會(huì)發(fā)生向紅光一端挪動(dòng)的現(xiàn)象.廣義相對(duì)論所作出的以上預(yù)言全部被實(shí)驗(yàn)觀測(cè)證實(shí).還有其他一些事實(shí)也支持廣義相對(duì)論.目前，廣義相對(duì)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(shuō)法中正確的選項(xiàng)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(qiáng)引力的星球附近，時(shí)間進(jìn)程會(huì)變慢D.在強(qiáng)引力的星球附近，時(shí)間進(jìn)程會(huì)變快E.廣義相對(duì)論可以解釋引力紅移現(xiàn)象【解析】根據(jù)廣義相對(duì)論的幾個(gè)結(jié)論可知，選項(xiàng)A、C、E正確，B、D錯(cuò)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(yùn)動(dòng)，一束光垂直于運(yùn)動(dòng)方向在飛船內(nèi)傳播，以下說(shuō)法中正確的選項(xiàng)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(chǎng)等效于引力場(chǎng)【解析】在慣性參考系中，光是沿直線傳播的，故A正確，B錯(cuò)誤.而在非慣性參考系中，因?yàn)橛邢鄬?duì)加速度，根據(jù)等效原理，光將做曲線運(yùn)動(dòng)，D正確，C錯(cuò)誤