第5章 第3節(jié) 質(zhì)能方程與相對論速度合成定理 第4節(jié) 廣義相對論 第5節(jié) 宇宙學(xué)簡介

1、.第三節(jié)質(zhì)能方程與相對論速度合成定理第四節(jié)廣義相對論第五節(jié)宇宙學(xué)簡介13分通常我們把地球和相對地面靜止或勻速運動的物體參考系看成是慣性系，假設(shè)以以下系統(tǒng)為參考系，那么屬于非慣性系的有A停在地面上的汽車B繞地球做勻速圓周運動的飛船C在大海上勻速直線航行的輪船D以較高速度勻速運動的磁懸浮列車【解析】由慣性系概念知B屬于非慣性系，B項正確【答案】B23分以下說法中正確的選項是A經(jīng)典物理中的速度合成公式在任何情況下都是適用的B經(jīng)典物理規(guī)律也適用于高速運動的物體C力學(xué)規(guī)律在一個靜止的參考系和一個勻速運動的參考系中是不等價的D力學(xué)規(guī)律在任何慣性系里都是等價的【解析】經(jīng)典力學(xué)適用于低速宏觀物體B錯；經(jīng)典物理

2、中速度合成公式 適用于慣性系A(chǔ)錯；力學(xué)規(guī)律在慣性系中都成立，C錯【答案】D34分關(guān)于狹義相對論的說法，不正確的選項是A狹義相對論認(rèn)為在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是一樣的B狹義相對論認(rèn)為在一切慣性系中，光在真空中的速度都等于c，與光源的運動無關(guān)C狹義相對論只涉及無加速運動的慣性系D狹義相對論任何情況下都適用【解析】狹義相對論只適用于慣性系，D錯【答案】D課 標(biāo) 導(dǎo) 思1.知道相對論速度變換公式，相對論質(zhì)量和質(zhì)能方程.2.理解廣義相對論的根本原理.3.初步理解廣義相對論的幾個主要觀點以及主要觀測證據(jù).4.理解宇宙的演化及宇宙學(xué)的新進(jìn)展. 學(xué)生P65一、狹義相對論的其他結(jié)論1相對論質(zhì)量物體以

3、速度v運動時的質(zhì)量m與靜止時的質(zhì)量m0之間的關(guān)系是：m，因為總有v<c.可知運動物體的質(zhì)量m總要大于它靜止時的質(zhì)量m0.2質(zhì)能方程關(guān)系式：Emc2，式中m是物體的質(zhì)量，E是它具有的能量3相對論速度變換公式1公式：設(shè)高速行駛的火車的速度為v，車上的人相對火車以速度u運動，那么人相對地面的速度為u.2結(jié)論：光速c是宇宙速度的極限，且相對任何參考系，光速都是不變的二、廣義相對論簡介1狹義相對論無法解決的問題1萬有引力理論無法納入狹義相對論框架2慣性參考系在狹義相對論中具有特殊的地位2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規(guī)律都是一樣的2等效原理：一個均勻的引力場與一個做勻加速

4、運動的參考系等價3廣義相對論的幾個結(jié)論1光線在引力場中偏轉(zhuǎn)2引力場的存在使得空間不同位置的時間進(jìn)程出現(xiàn)偏向引力紅移3水星近日點的進(jìn)動，行星的軌道并不是嚴(yán)格閉合的，它們的近日點或遠(yuǎn)日點有進(jìn)動三、宇宙學(xué)簡介1人類對宇宙演化的認(rèn)識1愛因斯坦的有限無界宇宙模型；由彎曲空間構(gòu)成，沒有邊界、沒有中心，宇宙中有物質(zhì)，但在整體上是無運動的，所以這是一個有限的、靜態(tài)的宇宙2動態(tài)宇宙模型：英國科學(xué)家家丁頓和蘇聯(lián)科學(xué)家費里德曼提出了動態(tài)的宇宙模型，認(rèn)為宇宙中的物質(zhì)分布是均勻的，從各個方向看都是一樣的，并隨時間的變化，宇宙在不斷地膨脹320世紀(jì)40年代，美籍蘇聯(lián)科學(xué)家伽莫夫開展了勒海特的理論，提出了宇宙大爆炸學(xué)說，使

5、人們對宇宙創(chuàng)生和演化的過程有了新的認(rèn)識2宇宙學(xué)的新進(jìn)展20世紀(jì)后半期，科學(xué)家在宇宙探究中開展了許多新奇的現(xiàn)象；超新星的爆發(fā)、驚人的中子星、令人困惑的類星體、可怕的“黑洞、有趣的“百洞和“蟲洞、準(zhǔn)確的脈沖星、神秘的時空隧道、不可捉摸的反物質(zhì)、大量存在的暗物質(zhì)等等 學(xué)生P65一、對相對論速度變換公式的理解1公式中的v和u假如滿足：vc，uc，可忽略不計，這時相對論的速度合成公式可近似的變?yōu)閡uv.與經(jīng)典物理學(xué)的速度合成公式一樣2假如u與v的方向不在一條直線上互相垂直或成其他角度時，情況比較復(fù)雜，上式不適用二、對質(zhì)速關(guān)系式m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

6、這個關(guān)系式說明：物體的質(zhì)量會隨物體的速度的增大而增大2vc時，20，此時有mm0，也就是說：低速運動的物體，可認(rèn)為其質(zhì)量與物體運動狀態(tài)無關(guān)3微觀粒子的速度很高，因此粒子運動的質(zhì)量明顯大于靜質(zhì)量例如：盤旋加速器中被加速的粒子的質(zhì)量會隨粒子的加速明顯增加導(dǎo)致粒子圓周運動的周期變大它的運動與加在D形盒上的交變電壓不再同步盤旋加速器加速粒子的最大能量因此受到了限制三、對質(zhì)能方程的理解質(zhì)能方程表達(dá)了物體的質(zhì)量和它所具有的能量的關(guān)系：一定的質(zhì)量總與一定的能量相對應(yīng)，詳細(xì)從以下幾個方面理解：1靜止物體的能量為E0m0c2，這種能量叫做物體的靜質(zhì)能每個有靜質(zhì)量的物體都具有靜質(zhì)能2對于一個以速率v運動的物體，其

7、動能Ekm0c2.3物體的總能量E為動能與靜質(zhì)能之和，即EEkE0mc2m為動質(zhì)量4由質(zhì)能關(guān)系式可知Emc2.四、廣義相對論的根本原理1廣義相對論的根本原理1廣義相對性原理：愛因斯坦把狹義相對性原理從勻速和靜止參考系推廣到做加速運動的參考系，認(rèn)為所有的參考系都是平權(quán)的，不管它們是慣性系還是非慣性系，對于描繪物理現(xiàn)象來說都是平等的2等效原理：在物理學(xué)上，一個均勻的引力場等效于一個做勻加速運動的參考系2廣義相對論的幾個結(jié)論1光線在引力場中偏轉(zhuǎn)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(qiáng)，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2引力紅移：按照廣義相對論，引力場

8、的存在使得空間不同位置的時間進(jìn)程出現(xiàn)差異例如，在強(qiáng)引力的星球附近，時間進(jìn)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)象光譜線的這種挪動是在引力作用下發(fā)生的，所以叫“引力紅移3水星近日點的進(jìn)動；天文觀測顯示，行星的軌道并不是嚴(yán)格閉合的，它們的近日點或遠(yuǎn)日點有進(jìn)動行星繞太陽一周后，橢圓軌道的長軸也隨之有一點轉(zhuǎn)動，叫做“進(jìn)動，這個效應(yīng)以離太陽最近的水星最為顯著廣義相對論所作出的以上預(yù)言全部被實驗觀測所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)揮著主要作用4桿的長度與引力場有關(guān)空間不是均勻的，引力越大的地方，長度越小

9、一、動態(tài)質(zhì)量問題星際火箭以0.8c的速率飛行，其運動質(zhì)量為靜止質(zhì)量的多少倍？【導(dǎo)析】應(yīng)用m解題【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】在vc時，可以認(rèn)為質(zhì)量是不變的，但v接近光速時m的變化一定要考慮. 1人造衛(wèi)星以第一宇宙速度約8 km/s運動，問它的質(zhì)量和靜質(zhì)量的比是多少？【解析】c3×108 m/s，7.1×1010.由m，得1.000 000 000 35.【答案】1.000 000 000 35二、質(zhì)能方程的應(yīng)用在實驗室觀測，兩個電子的總動能是多少？以一個電子為參考系，兩個電子的總動能又是多少？計算時由電子運動時的

10、能量減去靜止時的能量就得到電子的動能【導(dǎo)析】應(yīng)用質(zhì)能方程分析求解【解析】在實驗室觀測，兩個電子的總動能為Ek12mc2mec22×mec21.33mec2.相對于乙電子，甲電子的質(zhì)量是m4.56me.因此，以乙電子為參考系，甲電子的動能為Ek2mc2mec24.56mec2mec23.56mec2.即為兩電子的總動能【答案】1.33 mec23.56mec22一個運動物體的總能量為E，E中是否考慮了物體的動能？【解析】總能量EE0Ek，E0為靜質(zhì)能，實際上包括分子的動能和勢能、化學(xué)能、電磁能、結(jié)合能E0m0c2.Ek為動能，Ekm0c2 1，EE0Ekmc2.【答案】總能量E中已經(jīng)計

11、入了物體的動能三、相對論的速度變換公式的應(yīng)用地球上一觀察者，看見一飛船A以速度2.5×108 m/s從他身邊飛過，另一飛船B以速度2.0×108 m/s跟隨A飛行求：1A上的乘客看到B的相對速度；2B上的乘客看到A的相對速度【導(dǎo)析】運用相對論速度合成公式u可解【解析】1設(shè)A為靜止參考系，地面為運動參考系，A、B速度方向為正方向，那么v2.5×108 m/s，B相對于地面速度為u2.0×108 m/s，B對A的相對速度uB為：uB m/s1.125×108 m/s負(fù)號表示uB與正方向相反，即A上的乘客看到B船向遠(yuǎn)離A的方向飛去2同理可算得B上的乘

12、客看到A的相對速度uA1.125×108 m/s，表示uA的方向與正方向一樣【答案】11.125×108 m/s21.125×108 m/s靜止參考系和運動參考系的合理選取是順利應(yīng)用速度變換公式的關(guān)鍵；對于微觀、高速運動的物體，其速度的疊加不再遵循宏觀運動規(guī)律，而是遵守相對論速度變換公式. 1當(dāng)物體的速度v0.6cc為光速時，質(zhì)量增大到原來的_倍【解析】根據(jù)質(zhì)量與速度的關(guān)系，將v0.6c代入公式得：m1.25 m0.【答案】1.252矮星外表原子發(fā)光的波長與同種原子在地球上發(fā)光的波長相比，以下說法正確的選項是A矮星外表的原子發(fā)光波長較長B地球外表的原子發(fā)光波長較長

13、C一樣長D無法確定【解析】矮星體積很小，質(zhì)量卻很大，其外表引力場很強(qiáng)，引力勢比地球外表大得多，其外表的時間進(jìn)程比較慢，矮星上的發(fā)光頻率比地球上同種原子的發(fā)光頻率要低，由狹義相對論的光速不變原理可知，二者發(fā)光的速度相等又由可得矮星上的原子發(fā)光波長較長，這也就是矮星上發(fā)生“光譜線紅移現(xiàn)象的原因，故正確答案為A.【答案】A3以下說法中，錯誤的選項是A矮星外表的引力很強(qiáng)B在引力場弱的地方，時鐘走得快些C在引力場越弱的地方，時間進(jìn)程越慢D在引力場強(qiáng)的地方，光譜線向綠端偏移【解析】因矮星體積很小，質(zhì)量卻不小，所以矮星外表引力很強(qiáng)，A正確；根據(jù)廣義相對論的結(jié)論，引力場越強(qiáng)，時間進(jìn)程越慢，B正確；C錯誤在引力場強(qiáng)的地方，光譜線向紅端偏移