人教版高中物理選修（3-4）-15.3《狹義相對論的其他結論》教學課件

1、高中物理新人教版選修- 4系列課件15.3狹義相對論的其他結論教學目標教學目標 知識與技能：知識與技能：（1）運動速度的相對論變換）運動速度的相對論變換（2）相對論質量）相對論質量（3）質能方程）質能方程過程與方法：過程與方法： 讓學生體會到自洽性檢驗是科學理論研究的一個基本方法。讓學生體會到自洽性檢驗是科學理論研究的一個基本方法。情感態(tài)度和價值觀：情感態(tài)度和價值觀： 體會物理學中蘊含的簡單與和諧之美（質能方程）體會物理學中蘊含的簡單與和諧之美（質能方程） 教學重點、難點教學重點、難點 ： 重點：三個公式重點：三個公式 難點：運動速度的相對性變換難點：運動速度的相對性變換狹義相對論的其他三個結

2、論狹義相對論的其他三個結論狹義相對論的三個重要結論狹義相對論的三個重要結論相對論的速度疊加公式相對論的速度疊加公式相對論質量相對論質量質能方程質能方程 (1)相對論的速度疊加相對論的速度疊加 由于時間和空間的相對性，由于時間和空間的相對性，對于物體的速度，在某一慣性系對于物體的速度，在某一慣性系S內觀測，要用內觀測，要用S系系的時間和空間坐標表示；在另一慣性系的時間和空間坐標表示；在另一慣性系S內觀測，要內觀測，要用用S系的時間和空間坐標表示。這樣，速度疊加公式系的時間和空間坐標表示。這樣，速度疊加公式就不再是絕對時空的速度疊加公式了。假如就不再是絕對時空的速度疊加公式了。假如 S和和S兩兩系

3、的坐標軸相平行，系的坐標軸相平行，S以速度以速度沿沿x軸而運動，一質點軸而運動，一質點以以u相對相對S沿沿x軸而運動，則相對軸而運動，則相對S，其速度，其速度u為為 這是相對論的速度疊加公式。如果這是相對論的速度疊加公式。如果uc，則，則uc；如果如果uc(光速光速)，則，則uc與相對論的時空概念相與相對論的時空概念相協(xié)調。協(xié)調。21cvuvuuv vu車外的人看到車上人車外的人看到車上人相對地面的速度為：相對地面的速度為：21cvuvuu例例1 地球上一觀察者，看見一飛船地球上一觀察者，看見一飛船A以速度以速度2.5l03 ms從他身邊飛過，另一飛船從他身邊飛過，另一飛船B以以速度速度2.0

4、l08ms 跟隨跟隨A飛行。求：飛行。求： （1）A上的乘客看到上的乘客看到B的相對速度；的相對速度； （2）B上的乘客看到上的乘客看到A的相對速度。的相對速度。 中國航天A中國航天B1u=xvvc2uxux=1.125108 m/s 2.5108=2.01089.010162.51082.01081=ux2.0108 m/s =v2.5108 m/s 解解：(1)設地球為設地球為K系，飛船系，飛船A為為K系。由系。由已知條件可知已知條件可知K系相對系相對K系是速度為系是速度為飛船飛船B 在在K系中的速度為系中的速度為飛船飛船B 在在K系中的速度為系中的速度為中國航天A中國航天BKKuvx (

5、2) 設地球為設地球為K系，飛船系，飛船B為為K系。由系。由已知條件可知已知條件可知K系相對系相對K系是速度為系是速度為=ux2.5108 m/s =v2.0108 m/s 飛船飛船A 在在K系中的速度為系中的速度為1u=xvvc2uxux=1.125108 m/s 2.0108=2.51089.010162.01082.51081飛船飛船A在在K系中的速度為系中的速度為中國航天A中國航天BKuxKvux練習練習1 一原子核以一原子核以0.5c 的速度離開一觀的速度離開一觀察者而運動。原子核在它運動方向上向前察者而運動。原子核在它運動方向上向前發(fā)射一電子，該電子相對于核有發(fā)射一電子，該電子相對

6、于核有0.8c 的的速度；此原子核又向后發(fā)射了一光子指向速度；此原子核又向后發(fā)射了一光子指向觀察者。對靜止觀察者來講，觀察者。對靜止觀察者來講， （1）電子具有多大的速度；）電子具有多大的速度； （2）光子具有多大的速度。）光子具有多大的速度。解：設觀測者為解：設觀測者為K系，原子核為系，原子核為K系。系。電子在電子在K系中的速度為：系中的速度為：K系相對系相對K系是速度為：系是速度為：0.8c=ux=v0.5c+=+0.8c0.5c0.81=0.50.93c+1u=xvvc2uxux電子在電子在K 系中的速度為：系中的速度為：根據(jù)光速不便原理，光子根據(jù)光速不便原理，光子的速度為的速度為 c(

7、2).(2).質量和速率的關系質量和速率的關系 在經典物理的概念在經典物理的概念里，一個物體的質量為一常量，與物體的運動里，一個物體的質量為一常量，與物體的運動狀態(tài)無關。但是在相對論理論里，質量和運動狀態(tài)無關。但是在相對論理論里，質量和運動的速度有關。物體的靜止質量的速度有關。物體的靜止質量m m0 0是一常量，相是一常量，相對任何慣性系均為對任何慣性系均為m m0 0，而物體以速度，而物體以速度運動時，運動時，它的它的( (運動運動) )質量質量m m為為質量隨速率增加而變大，實驗完全證實了這個質量隨速率增加而變大，實驗完全證實了這個公式。從質量和速度的關系式可以看出，當物公式。從質量和速度

8、的關系式可以看出，當物體速度趨近于光速時，質量將趨向無限大。這體速度趨近于光速時，質量將趨向無限大。這是不可能的。一切物體的速度都永遠小于真空是不可能的。一切物體的速度都永遠小于真空中的光速。中的光速。201cvmm(2)(2)相對論質量相對論質量 物體的運動速度不能無限增加，那么物體的質物體的運動速度不能無限增加，那么物體的質量是否隨著速度而變化量是否隨著速度而變化？ 嚴格的論證表明，物體高速（與光速相比）運嚴格的論證表明，物體高速（與光速相比）運動時的質量與它靜止時的質量之間有下面的關系：動時的質量與它靜止時的質量之間有下面的關系：201cvmmm m為運動質量為運動質量m m0 0為靜止

9、質量為靜止質量質速關系曲線質速關系曲線 微觀粒子的速度很高，它的質量明顯的大于微觀粒子的速度很高，它的質量明顯的大于靜止質量在研究制造回旋加速器時必須考慮相靜止質量在研究制造回旋加速器時必須考慮相對論效應的影響對論效應的影響19881988年，中國年，中國第一座高能粒子加第一座高能粒子加速器速器北京正負北京正負電子對撞機首次對電子對撞機首次對撞成功撞成功例例2 如一觀察者測出電子質量為如一觀察者測出電子質量為2m。，問電子速度為多少？（問電子速度為多少？（m。為電子的靜為電子的靜止質量）止質量） 21=v21c20.866vc=23c2m0=v21c2m0解：解： 練練2 某人測得一靜止棒長為

10、人質量為某人測得一靜止棒長為人質量為m，于是求得此棒線密度為，于是求得此棒線密度為=m/l 。假。假定此棒以速度定此棒以速度 v 在棒長方向上運動，此人在棒長方向上運動，此人再測棒的線密度應為多少，若棒在垂直長再測棒的線密度應為多少，若棒在垂直長度方向上運動，它的線密度又為多少？度方向上運動，它的線密度又為多少？ =v21c2m=v21c2ml=v21c2l解：解：(1)=lmm=lv21c2()解得：解得：m=v21c2m=v21c2l=l(2)=lmm=lv21c2解得：解得：物體的能量和質量之間存在著某種聯(lián)系：物體的能量和質量之間存在著某種聯(lián)系： 物體的能量和質物體的能量和質量之間存在密

11、切的聯(lián)系，量之間存在密切的聯(lián)系，他們的關系是：他們的關系是：愛因斯坦愛因斯坦（3 3）質能方程）質能方程這就是著名的質能方程這就是著名的質能方程2mcE 質能方程表達了物體的質量和它所具有的能質能方程表達了物體的質量和它所具有的能量之間的關系量之間的關系. .0EEEk2mcE 物體的動能物體的動能運動時的能量運動時的能量靜止時的能量靜止時的能量201cvmm2021vmEk在在v v c c時的一種近時的一種近似似, ,這就是動能表達式這就是動能表達式例例3 設電子的速度為設電子的速度為 (1)1.0106 m/s;(2) 2.0108m/s,試計算電子的動能各試計算電子的動能各是多少？如用

12、經典力學公式計算電子動是多少？如用經典力學公式計算電子動能又各為多少？能又各為多少？ Em ck112=m c02=v21c2m c02m c021()=v21c2m c021= 4.5510-19 J=0.5111061.60210-19()11213001解：解： (1)按按相對論相對論計算計算當電子的速度為當電子的速度為v1=1.0106 m/s時的動能時的動能Em ck222=m c02=v21c2m c02m c021()=v21c2m c021= 2.7910-14 J=0.5111061.60210-19()11213.02.0當電子的速度為當電子的速度為v2=1.0108 m/

13、s時的動能時的動能(2)按按經典力學經典力學計算計算m v12021Ek1=21 9.110-31 (1.0106 )2=1.8210-14 J=4.5510-19 J= 9.110-31 (1.0108 )221m v22021Ek2=例例4 兩個氖核組成質量數(shù)為兩個氖核組成質量數(shù)為4、原子量原子量為為4.0015u 的氦核。試計算氦核放出的的氦核。試計算氦核放出的結合能。結合能。 m0= 2.0136u1u=1.65810-27 kg2=E mc=1.60210-191.65810-27 9.0101622.01364.0015()=23.9106 eV =23.9 MeVEHe2+H2H4解：解：氘核靜止質量氘核靜止質量其中其中u為原子質量單位為原子質量單位練練3 太陽由于向四面空間輻射能量，太陽由于向四面空間輻射能量，每秒損失了質量每秒損失了質量 4109kg。求太陽的。求太陽的輻射功率。輻射功率。 = 3.61026 J/s=3.61026 W4109(3108)=21P=2 mct2 mc解：解： 練練4 一個電子從靜止開始加速到一個電子從靜止開始加速到0.1c 的速度，需要對它作多少功？速度的速度，需要對它作多