物理魯科版（2019）必修第二冊(cè) 第5章科學(xué)進(jìn)步無止境課件

第1節(jié)初識(shí)相對(duì)論

第2節(jié)相對(duì)論中的神奇時(shí)空

第3節(jié)探索宇宙的奧秘學(xué)習(xí)目標(biāo)思維導(dǎo)圖1.了解相對(duì)性原理和光速不變?cè)怼?.初步了解相對(duì)論時(shí)空觀的內(nèi)涵。3.能運(yùn)用與相對(duì)論相關(guān)的初步知識(shí)解釋高速世界的一些特點(diǎn)。4.了解宇宙的起源與演化。必備知識(shí)自我檢測(cè)一、初識(shí)相對(duì)論1.牛頓力學(xué)的局限性1887年的邁克耳孫—莫雷實(shí)驗(yàn)等表明:在不同的參考系中,光的傳播速度都一樣。這與牛頓力學(xué)的結(jié)論是矛盾的。2.相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)愛因斯坦徹底放棄絕對(duì)時(shí)間的概念,提出兩個(gè)基本假設(shè):(1)相對(duì)性原理:所有物理規(guī)律在一切慣性參考系中都具有相同的形式。(2)光速不變?cè)?在一切慣性參考系中,測(cè)量到的真空中的光速c都一樣(c=3×108m/s)。必備知識(shí)自我檢測(cè)二、相對(duì)論中的神奇時(shí)空1.時(shí)間延緩效應(yīng)如果相對(duì)于地面以v運(yùn)動(dòng)的慣性參考系上的人觀察到與其一起運(yùn)動(dòng)的物體完成某個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔為τ0,地面上的人觀察到該物體必備知識(shí)自我檢測(cè)3.質(zhì)能關(guān)系(1)按照相對(duì)論及基本力學(xué)定律可推出質(zhì)量和能量有如下關(guān)系:E=mc2。這就是著名的質(zhì)能關(guān)系式。(2)質(zhì)量和能量是物質(zhì)不可分離的屬性,當(dāng)物質(zhì)的質(zhì)量減少或增加時(shí),必然伴隨著能量的減少或增加,其關(guān)系為ΔE=Δmc2。4.奇妙的時(shí)空彎曲愛因斯坦的廣義相對(duì)論認(rèn)為,由于物質(zhì)的存在,空間和時(shí)間會(huì)發(fā)生彎曲。天體之間的引力作用是時(shí)空彎曲的結(jié)果。必備知識(shí)自我檢測(cè)三、探索宇宙的奧秘1.宇宙的起源大爆炸宇宙模型認(rèn)為:宇宙從一個(gè)溫度無限高,物質(zhì)密度無限大的“奇點(diǎn)”爆炸而成。大爆炸宇宙模型不僅能解釋宇宙光譜的紅移現(xiàn)象,而且預(yù)言在大爆炸的背景下產(chǎn)生的微波輻射至今存在于宇宙空間中。2.宇宙的演化通過觀測(cè)和理論分析,科學(xué)家推測(cè)宇宙的大部分都是由暗物質(zhì)和暗能量組成的。必備知識(shí)自我檢測(cè)3.永不停息的探索宇宙茫茫無際,人類的探索也不會(huì)停止,為了擺脫大氣層的影響,人們先后發(fā)射了許多人造衛(wèi)星及宇宙飛行器,用于天文觀測(cè)。2016年,我國(guó)落成啟用的世界上最大單口徑、最靈敏、具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的射電望遠(yuǎn)鏡,是人類探索宇宙深處奧秘的神奇“眼睛”——“中國(guó)天眼”。必備知識(shí)自我檢測(cè)1.正誤辨析(1)在不同的慣性系中,在不同的方向上,光在真空中的傳播速度大小是不同的。(

)解析:根據(jù)光速不變?cè)?在不同的慣性系中,在不同的方向上,光在真空中的傳播速度大小是相同的。答案:×(2)在高速世界中,運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘會(huì)變慢,而在低速世界中這種效應(yīng)可以忽略。(

)解析:根據(jù)時(shí)間延緩效應(yīng),運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘會(huì)變慢,低速世界延緩很小,這種效應(yīng)可以忽略。答案:√必備知識(shí)自我檢測(cè)(3)大爆炸宇宙模型認(rèn)為宇宙起源于一個(gè)“奇點(diǎn)”。(

)解析:美國(guó)科學(xué)家伽莫夫認(rèn)為宇宙從一個(gè)溫度無限高、物質(zhì)密度無限大的“奇點(diǎn)”爆炸而成。答案:√(4)科學(xué)家還沒有證據(jù)證明黑洞的存在。(

)解析:2015年,人類首次直接探測(cè)到引力波的存在。這是由兩個(gè)黑洞合并為一個(gè)更大的黑洞產(chǎn)生的。答案:×必備知識(shí)自我檢測(cè)2.(多選)關(guān)于狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè),下列說法正確的是(

)A.在不同的慣性參考系中,一切物理規(guī)律都是相同的B.在不同的慣性參考系中,力學(xué)規(guī)律都一樣,電磁規(guī)律不一樣C.真空中的光速大小在不同的慣性參考系中都是相同的D.真空中的光速在不同的慣性參考系中是有差別的解析:狹義相對(duì)論的基本假設(shè)有兩個(gè),分別是愛因斯坦相對(duì)性原理和光速不變?cè)?選項(xiàng)A、C正確。答案:AC必備知識(shí)自我檢測(cè)3.(多選)關(guān)于大爆炸宇宙模型的下列說法正確的是(

)A.宇宙起源于一個(gè)特殊的點(diǎn),這個(gè)點(diǎn)大爆炸,是空間的開始B.宇宙大爆炸后空間膨脹一定會(huì)一直持續(xù)下去,永不停止C.宇宙起源的“奇點(diǎn)”溫度無限高,密度無限大D.宇宙膨脹到某個(gè)極大值后可能會(huì)收縮解析:根據(jù)大爆炸宇宙模型,宇宙起源于“奇點(diǎn)”,該“奇點(diǎn)”溫度無限高,密度無限大,認(rèn)為該點(diǎn)擁有無窮的能量,但體積無限小,選項(xiàng)C正確。宇宙爆炸后,急劇膨脹,宇宙未來的演化有兩種可能,一是持續(xù)膨脹,另一種是膨脹到極限后又收縮成一個(gè)新的“奇點(diǎn)”,選項(xiàng)B錯(cuò)誤,D正確。“奇點(diǎn)”爆炸是宇宙的始點(diǎn),既是時(shí)間的起點(diǎn)又是空間的始點(diǎn),選項(xiàng)A正確。答案:ACD問題一問題二問題三隨堂檢測(cè)對(duì)相對(duì)論中“兩假設(shè)、兩效應(yīng)”的理解情境導(dǎo)引日常生活中我們并沒有發(fā)現(xiàn)物體的長(zhǎng)度隨著運(yùn)動(dòng)速度發(fā)生變化,假設(shè)物體以接近光速的速度運(yùn)動(dòng),你認(rèn)為它的長(zhǎng)度變化嗎?要點(diǎn)提示:根據(jù)相對(duì)論時(shí)空觀,物體沿著運(yùn)動(dòng)方向上的長(zhǎng)度會(huì)變短。問題一問題二問題三隨堂檢測(cè)知識(shí)點(diǎn)撥1.相對(duì)論的兩個(gè)假設(shè)(1)在不同的慣性參考系中,物理規(guī)律的形式都是相同的。也就是說,物理學(xué)的定律與慣性系的選擇無關(guān)。(2)真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的。也就是說,不管光源與觀察者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)如何,在任一慣性系中的觀察者所觀測(cè)到的真空中的光速都是相等的。問題一問題二問題三隨堂檢測(cè)2.相對(duì)論的兩個(gè)效應(yīng)(1)時(shí)間延緩效應(yīng):如果相對(duì)于地面以v運(yùn)動(dòng)的慣性參考系上的人,觀察與其一起運(yùn)動(dòng)的物體完成某個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔為τ0,那么地面上的人觀察到該物體在同一地點(diǎn)完成這個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔為τ,有理解:(1)對(duì)同一物理過程經(jīng)歷的時(shí)間,在不同的慣性系中觀測(cè),測(cè)得的結(jié)果不同,時(shí)間延緩效應(yīng)是一種觀測(cè)效應(yīng),不是被測(cè)過程的節(jié)奏變化了。(2)慣性系速度越大,地面上的人觀測(cè)到的時(shí)間越長(zhǎng)。(3)由于運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的,故在某一參考系中觀測(cè)另一參考系中發(fā)生的物理事件,總會(huì)感到時(shí)間延緩效應(yīng)。即慣性系中的人觀測(cè)地面上發(fā)生的事件的時(shí)間也延緩。問題一問題二問題三隨堂檢測(cè)(2)長(zhǎng)度收縮效應(yīng):如果與桿相對(duì)靜止的人測(cè)得桿長(zhǎng)是l0,沿著桿的方向,以v相對(duì)桿運(yùn)動(dòng)的人測(cè)得桿長(zhǎng)是l,有l(wèi)=l0,總有l(wèi)<l0。理解:(1)長(zhǎng)度收縮效應(yīng)也是一種觀測(cè)效應(yīng),不是物體本身發(fā)生了收縮。(2)在垂直于運(yùn)動(dòng)方向上,物體不會(huì)發(fā)生收縮效應(yīng)。(3)由于運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的,故在某一參考系中觀測(cè)另一參考系中沿運(yùn)動(dòng)方向桿的長(zhǎng)度,總有長(zhǎng)度收縮效應(yīng),即在靜止慣性系中的人觀測(cè)運(yùn)動(dòng)的桿,沿桿運(yùn)動(dòng)方向的長(zhǎng)度發(fā)生收縮。問題一問題二問題三隨堂檢測(cè)實(shí)例引導(dǎo)例1(多選)一枚火箭靜止于地面時(shí)長(zhǎng)為30m,兩個(gè)完全相同的時(shí)鐘分別放在火箭內(nèi)和地面上。火箭以速度v飛行,光速為c,下列判斷正確的是(

)A.若v=0.5c,火箭上的觀察者測(cè)得火箭的長(zhǎng)度仍為30mB.若v=0.5c,地面上的觀察者測(cè)得火箭的長(zhǎng)度仍為30mC.若v=0.5c,火箭上的觀察者認(rèn)為地面上的時(shí)鐘走得快D.若v=0.5c,地面上的觀察者認(rèn)為火箭上的時(shí)鐘走得慢問題一問題二問題三隨堂檢測(cè)解析:一枚靜止時(shí)長(zhǎng)30

m的火箭以0.5c的速度飛行,根據(jù)相對(duì)論時(shí)空觀得火箭上的觀察者測(cè)得火箭的長(zhǎng)度為30

m,故A正確;根據(jù)長(zhǎng)度的收縮性l=l0得地面上的觀察者測(cè)得火箭的長(zhǎng)度為L(zhǎng)=26

m,故B錯(cuò)誤;根據(jù)時(shí)間延緩效應(yīng),運(yùn)動(dòng)的鐘比靜止的鐘走得慢,而且,運(yùn)動(dòng)速度越大,鐘走得越慢;同時(shí)運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的,火箭相對(duì)于地面上的人是運(yùn)動(dòng)的,地面上的人相對(duì)于火箭也是運(yùn)動(dòng)的,所以若v=0.5c,火箭上的觀察者認(rèn)為地面上的時(shí)鐘走得慢,同時(shí)地面上的觀察者認(rèn)為火箭上的時(shí)鐘走得慢,故C錯(cuò)誤,D正確。答案:AD問題一問題二問題三隨堂檢測(cè)變式訓(xùn)練1如果飛船以0.75c的速度從你身邊飛過,飛船上的人看飛船上的一個(gè)燈亮了10min,你觀測(cè)到這個(gè)燈亮的時(shí)間為多少?解析:設(shè)觀測(cè)到燈亮的時(shí)間為τ,則

答案:15min問題一問題二問題三隨堂檢測(cè)對(duì)相對(duì)論中“兩關(guān)系”的理解情境導(dǎo)引質(zhì)量為M=0.5kg的小球,在F=100N的合力作用下由靜止開始加速,經(jīng)過2×106s,它的速度變?yōu)槎嗌?大家覺得這個(gè)結(jié)果可能嗎?要點(diǎn)提示:根據(jù)牛頓第二定律很容易算出a=200

m/s2,再由v=at求得它的速度為4×108

m/s。這是不可能的,因?yàn)槲矬w的速度不能超過光速。問題一問題二問題三隨堂檢測(cè)知識(shí)點(diǎn)撥1.質(zhì)能關(guān)系(1)經(jīng)典物理學(xué)的觀點(diǎn)在經(jīng)典物理學(xué)中,質(zhì)量和能量是兩個(gè)獨(dú)立的概念。(2)相對(duì)論的觀點(diǎn)由相對(duì)論及基本力學(xué)定律可推出質(zhì)量和能量的關(guān)系為E=mc2或ΔE=Δmc2。根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能關(guān)系,人們利用重核裂變反應(yīng)前后質(zhì)量虧損釋放大量能量發(fā)電及制造原子彈。問題一問題二問題三隨堂檢測(cè)2.質(zhì)速關(guān)系(1)經(jīng)典物理學(xué)的觀點(diǎn)經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為物體的質(zhì)量是物體的固有屬性,由物體所含物質(zhì)的多少?zèng)Q定,與物體所處的時(shí)空和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)。由牛頓第二定律F=ma可知,只要物體的受力足夠大、作用時(shí)間足夠長(zhǎng),物體將能加速到光速或超過光速。(2)相對(duì)論的觀點(diǎn)由狹義相對(duì)論和基本力學(xué)定律,可推知物體的質(zhì)量是變化的。當(dāng)物體相對(duì)某慣性參考系靜止時(shí),它具有最小的質(zhì)量m0,這個(gè)最小質(zhì)量叫靜止質(zhì)量。當(dāng)物體以速度v相對(duì)某慣性參考系運(yùn)動(dòng)時(shí),在這個(gè)慣性參考系觀測(cè)到的質(zhì)量為問題一問題二問題三隨堂檢測(cè)實(shí)例引導(dǎo)例2利用現(xiàn)代高能物理研究所用的粒子加速器對(duì)電子進(jìn)行加速,當(dāng)把電子的速度加速到

c時(shí),設(shè)電子的靜止質(zhì)量是m0。則:(1)加速之后,電子的質(zhì)量增加多少?(2)加速之后,電子的能量是多大?問題一問題二問題三隨堂檢測(cè)易錯(cuò)提醒相對(duì)論關(guān)系中的兩點(diǎn)注意事項(xiàng)(1)相對(duì)論中,質(zhì)量與能量是物質(zhì)不可分離的屬性。(2)任何質(zhì)量m都對(duì)應(yīng)一定的能量mc2,即任何靜止時(shí)質(zhì)量不為零的物體,都貯存著巨大的能量。問題一問題二問題三隨堂檢測(cè)A.公式中的m是物體以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量B.當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度v>0時(shí),物體的質(zhì)量m>m0,即物體的質(zhì)量改變了,故這種情況下,經(jīng)典力學(xué)不再適用C.當(dāng)物體以較小速度運(yùn)動(dòng)時(shí),質(zhì)量變化十分微弱,經(jīng)典力學(xué)理論仍然適用,只有當(dāng)物體以接近光速運(yùn)動(dòng)時(shí),質(zhì)量變化才明顯,故經(jīng)典力學(xué)適用于低速運(yùn)動(dòng),而不適用于高速運(yùn)動(dòng)D.通常由于物體的運(yùn)動(dòng)速度太小,質(zhì)量的變化引不起我們的感覺,故在分析地球上物體的運(yùn)動(dòng)時(shí),不必考慮質(zhì)量的變化問題一問題二問題三隨堂檢測(cè)解析:公式中m0是靜止質(zhì)量,m是物體以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量,選項(xiàng)A正確;由公式知,只有當(dāng)v的大小與光速具有可比性時(shí),物體的質(zhì)量變化才明顯,一般情況下物體的質(zhì)量變化十分微小,故經(jīng)典力學(xué)仍然適用,選項(xiàng)B錯(cuò)誤,選項(xiàng)C、D正確。答案:ACD問題一問題二問題三隨堂檢測(cè)探索宇宙的奧秘情境導(dǎo)引1929年,美國(guó)天文學(xué)家哈勃在研究星系的光譜后提出了哈勃定律。認(rèn)定所有的星系都在彼此遠(yuǎn)離,宇宙處于普遍膨脹之中。遙遠(yuǎn)恒星發(fā)出的光線在地球上會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象?要點(diǎn)提示:會(huì)發(fā)生彎曲。知識(shí)點(diǎn)撥光線在引力場(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,但太陽引力場(chǎng)卻能引起光線比較明顯的彎曲。問題一問題二問題三隨堂檢測(cè)實(shí)例引導(dǎo)例3(多選)下面說法符合廣義相對(duì)論的是(

)A.物質(zhì)的引力使光線彎曲B.光線沿直線傳播,與引力場(chǎng)無關(guān)C.強(qiáng)引力場(chǎng)附近的光線彎曲一定是光發(fā)生了折射現(xiàn)象D.恒星發(fā)出的光在太陽引力場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)生彎曲解析:觀測(cè)結(jié)果證實(shí)了引力使光線彎曲的結(jié)論,選項(xiàng)A正確,B錯(cuò)誤;引力場(chǎng)吸引力使光線彎曲,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;恒星發(fā)出的光在太陽引力場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)生彎曲,選項(xiàng)D正確。答案:AD問題一問題二問題三隨堂檢測(cè)1.如圖所示,強(qiáng)強(qiáng)乘坐速度為0.9c(c為光速)的宇宙飛船追趕正前方的壯壯,壯壯的飛行速度為0.5c。強(qiáng)強(qiáng)向壯壯發(fā)出一束光進(jìn)行聯(lián)絡(luò),則壯壯觀測(cè)到該光速的傳播速度大小為(

)A.0.4c B.0.5c C.0.9c D.1.0c解析:根據(jù)光速不變?cè)?在任何參照系中測(cè)量的光速大小都是c,D正確。答案:D問題一問題二問題三隨堂檢測(cè)2.關(guān)于經(jīng)典力學(xué)和相對(duì)論,