滬科物理選修3-4 第5章5.3《奇特的相對論效應》《走近廣義相對論》5.5《無窮的宇宙》

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歡迎進入物理課堂 5 3奇特的相對論效應5 4走近廣義相對論5 5無窮的宇宙 核心要點突破 課堂互動講練 知能優(yōu)化訓練 5 3 5 4 5 5 課前自主學案 課標定位 課標定位 學習目標 1 了解運動時鐘延緩 2 了解長度效應收縮 3 了解愛因斯坦質(zhì)量公式和質(zhì)能方程 4 了解廣義相對論的兩個基本原理 5 了解宇宙的起源及演化 重點難點 相對論效應及質(zhì)能方程 課前自主學案 一 奇特的相對論效應1 運動時鐘延緩在一個相對于我們做 的參考系中發(fā)生的物理過程 在我們看來 它所經(jīng)歷的時間比在這個慣性系中 到的時間 高速運動 直接觀察 長 2 運動長度收縮愛因斯坦認為 長度的測量跟 的選擇有關 如果某一慣性系相對于靜止慣性系以速度v運動 在運動慣性系中測得的長度為L 在靜止慣性系中測得的長度為L 那么L總要比L 短一些 這種效應叫做運動 或 這個效應顯示了空間的 參考系 長度收縮 尺縮效應 相對性 增加 能量 愛因斯坦于1905年給出關系式 通常叫愛因斯坦的 在一個物理過程中 物體的質(zhì)量發(fā)生了變化 其能量也相應發(fā)生變化 即滿足關系式 二 走近廣義相對論1 廣義相對論的兩個基本原理 1 在任何參考系中 包括慣性參考系 物理 和 都是相同的 這一原理叫做 2 一個均勻引力場與一個做加速運動的 等價 這一原理叫做 E mc2 質(zhì)能關系 E mc2 過程 規(guī)律 廣義相對性原理 參考系 等效原理 2 廣義相對論的預言和證實 1 時空彎曲廣義相對論認為 不是直的 而是 或扭曲的 如果質(zhì)量越大 時空彎曲的程度也就 2 光線彎曲按照愛因斯坦的廣義相對論 在引力場存在的情況下 光線是沿 的途徑傳播的 光線在引力場中彎曲的一個推論是 效應 時空 彎曲 越大 彎曲 引力透鏡 3 引力紅移根據(jù)愛因斯坦廣義相對論 在強引力場中 時鐘要走得 因此光在引力場中傳播時 它的頻率或波長會發(fā)生變化 計算表明 氫原子發(fā)射的光從太陽傳播到地球時 頻率要比地球上氫原子發(fā)射的光的頻率低 這就是 三 無窮的宇宙1 宇宙的起源 慢 引力紅移效應 目前最有影響的是 它是由俄裔美國物理學家伽莫夫在1948年首先提出的 該理論認為 我們觀察到的宇宙 產(chǎn)生于最初的一次大爆炸 那時宇宙的溫度極高 密度極大 體積極小 伽莫夫根據(jù)大爆炸理論預言 作為爆炸的后果 宇宙空間應該存在當時產(chǎn)生的微波輻射 20世紀60年代美國科學家威爾遜和彭齊亞斯在一次實驗中意外接收到一種來自空間的一種微波噪聲 為此他們獲得了1978年的諾貝爾物理學獎 大爆炸學說 2 宇宙的演化1929年 美國天文學家哈勃用望遠鏡對遠距離星云進行觀測時 發(fā)現(xiàn)那些存在 紅移 現(xiàn)象的恒星正在離我們遠去 也說明星系系統(tǒng)處于一種 狀態(tài) 在宇宙演化過程中 是恒星演化的結果 膨脹 黑洞 核心要點突破 1 觀察運動的物體其長度要收縮 收縮只出現(xiàn)在運動方向 固有長度值最大 如圖5 3 1所示 圖5 3 1 即時應用 即時突破 小試牛刀 1 1905年 愛因斯坦創(chuàng)立了 相對論 提出了著名的質(zhì)能方程 下列涉及對質(zhì)能方程理解的幾種說法中正確的是 A 若物體能量增大 則它的質(zhì)量增大B 若物體能量增大 則它的質(zhì)量減小C 若核反應過程質(zhì)量減小 則需吸收能量D 若核反應過程質(zhì)量增大 則會放出能量 解析 選A 由E mc2可知 若E增大 則m增大 若E減小 則m減小 A正確 B錯誤 若m減小 則E減小 若m增大 則E增大 C D均錯誤 四 絕對時空觀與相對時空觀的比較1 對時間的認識 1 絕對時空觀認為 時間不會隨參考系不同而變化 也就是說時間是絕對的 同時性 是絕對的 兩個同時發(fā)生的事件 不論在靜止參考系中的觀測者還是勻速直線運動參考系中的觀測者 他們測得這兩個事件發(fā)生的時刻都是相同的 某事件經(jīng)歷的時間不會因參考系不同而不同 2 相對論時空觀認為 時間是相對的 與參考系有關 不能脫離物體的運動來理解時間 同時 是相對的 對于一個參考系來說同時發(fā)生的兩件事 對于另一個參考系來說不一定同時發(fā)生 時間不再均勻流逝 它與物體的運動狀態(tài)有關 某物理過程經(jīng)歷的時間與參考系的選擇有關 該物理過程的發(fā)生地相對觀測者的速度越大 觀測者測得的時間越長 2 對空間的認識 1 絕對時空觀認為 空間是絕對的 物體占據(jù)的空間大小是絕對的 存在與參考系無關的絕對空間 2 相對時空觀認為 空間兩點間的距離與觀測者的運動狀態(tài)有關 空間不是絕對的 它與物體的運動狀態(tài)有關 五 對廣義相對論的進一步了解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的框架 2 慣性參考系在狹義相對論中具有特殊的地位 2 廣義相對論的基本原理 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 認為所有的參考系都是平權的 不論它們是慣性系還是非慣性系 對于描述物理現(xiàn)象來說都是平等的 2 等效原理 在物理學上 一個均勻的引力場等效于一個做勻加速運動的參考系 3 廣義相對論的時空結構 加速參考系中出現(xiàn)的慣性力等效于引力 引力的出現(xiàn)對時空的影響 也就等效于加速參考系中的時空結構 通過對轉動大圓盤的研究 得出如下結論 1 引力場中 時鐘變慢 引力場越強 時鐘變慢越甚 這就是引力的存在對時間的影響 2 引力的存在會使空間變形 在引力方向上 空間間隔不變 在與引力垂直的方向上 空間間隔變短 直尺變短 發(fā)生了彎曲 引力越強的地方 這種效應越明顯 引力場是由質(zhì)量不為零的物質(zhì)產(chǎn)生的 引力使時空發(fā)生變化 也就是物質(zhì)的存在使時間的流逝和空間的大小發(fā)生變化 廣義相對論的時空結構認為時間和空間不僅與參考系有關 還與物質(zhì)的運動和分布有關 在密度越大 質(zhì)量越大處時空彎曲越嚴重 4 廣義相對論的實驗檢驗 1 水星近日點的進動 2 光線在引力場中的彎曲 3 引力紅移 即時應用 即時突破 小試牛刀 2 用相對論的觀點判斷 下列說法不正確的是 A 時間和空間都是絕對的 在任何參考系中一個事件發(fā)生的時間和一個物體的長度總不會改變B 在地面上的人看來 以10km s的速度運動的飛船中的時間會變慢 但是飛船中的宇航員卻看到時鐘是準確的 C 在地面上的人看來 以10km s的速度運動的飛船在運動方向上會變窄 而飛船中的宇航員卻感覺到地面上的人看起來比飛船中的人扁一些D 當物體運動的速度v c時 時間膨脹 和 長度收縮 效果可忽略不計 課堂互動講練 一個鐘在靜止參考系中的擺動周期是3 0s 當一個觀測者相對擺鐘以0 99c的速度運動時 觀測者測得的周期是多少 擺鐘是變快了還是變慢了 答案 21 3s運動的觀測者觀測到的擺鐘變慢了 方法總結 1 熟記狹義相對論的幾個結論是解答此類問題的關鍵 2 應用相對論的關鍵是理解 相對性 的幾個方面 如時間相對性和空間相對性 變式訓練1以8km s的速度運行的人造衛(wèi)星上一只完好的手表走過了1min 地面上的人認為它走過這1min 實際 花了多少時間 60 1 000000001s 60 000000006s 答案 60 000000006s 在2010年 有一太空船以0 8c的速度飛越 月球太空站 一科學家在月球上量得運動中的太空船長度為200m 此太空船最后在月球上登陸 此科學家再度測量靜止的太空船的長度 他測量的結果如何 答案 333m 答案 見解析 設宇宙射線粒子的能量是其靜止能量的k倍 則粒子運動時的質(zhì)量等于其靜止質(zhì)量的 倍 粒子運動速度是光速的 倍 變式訓練3一個運動物體的總能量為E E中是否考慮了物體的動能 答案 總能量已經(jīng)包含了物體的動能 下列說法中 正確的是 A 由于太陽引力場的影響 我們有可能看到太陽后面的恒星B 強引力作用可使光譜線向紅端偏移C 引力場越強的位置 時間進程越慢D 由于物質(zhì)的存在 實際的空間是彎曲的 精講精析 由廣義相對論可知 物質(zhì)的引力使光線彎曲 因此選項A D是正確的 在引力場中時間進程變慢 而且引力越強 時間進程越慢 因此我們能觀察到引力紅移現(xiàn)象 所以選項B C正確 答案 ABCD 變式訓練4下列說法正確的是 A 哈勃發(fā)現(xiàn)的 紅移 現(xiàn)象說明遠處的星系正急速地遠離我們而去B 哈勃發(fā)現(xiàn)的 紅移 現(xiàn)象說明地球是宇宙的中心C 新星 和 超新星 是剛剛產(chǎn)生的恒星D 超新星 和 新星 的產(chǎn)生說明恒星正在不斷滅亡 解析 選AD 哈勃發(fā)現(xiàn)的 紅移 現(xiàn)象說明遠處的星系在遠離我們 但不能說明我們就處于宇宙的中心 只能說明我們與遠處的星系存在相對運動 故A對B錯 新星 和 超新星 是恒星消亡時的一種現(xiàn)象 故C錯D對 同學們 來學校和回家的路上要注意安全 同學們 來學校和回家的路上要注意安全