第五章科学进步无止境
内容索引0102基础落实•必备知识全过关重难探究•能力素养全提升03学以致用•随堂检测全达标
学习目标1.了解相对性原理和光速不变原理。(物理观念)2.初步了解相对论时空观的内涵。(物理观念)3.能运用与相对论相关的初步知识解释高速世界的一些特点。(科学思维)4.了解宇宙的起源与演化。(物理观念)
思维导图
基础落实•必备知识全过关
一、初识相对论1.牛顿力学的局限性1887年的迈克耳孙—莫雷实验等表明:在不同的参考系中,光的传播速度都一样。这与牛顿力学的结论是矛盾的。2.相对论的两个基本假设爱因斯坦彻底放弃绝对时间的概念,提出两个基本假设:(1)相对性原理:所有物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式。(2)光速不变原理:在一切惯性参考系中,测量到的真空中的光速c都一样(c=3×108m/s)。
二、相对论中的神奇时空1.时间延缓效应如果相对于地面以v运动的惯性参考系上的人观察到与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为τ0,地面上的人观察到该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为τ,则所以总有τ>τ0,此种情况称为时间延缓效应。2.长度收缩效应如果与杆相对静止的人测得杆长是l0,沿着杆的方向,以v相对杆运动的人测得杆长是l,则,所以总有lτ0。理解:①对同一物理过程经历的时间,在不同的惯性系中观测,测得的结果不同,时间延缓效应是一种观测效应,不是被测过程的节奏变化了。②惯性系速度越大,地面上的人观测到的时间越长。③由于运动是相对的,故在某一参考系中观测另一参考系中发生的物理事件,总会感到时间延缓效应。即惯性系中的人观测地面上发生的事件的时间也延缓。
(2)长度收缩效应:如果与杆相对静止的人测得杆长是l0,沿着杆的方向,以v相对杆运动的人测得杆长是l,有理解:①长度收缩效应也是一种观测效应,不是物体本身发生了收缩。②在垂直于运动方向上,物体不会发生收缩效应。③由于运动是相对的,故在某一参考系中观测另一参考系中沿运动方向杆的长度,总有长度收缩效应,即在静止惯性系中的人观测运动的杆,沿杆运动方向的长度发生收缩。
[应用体验]典例1(多选)一枚火箭静止于地面时长为30m,两个完全相同的时钟分别放在火箭内和地面上。火箭以速度v飞行,光速为c,下列判断正确的是(AD)A.若v=0.5c,火箭上的观察者测得火箭的长度仍为30mB.若v=0.5c,地面上的观察者测得火箭的长度仍为30mC.若v=0.5c,火箭上的观察者认为地面上的时钟走得快D.若v=0.5c,地面上的观察者认为火箭上的时钟走得慢
解析一枚静止时长30m的火箭以0.5c的速度飞行,根据相对论时空观得火箭上的观察者测得火箭的长度为30m,故A正确;根据长度的收缩性得地面上的观察者测得火箭的长度为L=26m,故B错误;根据时间延缓效应,运动的钟比静止的钟走得慢,而且,运动速度越大,钟走得越慢;同时运动是相对的,火箭相对于地面上的人是运动的,地面上的人相对于火箭也是运动的,所以若v=0.5c,火箭上的观察者认为地面上的时钟走得慢,同时地面上的观察者认为火箭上的时钟走得慢,故C错误,D正确。
针对训练1如果飞船以0.75c的速度从你身边飞过,飞船上的人看飞船上的一个灯亮了10min,你观测到这个灯亮的时间为多少?解析设观测到灯亮的时间为τ,则答案15min
探究二对相对论中“两关系”的理解[情境导引]质量为M=0.5kg的小球,在F=100N的合力作用下由静止开始加速,经过2×106s,它的速度变为多少?大家觉得这个结果可能吗?要点提示根据牛顿第二定律很容易算出a=200m/s2,再由v=at求得它的速度为4×108m/s。这是不可能的,因为物体的速度不能超过光速。
[知识归纳]1.质能关系(1)经典物理学的观点在经典物理学中,质量和能量是两个独立的概念。(2)相对论的观点由相对论及基本力学定律可推出质量和能量的关系为E=mc2或ΔE=Δmc2。根据爱因斯坦的质能关系,人们利用重核裂变反应前后质量亏损释放大量能量发电及制造原子弹。
2.质速关系(1)经典物理学的观点经典力学认为物体的质量是物体的固有属性,由物体所含物质的多少决定,与物体所处的时空和运动状态无关。由牛顿第二定律F=ma可知,只要物体的受力足够大、作用时间足够长,物体将能加速到光速或超过光速。(2)相对论的观点由狭义相对论和基本力学定律,可推知物体的质量是变化的。当物体相对某惯性参考系静止时,它具有最小的质量m0,这个最小质量叫静止质量。当物体以速度v相对某惯性参考系运动时,在这个惯性参考系观测到的质量
[应用体验]典例2利用现代高能物理研究所用的粒子加速器对电子进行加速,当把电子的速度加速到c时,设电子的静止质量是m0。则:(1)加速之后,电子的质量增加多少?(2)加速之后,电子的能量是多大?
规律方法相对论关系中的两点注意事项(1)相对论中,质量与能量是物质不可分离的属性。(2)任何质量m都对应一定的能量mc2,即任何静止时质量不为零的物体,都贮存着巨大的能量。
针对训练2A.公式中的m是物体以速度v运动时的质量B.当物体的运动速度v>0时,物体的质量m>m0,即物体的质量改变了,故这种情况下,经典力学不再适用C.当物体以较小速度运动时,质量变化十分微弱,经典力学理论仍然适用,只有当物体以接近光速运动时,质量变化才明显,故经典力学适用于低速运动,而不适用于高速运动D.通常由于物体的运动速度太小,质量的变化引不起我们的感觉,故在分析地球上物体的运动时,不必考虑质量的变化
解析公式中m0是静止质量,m是物体以速度v运动时的质量,选项A正确;由公式知,只有当v的大小与光速具有可比性时,物体的质量变化才明显,一般情况下物体的质量变化十分微小,故经典力学仍然适用,选项B错误,选项C、D正确。
探究三探索宇宙的奥秘[情境导引]1929年,美国天文学家哈勃在研究星系的光谱后提出了哈勃定律。认定所有的星系都在彼此远离,宇宙处于普遍膨胀之中。遥远恒星发出的光线在地球上会发生什么现象?要点提示会发生弯曲。[知识归纳]光线在引力场中弯曲:根据广义相对论,物质的引力会使光线弯曲,引力场越强,弯曲越厉害。通常物体的引力场都太弱,但太阳引力场却能引起光线比较明显的弯曲。
[应用体验]典例3(多选)下面说法符合广义相对论的是(AD)A.物质的引力使光线弯曲B.光线沿直线传播,与引力场无关C.强引力场附近的光线弯曲一定是光发生了折射现象D.恒星发出的光在太阳引力场作用下会发生弯曲解析观测结果证实了引力使光线弯曲的结论,选项A正确,B错误;引力场吸引力使光线弯曲,选项C错误;恒星发出的光在太阳引力场作用下会发生弯曲,选项D正确。
学以致用•随堂检测全达标
1.如图所示,强强乘坐速度为0.9c(c为光速)的宇宙飞船追赶正前方的壮壮,壮壮的飞行速度为0.5c。强强向壮壮发出一束光进行联络,则壮壮观测到该光速的传播速度大小为(D)A.0.4cB.0.5cC.0.9cD.1.0c解析根据光速不变原理,在任何参照系中测量的光速大小都是c,D正确。
2.关于经典力学和相对论,下列说法正确的是(D)A.经典力学和相对论是各自独立的学说,互不相容B.相对论是在否定了经典力学的基础上建立起来的C.相对论和经典力学是两种不同的学说,二者没有联系D.经典力学包含在相对论之中,经典力学是相对论的特例解析相对论的建立并没有否定经典力学,而是认为经典力学是相对论在一定条件下的特殊情形,选项A、B、C错误,D正确。
3.(多选)下列说法正确的是(ABD)A.由时间延缓效应可知,固有时间最短B.由长度收缩效应可知,静止长度最长C.由质速关系可知,静止质量最大D.物体质量减少时会释放出一定的能量解析由狭义相对论的时间延缓效应可知固有时间最短,选项A正确;由长度收缩效应可知静止长度最长,选项B正确;由质速关系可知静止质量最小,选项C错误;由质能关系可知,选项D正确。
4.如果真空中的光速为c=3×108m/s,当一个物体的运动速度为v1=2.4×108m/s时,质量为3kg,当它的速度为v2=1.8×108m/s时,质量为多少?代入数据得m2=2.25kg。答案2.25kg
本课结束
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