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鲁科版 (2019)必修 第二册第5章 科学进步无止境第1节 初识相对论示范课课件ppt
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这是一份鲁科版 (2019)必修 第二册第5章 科学进步无止境第1节 初识相对论示范课课件ppt，共36页。PPT课件主要包含了内容索引，课前篇自主预习，课堂篇探究学习，学习目标，思维导图等内容，欢迎下载使用。
1.了解相对性原理和光速不变原理。2.初步了解相对论时空观的内涵。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。4.了解宇宙的起源与演化。
【必备知识】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=3×108 m/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l < l0,此种情况称为长度收缩效应。
3.质能关系(1)按照相对论及基本力学定律可推出质量和能量有如下关系:E=mc2。这就是著名的质能关系式。(2)质量和能量是物质不可分离的属性,当物质的质量减少或增加时,必然伴随着能量的减少或增加,其关系为ΔE=Δmc2。4.奇妙的时空弯曲爱因斯坦的广义相对论认为,由于物质的存在,空间和时间会发生弯曲。天体之间的引力作用是时空弯曲的结果。
三、探索宇宙的奥秘1.宇宙的起源大爆炸宇宙模型认为:宇宙从一个温度无限高,物质密度无限大的“奇点”爆炸而成。大爆炸宇宙模型不仅能解释宇宙光谱的红移现象,而且预言在大爆炸的背景下产生的微波辐射至今存在于宇宙空间中。2.宇宙的演化通过观测和理论分析,科学家推测宇宙的大部分都是由暗物质和暗能量组成的。
3.永不停息的探索宇宙茫茫无际,人类的探索也不会停止,为了摆脱大气层的影响,人们先后发射了许多人造卫星及宇宙飞行器,用于天文观测。2016年,我国落成启用的世界上最大单口径、最灵敏、具有我国自主知识产权的射电望远镜,是人类探索宇宙深处奥秘的神奇“眼睛”——“中国天眼”。
【自我检测】1.正误辨析(1)在不同的惯性系中,在不同的方向上,光在真空中的传播速度大小是不同的。( )解析 根据光速不变原理,在不同的惯性系中,在不同的方向上,光在真空中的传播速度大小是相同的。答案 ×(2)在高速世界中,运动的时钟会变慢,而在低速世界中这种效应可以忽略。( )解析 根据时间延缓效应,运动的时钟会变慢,低速世界延缓很小,这种效应可以忽略。答案 √
(3)大爆炸宇宙模型认为宇宙起源于一个“奇点”。( )解析 美国科学家伽莫夫认为宇宙从一个温度无限高、物质密度无限大的“奇点”爆炸而成。答案 √(4)科学家还没有证据证明黑洞的存在。( )解析 2015年,人类首次直接探测到引力波的存在。这是由两个黑洞合并为一个更大的黑洞产生的。答案 ×
2.(多选)关于狭义相对论的两个基本假设,下列说法正确的是( )A.在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的B.在不同的惯性参考系中,力学规律都一样,电磁规律不一样C.真空中的光速大小在不同的惯性参考系中都是相同的D.真空中的光速在不同的惯性参考系中是有差别的解析 狭义相对论的基本假设有两个,分别是爱因斯坦相对性原理和光速不变原理,选项A、C正确。答案 AC
3.(多选)关于大爆炸宇宙模型的下列说法正确的是( )A.宇宙起源于一个特殊的点,这个点大爆炸,是空间的开始B.宇宙大爆炸后空间膨胀一定会一直持续下去,永不停止C.宇宙起源的“奇点”温度无限高,密度无限大D.宇宙膨胀到某个极大值后可能会收缩解析 根据大爆炸宇宙模型,宇宙起源于“奇点”,该“奇点”温度无限高,密度无限大,认为该点拥有无穷的能量,但体积无限小,选项C正确;宇宙爆炸后,急剧膨胀,宇宙未来的演化有两种可能,一是持续膨胀,另一种是膨胀到极限后又收缩成一个新的“奇点”,选项B错误,D正确;“奇点”爆炸是宇宙的始点,既是时间的起点又是空间的始点,选项A正确。答案 ACD
【情境导引】日常生活中我们并没有发现物体的长度随着运动速度发生变化,假设物体以接近光速的速度运动,你认为它的长度变化吗?要点提示 根据相对论时空观,物体沿着运动方向上的长度会变短。
【知识点拨】1.相对论的两个假设(1)在不同的惯性参考系中,物理规律的形式都是相同的。也就是说,物理学的定律与惯性系的选择无关。(2)真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。也就是说,不管光源与观察者的相对运动如何,在任一惯性系中的观察者所观测到的真空中的光速都是相等的。
2.相对论的两个效应(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,观察与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为τ0,那么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,有 ,c为真空中的光速,总有τ>τ0。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 ,总有l
解析 一枚静止时长30 m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30 m,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=26 m,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。答案 AD
变式训练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10 min,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 15 min
【情境导引】质量为M=0.5 kg的小球,在F=100 N的合力作用下由静止开始加速,经过2×106 s,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=200 m/s2,再由v=at求得它的速度为4×108 m/s。这是不可能的,因为物体的速度不能超过光速。
【知识点拨】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
【实例引导】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?
易错提醒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。
A.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。答案 ACD
【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。【知识点拨】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。
【实例引导】例3(多选)下面说法符合广义相对论的是( )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。答案 AD
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( ) 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。答案 D
2.关于经典力学和相对论,下列说法正确的是( )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。答案 D
3.(多选)下列说法正确的是( )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。答案 ABD
1.了解相对性原理和光速不变原理。2.初步了解相对论时空观的内涵。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。4.了解宇宙的起源与演化。
【必备知识】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=3×108 m/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l < l0,此种情况称为长度收缩效应。
3.质能关系(1)按照相对论及基本力学定律可推出质量和能量有如下关系:E=mc2。这就是著名的质能关系式。(2)质量和能量是物质不可分离的属性,当物质的质量减少或增加时,必然伴随着能量的减少或增加,其关系为ΔE=Δmc2。4.奇妙的时空弯曲爱因斯坦的广义相对论认为,由于物质的存在,空间和时间会发生弯曲。天体之间的引力作用是时空弯曲的结果。
三、探索宇宙的奥秘1.宇宙的起源大爆炸宇宙模型认为:宇宙从一个温度无限高,物质密度无限大的“奇点”爆炸而成。大爆炸宇宙模型不仅能解释宇宙光谱的红移现象,而且预言在大爆炸的背景下产生的微波辐射至今存在于宇宙空间中。2.宇宙的演化通过观测和理论分析,科学家推测宇宙的大部分都是由暗物质和暗能量组成的。
3.永不停息的探索宇宙茫茫无际,人类的探索也不会停止,为了摆脱大气层的影响,人们先后发射了许多人造卫星及宇宙飞行器,用于天文观测。2016年,我国落成启用的世界上最大单口径、最灵敏、具有我国自主知识产权的射电望远镜,是人类探索宇宙深处奥秘的神奇“眼睛”——“中国天眼”。
【自我检测】1.正误辨析(1)在不同的惯性系中,在不同的方向上,光在真空中的传播速度大小是不同的。( )解析 根据光速不变原理,在不同的惯性系中,在不同的方向上,光在真空中的传播速度大小是相同的。答案 ×(2)在高速世界中,运动的时钟会变慢,而在低速世界中这种效应可以忽略。( )解析 根据时间延缓效应,运动的时钟会变慢,低速世界延缓很小,这种效应可以忽略。答案 √
(3)大爆炸宇宙模型认为宇宙起源于一个“奇点”。( )解析 美国科学家伽莫夫认为宇宙从一个温度无限高、物质密度无限大的“奇点”爆炸而成。答案 √(4)科学家还没有证据证明黑洞的存在。( )解析 2015年,人类首次直接探测到引力波的存在。这是由两个黑洞合并为一个更大的黑洞产生的。答案 ×
2.(多选)关于狭义相对论的两个基本假设,下列说法正确的是( )A.在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的B.在不同的惯性参考系中,力学规律都一样,电磁规律不一样C.真空中的光速大小在不同的惯性参考系中都是相同的D.真空中的光速在不同的惯性参考系中是有差别的解析 狭义相对论的基本假设有两个,分别是爱因斯坦相对性原理和光速不变原理,选项A、C正确。答案 AC
3.(多选)关于大爆炸宇宙模型的下列说法正确的是( )A.宇宙起源于一个特殊的点,这个点大爆炸,是空间的开始B.宇宙大爆炸后空间膨胀一定会一直持续下去,永不停止C.宇宙起源的“奇点”温度无限高,密度无限大D.宇宙膨胀到某个极大值后可能会收缩解析 根据大爆炸宇宙模型,宇宙起源于“奇点”,该“奇点”温度无限高,密度无限大,认为该点拥有无穷的能量,但体积无限小,选项C正确;宇宙爆炸后,急剧膨胀,宇宙未来的演化有两种可能,一是持续膨胀,另一种是膨胀到极限后又收缩成一个新的“奇点”,选项B错误,D正确;“奇点”爆炸是宇宙的始点,既是时间的起点又是空间的始点,选项A正确。答案 ACD
【情境导引】日常生活中我们并没有发现物体的长度随着运动速度发生变化,假设物体以接近光速的速度运动,你认为它的长度变化吗?要点提示 根据相对论时空观,物体沿着运动方向上的长度会变短。
【知识点拨】1.相对论的两个假设(1)在不同的惯性参考系中,物理规律的形式都是相同的。也就是说,物理学的定律与惯性系的选择无关。(2)真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。也就是说,不管光源与观察者的相对运动如何,在任一惯性系中的观察者所观测到的真空中的光速都是相等的。
2.相对论的两个效应(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,观察与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为τ0,那么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,有 ,c为真空中的光速,总有τ>τ0。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 ,总有l
解析 一枚静止时长30 m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30 m,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=26 m,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。答案 AD
变式训练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10 min,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 15 min
【情境导引】质量为M=0.5 kg的小球,在F=100 N的合力作用下由静止开始加速,经过2×106 s,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=200 m/s2,再由v=at求得它的速度为4×108 m/s。这是不可能的,因为物体的速度不能超过光速。
【知识点拨】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
【实例引导】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?
易错提醒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。
A.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。答案 ACD
【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。【知识点拨】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。
【实例引导】例3(多选)下面说法符合广义相对论的是( )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。答案 AD
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( ) 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。答案 D
2.关于经典力学和相对论,下列说法正确的是( )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。答案 D
3.(多选)下列说法正确的是( )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。答案 ABD
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