1、高中物理新人教版选修-4系列课件15.1相对论诞生教学目标教学目标 知识与技能：知识与技能：（1）了解相对论诞生的历史背景，知道麦克耳孙一莫雷实验（2）了解经典的相对性原理（3）知道相对性原理与电磁规律之间的矛盾（4）知道狭义相对论的两个基本假设 过程与方法：过程与方法：（1）了解对经典物理学内部矛盾的探索过程（2）理解爱因斯坦建立相对论的科学探究思想和逻辑推理方法 情感态度价值观：情感态度价值观：（1）明确物理理论的发展的基础实验 教学重点、难点教学重点、难点：狭义相对论的两点假设 教教 学学 方方 法法：阅读小结 牛顿的经典力学牛顿的经典力学的基础就是以牛顿命名的的基础就是以牛顿命名的三条
2、定律，这一理论三条定律，这一理论形成于十七世纪形成于十七世纪，在以，在以后的两个多世纪里，牛顿力学对科学和技术后的两个多世纪里，牛顿力学对科学和技术的发展起了巨大的推动作用，同时自身也得的发展起了巨大的推动作用，同时自身也得到了很大发展。但是，进入到了很大发展。但是，进入二十世纪二十世纪，物理，物理学研究的领域开始深入到了微观高速领域，学研究的领域开始深入到了微观高速领域，这时人们发现这时人们发现牛顿力学在这些领域不再适用牛顿力学在这些领域不再适用。物理学的发展要求对牛顿力学以及某些长。物理学的发展要求对牛顿力学以及某些长期认为是不言自明的基本观念作出根本性的期认为是不言自明的基本观念作出根本
3、性的变革，物理学需要一场革命！变革，物理学需要一场革命！二十世纪初诞生的二十世纪初诞生的相对论和量子力学相对论和量子力学就是就是这场从经典物理向近代物理变革的标志这场从经典物理向近代物理变革的标志2020世纪最伟大的科学家世纪最伟大的科学家爱因斯坦爱因斯坦一、经典的相对性原理一、经典的相对性原理1 1、惯性系：、惯性系：牛顿运动定律成立的参考系牛顿运动定律成立的参考系 相对于一个惯性参考系做匀速直线运动的相对于一个惯性参考系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系另一个参考系也是惯性系2 2、伽利略相对性原理、伽利略相对性原理 力学规律力学规律在任何在任何惯性系惯性系中都是相同的中都是相同的 还
4、可表述为：在一个惯性参考系内进行的还可表述为：在一个惯性参考系内进行的任何力学实验都不能判断这个惯性系是否任何力学实验都不能判断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动；或相对于另一个惯性系做匀速直线运动；或者说，任何惯性系都是平权的。者说，任何惯性系都是平权的。牛顿的伽利略相对性原理是作为基本假牛顿的伽利略相对性原理是作为基本假设提出来的，它之所以为人们接受承认，一设提出来的，它之所以为人们接受承认，一方面是牛顿力学在解决力学问题获得的巨大方面是牛顿力学在解决力学问题获得的巨大功；另一方面观察结果与人们的经验相符。功；另一方面观察结果与人们的经验相符。但是十九世纪中叶，人们在研究与物但
5、是十九世纪中叶，人们在研究与物体运动有关的电磁现象时，发现体运动有关的电磁现象时，发现在在电磁现电磁现象的规律不符合相对性原理象的规律不符合相对性原理 其中最典型的就是其中最典型的就是光速光速的问题的问题 不同的参考系中观察物体的运动情况可能不不同的参考系中观察物体的运动情况可能不同，物体在空间移动这一概念也是相对的同，物体在空间移动这一概念也是相对的在不同参在不同参考系中观考系中观察物体的察物体的运动情况运动情况 光速恒定的特性，同运动的相对性原理光速恒定的特性，同运动的相对性原理之间似乎产生了矛盾？之间似乎产生了矛盾？但是实验现象表明，不论光源和但是实验现象表明，不论光源和观察者做怎样的相
6、对运动，光速都是观察者做怎样的相对运动，光速都是恒定的恒定的v v光速光速 c光速光速vc 这一结论还特别为后来的很多精确的实验这一结论还特别为后来的很多精确的实验所证实，最著名的是所证实，最著名的是18871887年迈克尔逊和莫雷年迈克尔逊和莫雷所做的实验。它们都明确无误地证明光速的所做的实验。它们都明确无误地证明光速的测量结果与光源和测量者的相对运动无关，测量结果与光源和测量者的相对运动无关，亦即与参照系无关。亦即与参照系无关。可见光和电磁波的运动不服从伽利略相对可见光和电磁波的运动不服从伽利略相对原理原理.任何参照系中测得的光在真空的速率任何参照系中测得的光在真空的速率都应该是这一数值都
7、应该是这一数值1810992 mSc.当时人们为了解决这个困难，提出了三种当时人们为了解决这个困难，提出了三种可能：可能：（1 1）麦克斯韦电磁理论有错，正确的电磁方）麦克斯韦电磁理论有错，正确的电磁方程组应满足伽利略不变性。程组应满足伽利略不变性。（2 2）牛顿力学与麦克斯韦电磁理论都对，但）牛顿力学与麦克斯韦电磁理论都对，但麦克斯韦电磁理论只在某一特殊的惯性系麦克斯韦电磁理论只在某一特殊的惯性系成立。成立。（3 3）牛顿力学与伽利略变换不对，应存在某）牛顿力学与伽利略变换不对，应存在某种变换，麦克斯韦电磁理论在这种新的变种变换，麦克斯韦电磁理论在这种新的变换下具有不变性。这意味着经典牛顿力
8、学换下具有不变性。这意味着经典牛顿力学要作修改，修改后的力学方程在新的变换要作修改，修改后的力学方程在新的变换下具有不变性。下具有不变性。二、相对性原理与电磁规律二、相对性原理与电磁规律 1919世纪后半叶和世纪后半叶和2020世纪初，物理学家们曾经猜想，世纪初，物理学家们曾经猜想，有一种叫做有一种叫做以太以太的介质，弥漫在宇宙中，它是电磁波传播的介质，弥漫在宇宙中，它是电磁波传播时所需要的介质，拿以太做参考系时麦克斯韦的电磁理论时所需要的介质，拿以太做参考系时麦克斯韦的电磁理论才成立今天看来，以太是某一特殊参考系的代表麦克才成立今天看来，以太是某一特殊参考系的代表麦克尔逊实验表明不存在这样的
9、特殊参考系，实际上就是宣布尔逊实验表明不存在这样的特殊参考系，实际上就是宣布宇宙间不存在以太宇宙间不存在以太麦克尔逊莫麦克尔逊莫雷实验雷实验 上述的矛盾使物理学家面临两个选择，上述的矛盾使物理学家面临两个选择，一一是修正现有的理论，去迎合实验结果是修正现有的理论，去迎合实验结果（这（这相对比较容易，但常常无效）；相对比较容易，但常常无效）；另一种主另一种主张张彻底摆脱彻底摆脱“麦克斯韦电磁理论只适用于麦克斯韦电磁理论只适用于某一特殊的惯性系某一特殊的惯性系”，创立全新的理论。，创立全新的理论。爱因斯坦、庞加莱等人选择了后者并提爱因斯坦、庞加莱等人选择了后者并提出了两个假设：出了两个假设：三、狭
10、义相对论的两个基本假三、狭义相对论的两个基本假设设1 1、狭义相对性原理、狭义相对性原理 在不同的惯性参考系，一切物理规律都在不同的惯性参考系，一切物理规律都是相同的是相同的2 2、光速不变原理、光速不变原理 真空中的光速在不同的惯性参考系中是真空中的光速在不同的惯性参考系中是相同的，光速与光源、观察者间的相对运相同的，光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。动没有关系。就是在看来如此简单且最一般的两个假设的就是在看来如此简单且最一般的两个假设的基础上爱因斯坦建立了一套完整的理论基础上爱因斯坦建立了一套完整的理论狭狭义相对论义相对论对两个基本原理的正确理解对两个基本原理的正确理解自然规律不仅包
11、括力学规律，还包括电磁自然规律不仅包括力学规律，还包括电磁学规律等其他所有的物理学规律；学规律等其他所有的物理学规律；强调真空中的光速不变指大小既不依赖于强调真空中的光速不变指大小既不依赖于光源或观察者的运动，也不依赖于光的传光源或观察者的运动，也不依赖于光的传播方向播方向 几十年来科学家采用各种先进的物理技术几十年来科学家采用各种先进的物理技术测量光速，结果都不违背光速不变原理。测量光速，结果都不违背光速不变原理。小小 结结一、伽利略相对性原理伽利略相对性原理 力学规律力学规律在任何在任何惯性系惯性系中都是相同的中都是相同的二、相对性原理与电磁规律发生矛盾相对性原理与电磁规律发生矛盾三、狭义
12、相对论的两个基本假设三、狭义相对论的两个基本假设 1 1、狭义相对性原理、狭义相对性原理 在不同的在不同的惯性参考系惯性参考系，一切物理规律一切物理规律都是相同的都是相同的 2 2、光速不变原理、光速不变原理 真空中的光速真空中的光速在不同的惯性参考系中是在不同的惯性参考系中是相同相同的，的，光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。高中物理新人教版选修-4系列课件15.2时间和空间的相对性教学目标教学目标 知识与技能：知识与技能：（1）同时的相对性；（2）运动长度的收缩；（3）时间间隔的相对；（4）了解时空相对性的验证；（5）了解相对论时空观与经典物理时
13、空观的主要区别 过程与方法：过程与方法：（1）理解同时相对性的推演过程男；（2）理解从“同时相对性”出发得出“运动长度和时间间隔的相对性”的过程 情感态度和价值观：情感态度和价值观：（1）体会相对论崭新的时空观，体会相对论的建立对人类认识世界的影响。（2）辩证地看待经典物理理论 教学重点、难点教学重点、难点：从“同时”的相对性得出运动长度和时间间隔的相对性一、一、“同时同时”的相对性的相对性 车厢上的人和地面上的人看到车厢中间灯光到车厢上的人和地面上的人看到车厢中间灯光到达前后车厢的先后是不一样的达前后车厢的先后是不一样的 车上车上的观察者认为光的观察者认为光同时到达车厢的前后两壁同时到达车厢
14、的前后两壁 站台上站台上的观察者认为光的观察者认为光先到车厢后壁后到前壁先到车厢后壁后到前壁结论：结论：1 1、对于运动的火车上同时发生的两个事件，、对于运动的火车上同时发生的两个事件，对于地面就不是同时的对于地面就不是同时的 关键：在各个参考系中光速都为关键：在各个参考系中光速都为c c 2 2、地面上同时发生的两个事件，对于运动、地面上同时发生的两个事件，对于运动的火车也不是同时的的火车也不是同时的 关键：相对运动关键：相对运动 课本课本P P108 108 思考与讨论思考与讨论二、长度的相对性二、长度的相对性 v v车上的人看到的车厢的长度：车上的人看到的车厢的长度：车外的人看到的车厢的
15、长度：车外的人看到的车厢的长度：0ll0ll201cvll注意：注意：长度缩短效应长度缩短效应只发生在只发生在相对运动的方向上相对运动的方向上如上例中的如上例中的 X X 轴方向上，在轴方向上，在Y Y 轴方向上轴方向上无无长度缩短效应长度缩短效应动尺变短（空间收缩效应）动尺变短（空间收缩效应）S SO O X X YYA B O O S SX XY Y u1xl 结论结论 一条一条沿自身长度方向运动沿自身长度方向运动的杆，的杆，其长度总比杆静止时的长度小其长度总比杆静止时的长度小斐克小伙剑术精，斐克小伙剑术精，出刺迅捷如流星，出刺迅捷如流星，由于空间收缩性，由于空间收缩性，长剑变成小铁钉长剑
16、变成小铁钉.三、时间间隔的相对性三、时间间隔的相对性在站台上看运在站台上看运动火车上的钟动火车上的钟在火车上看运在火车上看运动站台上的钟动站台上的钟 高速运行的列车上，由车厢底部发出的闪光，对高速运行的列车上，由车厢底部发出的闪光，对于车上的人来说，闪光是在竖直方向反射的，而车于车上的人来说，闪光是在竖直方向反射的，而车厢外的人认为被接收的反射光是沿斜线传播的厢外的人认为被接收的反射光是沿斜线传播的对于车厢内的人：对于车厢内的人：对于车厢外的人：对于车厢外的人：cht202224vchth201cvtt相对速度与相对速度与动钟延缓效应动钟延缓效应 (=1s(=1s）V（米（米/秒）秒）0.1c
17、=3107 0.5c 0.8c 0.9c 0.99c 0.999c 0.9998c T(秒秒)1.01 1.15 1.67 2.29 7.1 22.4 50 四、时空相对性的实验验证四、时空相对性的实验验证 根据相对论，时间根据相对论，时间在运动中会进行的比在运动中会进行的比较缓慢，也就是说，较缓慢，也就是说，在空间中高速移动的在空间中高速移动的时钟，比固定于地面时钟，比固定于地面上的时钟走得慢上的时钟走得慢19711971年，科学家将铯原子钟放在喷气式飞机中作环年，科学家将铯原子钟放在喷气式飞机中作环球飞行，然后与地面的基准钟对照实验结果与理论预球飞行，然后与地面的基准钟对照实验结果与理论预
18、言符合的很好这是相对论的第一次宏观验证言符合的很好这是相对论的第一次宏观验证 早在早在19411941年，科学家通过对宇宙线的年，科学家通过对宇宙线的观测证实了相对论的结论，美国科学家罗观测证实了相对论的结论，美国科学家罗西和霍尔在不同高度统计了宇宙线中西和霍尔在不同高度统计了宇宙线中子子的数量，结果与相对论预言完全一致的数量，结果与相对论预言完全一致201cvtt201cvll当两个参考系的当两个参考系的相对速度可与光速相相对速度可与光速相比时，时间与空间的比时，时间与空间的相对性才比较明显相对性才比较明显 狭义相对论的结论已经完全得到证实，实际狭义相对论的结论已经完全得到证实，实际上它已经
19、成为微观粒子研究的基础之一上它已经成为微观粒子研究的基础之一 牛顿牛顿物理学的物理学的绝对时空观绝对时空观：物理学的：物理学的空间空间与时间与时间是绝对分离是绝对分离没有联系没有联系的，脱离物质而的，脱离物质而单独存在，单独存在，与物质的运动无关与物质的运动无关。而相对论认为：有物质才有时间和空间，而相对论认为：有物质才有时间和空间，空间和时间与物体的运动状态有关。空间和时间与物体的运动状态有关。人类对于空间、时间更进一步的认识而形人类对于空间、时间更进一步的认识而形成的新的时空观，是建立在新的实验事实和成的新的时空观，是建立在新的实验事实和相关结论与传统观念不一致的矛盾基础上，相关结论与传统
20、观念不一致的矛盾基础上，不断发展、不断完善起来的。不断发展、不断完善起来的。五、相对论的时空观五、相对论的时空观小小 结结一、一、“同时同时”是相对的是相对的二、长度的相对性二、长度的相对性三、时间间隔的相对性三、时间间隔的相对性201cvtt201cvll15.3狭义相对论的其他结论教学目标教学目标 知识与技能：知识与技能：（1）运动速度的相对论变换（2）相对论质量（3）质能方程 过程与方法：过程与方法：让学生体会到自洽性检验是科学理论研究的一个基本方法。情感态度和价值观：情感态度和价值观：体会物理学中蕴含的简单与和谐之美（质能方程）教学重点、难点教学重点、难点：重点：重点：三个公式 难点：
21、难点：运动速度的相对性变换狭义相对论的其他三个结论狭义相对论的其他三个结论狭义相对论的三个重要结论狭义相对论的三个重要结论相对论的速度叠加公式相对论的速度叠加公式相对论质量相对论质量质能方程质能方程(1)相对论的速度叠加相对论的速度叠加 由于时间和空间的相对性由于时间和空间的相对性，对于物体的速度，在某一惯性系，对于物体的速度，在某一惯性系S内观测，要用内观测，要用S系的时间和空间坐标表示；在另一惯性系系的时间和空间坐标表示；在另一惯性系S内观测，内观测，要用要用S系的时间和空间坐标表示。这样，速度叠加公系的时间和空间坐标表示。这样，速度叠加公式就不再是绝对时空的速度叠加公式了。假如式就不再是
22、绝对时空的速度叠加公式了。假如 S和和S两系的坐标轴相平行，两系的坐标轴相平行，S以速度以速度沿沿x轴而运动，一质轴而运动，一质点以点以u相对相对S沿沿x轴而运动，则相对轴而运动，则相对S，其速度，其速度u为为 这是相对论的速度叠加公式。如果这是相对论的速度叠加公式。如果uc，则，则uc；如；如果果uc(光速光速)，则，则uc与相对论的时空概念相协调与相对论的时空概念相协调。21cvuvuuv vu车外的人看到车上人车外的人看到车上人相对地面的速度为：相对地面的速度为：21cvuvuu例例1 地球上一观察者，看见一飞船地球上一观察者，看见一飞船A以速以速度度2.5l03 ms从他身边飞过，另一
23、飞船从他身边飞过，另一飞船B以速度以速度2.0l08ms 跟随跟随A飞行。求：飞行。求：（1）A上的乘客看到上的乘客看到B的相对速度；的相对速度；（2）B上的乘客看到上的乘客看到A的相对速度。的相对速度。中国航天A中国航天B结束结束 目录目录1u=xvvc2uxux=1.125108 m/s 2.5108=2.01089.010162.51082.01081=ux2.0108 m/s=v2.5108 m/s 解解：(1)设地球为设地球为K系，飞船系，飞船A为为K系。由系。由已知条件可知已知条件可知K系相对系相对K系是速度为系是速度为飞船飞船B 在在K系中的速度为系中的速度为飞船飞船B 在在K系
24、中的速度为系中的速度为中国航天A中国航天BKKuvx结束结束 目录目录 (2)设地球为设地球为K系，飞船系，飞船B为为K系。由系。由已知条件可知已知条件可知K系相对系相对K系是速度为系是速度为=ux2.5108 m/s=v2.0108 m/s 飞船飞船A 在在K系中的速度为系中的速度为1u=xvvc2uxux=1.125108 m/s 2.0108=2.51089.010162.01082.51081飞船飞船A在在K系中的速度为系中的速度为中国航天A中国航天BKuxKvux结束结束 目录目录练习练习1 一原子核以一原子核以0.5c 的速度离开一观察的速度离开一观察者而运动。原子核在它运动方向上
25、向前发射者而运动。原子核在它运动方向上向前发射一电子，该电子相对于核有一电子，该电子相对于核有0.8c 的速度；此的速度；此原子核又向后发射了一光子指向观察者。对原子核又向后发射了一光子指向观察者。对静止观察者来讲，静止观察者来讲，（1）电子具有多大的速度；）电子具有多大的速度；（2）光子具有多大的速度。）光子具有多大的速度。结束结束 目录目录解：设观测者为解：设观测者为K系，原子核为系，原子核为K系。系。电子在电子在K系中的速度为：系中的速度为：K系相对系相对K系是速度为：系是速度为：0.8c=ux=v0.5c+=+0.8c0.5c0.81=0.50.93c+1u=xvvc2uxux电子在电
26、子在K 系中的速度为：系中的速度为：根据光速不便原理，光子根据光速不便原理，光子的速度为的速度为 c 。结束结束 目录目录(2).(2).质量和速率的关系质量和速率的关系 在经典物理的概念里在经典物理的概念里，一个物体的质量为一常量，与物体的运动，一个物体的质量为一常量，与物体的运动状态无关。但是在相对论理论里，质量和运状态无关。但是在相对论理论里，质量和运动的速度有关。物体的静止质量动的速度有关。物体的静止质量m m0 0是一常量，是一常量，相对任何惯性系均为相对任何惯性系均为m m0 0，而物体以速度，而物体以速度运动运动时，它的时，它的(运动运动)质量质量m m为为 质量随速率增加而变大
27、，实验完全证实了这质量随速率增加而变大，实验完全证实了这个公式。从质量和速度的关系式可以看出，个公式。从质量和速度的关系式可以看出，当物体速度趋近于光速时，质量将趋向无限当物体速度趋近于光速时，质量将趋向无限大。这是不可能的。一切物体的速度都永远大。这是不可能的。一切物体的速度都永远小于真空中的光速。小于真空中的光速。201cvmm(2)(2)相对论质量相对论质量 物体的运动速度不能无限增加，那么物体的质物体的运动速度不能无限增加，那么物体的质量是否随着速度而变化量是否随着速度而变化？严格的论证表明，物体高速（与光速相比）运严格的论证表明，物体高速（与光速相比）运动时的质量与它静止时的质量之间
28、有下面的关系：动时的质量与它静止时的质量之间有下面的关系：201cvmmm m为运动质量为运动质量m m0 0为静止质量为静止质量质速关系曲线质速关系曲线 微观粒子的速度很高，它的质量明显的大于微观粒子的速度很高，它的质量明显的大于静止质量在研究制造回旋加速器时必须考虑相静止质量在研究制造回旋加速器时必须考虑相对论效应的影响对论效应的影响19881988年，中国年，中国第一座高能粒子加第一座高能粒子加速器速器北京正负北京正负电子对撞机首次对电子对撞机首次对撞成功撞成功例例2 如一观察者测出电子质量为如一观察者测出电子质量为2m。，问电子速度为多少？（问电子速度为多少？（m。为电子的静止质为电子
29、的静止质量）量）结束结束 目录目录21=v21c20.866vc=23c2m0=v21c2m0解：解：结束结束 目录目录 练练2 某人测得一静止棒长为人质量为某人测得一静止棒长为人质量为m，于是求得此棒线密度为于是求得此棒线密度为=m/l 。假定此棒。假定此棒以速度以速度 v 在棒长方向上运动，此人再测棒的在棒长方向上运动，此人再测棒的线密度应为多少，若棒在垂直长度方向上运线密度应为多少，若棒在垂直长度方向上运动，它的线密度又为多少？动，它的线密度又为多少？结束结束 目录目录=v21c2m=v21c2ml=v21c2l解：解：(1)=lmm=lv21c2()解得：解得：结束结束 目录目录m=v
30、21c2m=v21c2l=l(2)=lmm=lv21c2解得：解得：结束结束 目录目录物体的能量和质量之间存在着某种联系：物体的能量和质量之间存在着某种联系：物体的能量和质物体的能量和质量之间存在密切的联系，量之间存在密切的联系，他们的关系是：他们的关系是：爱因斯坦爱因斯坦（3 3）质能方程）质能方程这就是著名的质能方程这就是著名的质能方程2mcE 质能方程表达了物体的质量和它所具有的能质能方程表达了物体的质量和它所具有的能量之间的关系量之间的关系.0EEEk2mcE 物体的动能物体的动能运动时的能量运动时的能量静止时的能量静止时的能量201cvmm2021vmEk在在v v c c时的一种近
31、时的一种近似似,这就是动能表达式这就是动能表达式例例3 设电子的速度为设电子的速度为(1)1.0106 m/s;(2)2.0108m/s,试计算电子的动能各是多试计算电子的动能各是多少？如用经典力学公式计算电子动能又各为少？如用经典力学公式计算电子动能又各为多少？多少？结束结束 目录目录Em ck112=m c02=v21c2m c02m c021()=v21c2m c021=4.5510-19 J=0.5111061.60210-19()11213001解：解：(1)按按相对论相对论计算计算当电子的速度为当电子的速度为v1=1.0106 m/s时的动能时的动能结束结束 目录目录Em ck22
32、2=m c02=v21c2m c02m c021()=v21c2m c021=2.7910-14 J=0.5111061.60210-19()11213.02.0当电子的速度为当电子的速度为v2=1.0108 m/s时的动能时的动能结束结束 目录目录(2)按按经典力学经典力学计算计算m v12021Ek1=21 9.110-31(1.0106)2=1.8210-14 J=4.5510-19 J=9.110-31(1.0108)221m v22021Ek2=结束结束 目录目录例例4 两个氖核组成质量数为两个氖核组成质量数为4、原子量原子量为为4.0015u 的氦核。试计算氦核放出的结合的氦核。试
33、计算氦核放出的结合能。能。结束结束 目录目录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：氘核静止质量氘核静止质量其中其中u为原子质量单位为原子质量单位结束结束 目录目录练练3 太阳由于向四面空间辐射能量，太阳由于向四面空间辐射能量，每秒损失了质量每秒损失了质量 4109kg。求太阳的辐。求太阳的辐射功率。射功率。结束结束 目录目录=3.61026 J/s=3.61026 W4109(3108)=21P=2 mct2 mc解
34、：解：结束结束 目录目录 练练4 一个电子从静止开始加速到一个电子从静止开始加速到0.1c 的的速度，需要对它作多少功？速度从速度，需要对它作多少功？速度从0.9 c 加速加速到到0.99 c 又要作多少功？又要作多少功？结束结束 目录目录=v21c2m c02m c02()=v21c2m0c211()=1110.120.511106=2.57103eV=keV2.57=mc2m c02A解：解：(1)结束结束 目录目录=2.45103eV=keV2.45(2)=m c2m c12A2()=v21c2m0c212v21c211()=110.9920.511106110.92结束结束 目录目录作
35、业作业P108 1 2 315.4广义相对论简介教学目标教学目标 知识与技能：知识与技能：（1）了解广义相对论基本原理 广义相对性原理和等效原理（2）广义相对论主要结论 物质的引力使光线弯曲和强引力场附近的时间进程会变慢（3）介绍广义相对论的实验验证 过程与方法：过程与方法：（1）了解爱因斯坦思考和推演广义相对论思维过程 情感态度和价值观：（1）体会在宇宙中人类的渺小和科学的巨大力量 教学重点、难点教学重点、难点：1、广义相对性原理和等效原理2、广义相对论的主要结论：引力使光线弯曲和强引力场附近的时间进程会变慢相对论简介 19世纪后半叶，关于电磁场的研究不断深入，人们认识到了光的电磁本质我们已
36、经知道，电磁波是以巨大且有限的速度传播的，因此在电磁场的研究中不断遇到一些矛盾，这些矛盾导致了相对论的出现 相对论不仅给出了物体在高速运动时所遵循的规律，而且改变了我们对于时间和空间的认识，它的建立在物理学和哲学的发展史上树立了一座重要的里程碑 如果在一个参考系中牛顿定律能够成立，这个参考系称作惯性参考系，牛顿运动定律不能成立的参考系则是非惯性参考系在不同参考系中观察物体的运动情况非惯性系和惯性系非惯性系和惯性系 以车厢为参考系，当列车加速运行时，小球会相对于车厢加速向后运动aa光滑表面非惯性系和惯性系加速运动的列车是个非惯性参考系a a为了让牛顿定律在非惯性系中能够成立，引入惯性力maFi光
37、滑表面非惯性系和惯性系牛顿第二定律的表达式惯性力的定义式maFimaF “”号表示惯性力的方向与非惯性系的加速度方向相反注意不要混淆非惯性系和惯性系以加速上升的电梯为参考系，我们可以认为乘坐电梯的人除了受到重力的作用，还受到一个向下的惯性力，重力和惯性力的合力使人感受到了超重aamaG21世纪，人类在空间站中长期生活，为了克服失重带来的不利影响，可以将空间站设计成一个大转轮，绕轴自转，其上各点都有一个指向转动轴的向心加速度，因此，以空间站为参考系，与它一起旋转的物体都受到一个背离转动轴的惯性力，这就是所谓的人造重力非惯性系和惯性系惯性质量和引力质量地面静止加速飞行a引力和惯性力都可以使物体加速
38、下落引力质量惯性质量广义相对论简介牛顿第二定律的表达式惯性力的定义式maFimaF “”号表示惯性力的方向与非惯性系的加速度方向相反注意不要混淆 “m”应该叫做惯性质量惯性质量和引力质量 事实上，到目前为止的一切实验研究都没有找到惯性质量和引力质量之间的差别，这向我们提示：加速运动的参考系和万有引力，二者之间可能存在某种深刻的联系广义相对论简介狭义相对论广义相对论不同的惯性参考系中一切物理规律都是相同的 任何参考系（包括非惯性系）中物理规律都是相同的真空中的光速在不同惯性参考系中都是相等的 一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价更进一步等效原理光速恒定爱因斯坦相对性原理广义相对性原理
39、广义相对论的两个基本原理可以得出一些意想不到的结论广义相对论简介广义相对论简介 在一个引力可以忽略的宇宙空间有一艘宇宙飞船在做匀加速直线运动，船上的观察者记录光的径迹是一条抛物线a半透明屏光源等效原理物体的引力能使光线弯曲 假设飞船静止，而在船尾存在一个巨大的物体，在它的引力场作用下，飞船内的物理过程受到影响广义相对论简介通常物体的引力场都太弱，20世纪只能观测到太阳引力场引起的光线弯曲由于太阳引力场的作用，我们有可能观测到太阳后面的恒星，最好的观测时间是发生日全食的时候1919年5月29日，发生日全食，英国考察队分赴几内亚湾和巴西进行观测，证实了爱因斯坦的预言，这是对相对论的最早证实广义相对
40、论简介星球的强引力场能使背后传来的光线汇聚，这种现象叫做引力透镜效应星体星体无法观测黑洞宇宙中很可能存在黑洞，它不辐射电磁波，因此无法直接观测，但是它的巨大质量和极小的体积使其附近产生极强的引力场，引力透镜是探索黑洞的途径之一时间间隔与引力场有关引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别 对于高速转动的圆盘，除了转动轴的位置外，各点都在做加速运动，越是靠近边缘，加速度越大，方向指向盘心 地面上看到：越是靠近边缘，速度越大根据狭义相对论，靠近边缘部位的时间进程较慢 圆盘上的人认为：盘上存在引力场，方向由盘心指向边缘，引力势较低，得出：引力势较低的位置，时间进程比较慢各类星体对比宇宙中有一类恒
41、星，体积很小，质量却很大，叫做矮星，引力势比地球低的多，矮星表面的时间进程比较慢，哪里的发光的频率比同种的原子在地球上发光频率低，看起来偏红，这个现象叫做引力红移时间间隔与引力场有关引力场的存在使得空间不同位置的杆的长度出现了差别 地面上看到：越是靠近边缘，速度越大根据狭义相对论，靠近边缘部位的杆的长度较短 圆盘上的人认为：引力势较低的位置，杆的长度越短杆的长度与引力场有关引力势由高到低变化杆的长度与引力场有关 由于物质的存在，实际空间并不是均匀的，空间发生了“弯曲”：点击观看对于时空观的认识物质本身的存在决定时空的性质时空性质和物质的运动有关狭义相对论广义相对论惯性系平权所有参考系平权时空观光速恒定等效原理广义相对论与几何学 几何学反应的是人对空间关系的认识有史以来人们只在比较小的空间尺度中接触比较弱的引力场这种情况下空间的弯曲可以忽略，在此基础上人类发展了欧几里得几何学，它反映了平直空间的实际广义相对论告诉我们实际空间是弯曲的，因此描述实际空间的应该是更具有一般意义的非欧几何 作为非欧几何的特例，欧几里得几何学在它的适用范围内仍是正确的，还将继续发挥作用
