高中物理选修3-4相对论知识点
人教版高中物理选修3-4第十五章相对论简介 全单元课堂精品课件
中的光速都是一个常量,c=3.0×108米/
秒,与传播的方向无关,与光源的速度
也无关。
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作业 ❖P100 1 2 3
13
第二节 时间和空间的相对性
14
❖ 经典的时空概念
❖ 我们在学习力学时,总要涉及时间间隔和空间 距离的计算或测量。早在牛顿建立经典力学时,
就考虑并形成了绝对时空的概念。他认为全宇
Δt=
H v
0
=
3.84×108 0.3×3.0×108
=
4.27s
在飞船上测量,地球到月球的距离H为
H=H0 1
v2 c2
= 3.84×ห้องสมุดไป่ตู้02
1-0.32
= 3.67×108m
在飞船上测量,飞船的旅行时间为:
Δt′ =
H v
=
3.67×108 0.3×3.0×108
=
4.08s
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结束 目录
飞船的飞行时间也可以这样求得:对于飞船 上的观察者来说,从地球出发及到达月球这两事 件都发生在飞船上,他所测得的时间为固有时间
练习2 假设宇宙飞船从地球射出,沿直线 到达月球,距离是3.84×108m,它的速率 在地球上被量得为0.30c。根据地球上的时 钟,这次旅行花多长时间?根据宇宙飞船所 做的测量,地球和月球的距离是多少?怎样 根据这个算得的距离,求出宇宙飞船上时钟 所读出的旅行时间?
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结束 目录
解:设地球至月球的距离为H0,飞船的速度为v,地 球上的观察者测得飞船从地球到月球的时间为Δt
❖ 从麦氏方程组中解出的光在真空中的传播速度与光源的
速度无关。如果光波也和声波一样,是靠一种媒质(以
太)传播的,那么光速相对于绝对静止的以太就应该是
物理人教版高二选修3-4教材梳理_第十五章_3.狭义相对论的其他结论4.广义相对论简介_word版含解析
疱丁巧解牛知识·巧学一、狭义相对论的其他结论 1.相对论速度变换公式以高速火车为例,车对地的速度为v ,车上的人以u′的速度沿火车前进的方向相对火车运动,则人对地的速度u=2'1'cv u vu ++,若人相对火车反方向运动,u′取负值. 根据此式若u′=c ,则u=c ,那么c 在任何惯性系中都是相同的.深化升华 (1)当u′=c 时,不论v 有多大,总有u=c ,这表明,从不同参考系中观察,光速都是相同的,这与相对论的第二个假设光速不变原理相一致.(2)对于速度远小于光速的情形,v<<c ,u′<<c ,这时2'cvu 可以忽略不计,相对论的速度合成公式可以近似变为u=u′+v.联想发散 相对论并没有推翻牛顿力学,也不能说牛顿力学已经过时了,相对论是使牛顿力学的使用范围变得清楚了. 2.相对论质量以速度v 高速运动的物体的质量m 和静止时的质量m 0.有如下关系:m=20)(1cv m -.质量公式实际上是质量和速度的关系,在关系m=20)(1cv m -中,若v=c ,则m 可能是无限大,这是不可能的,尤其是宏观物体,设想物体由v=0逐渐向c 靠拢,m 要逐渐变大,产生加速度的力则要很大,所以能量也要很大.因此,宏观物体的速度是不可能(在目前)增大到与光速相比.但是对于一些没有静止质量的粒子(如光子),它却可以有动质量m.深化升华 (1)物体的质量随速度的增大而增大;(2)物体运动的质量总要大于静止质量. 误区警示 不要盲目从公式中得出,v=c 时,质量是无穷大的错误结论. 3.质能方程(1)爱因斯坦方程:E=mc 2.(2)质能方程表达了物体的质量和它所具有的能量的关系:一定的质量总是和一定的能量相对应. (3)对一个以速率v 运动的物体,其总能量为动能与静质能之和:E=E k +E 0.那么物体运动时的能量E 和静止时能量E 0的差就是物体的动能,即E k =E-E 0. 代入质量关系:E k =E-E 0=220)(1cv c m --m 0c 2=21m 0v 2. 误区警示 不能把质量和能量混为一谈,不能认为质量消灭了,只剩下能量在转化,更不能认为质量和能量可以相互转变,在一切过程中,质量和能量是分别守恒的,只有在微观粒子的裂变和聚变过程中有质量亏损的情况下才会有质能方程的应用. 二、广义相对论简介1.广义相对性原理和等效原理(1)广义相对性原理:在任何参考系中,物理规律都是相同的.(2)等效原理:一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价.深化升华 一个物体受到使物体以某一加速度下落的力,如果不知道该力的来源,就没有办法判断使物体以某一加速度下落的力到底是引力还是惯性力. 2.广义相对论的几个结论(1)光线弯曲:根据电磁理论和经典光学,在无障碍的情况下,光线是直线传播.但按照爱因斯坦的广义相对论,在引力场存在的情况下,光线是沿弯曲的路径传播的.(2)引力红移:根据爱因斯坦的广义相对论,在强引力场中,时钟要走得慢些.因此,光在引力场中传播时,它的频率或波长会发生变化.理论计算表明,氢原子发射的光从太阳(引力强度大)传播到地球(引力强度小)时,它的频率比地球上氢原子发射的光的频率低,这就是引力红移效应.典题·热题知识点一 相对论速度例1地球上一观察者,看见一飞船A 以速度2.5×108 m/s 从他身边飞过,另一飞船B 以速度2.0×108 m/s 跟随A 飞行.求:(1)A 上的乘客看到B 的相对速度; (2)B 上的乘客看到A 的相对速度. 解析:运用相对论速度公式u=2'1'cv u vu ++可解. 答案:(1)-1.125×108 m/s (2)1.125×108 m/s 知识点二 相对论质量例2一个原来静止的电子,经过100 V 的电压加速后它的动能是多少?质量改变了百分之几?速度是多少?这时能不能使用公式E k =21m 0v 2? 解析:由动能定理可以计算出电子被加速后的动能,再根据E k =mc 2-m e c 2计算质量的变化. 答案:加速后的电子的动能是E k =qU=1.6×10-19×100 J=1.6×10-17 J. 因为E k =mc 2-m e c 2,所以m-m e =E k / c 2.把数据代入得e e m m m -=2831--17)10(3109.1101.6⨯⨯⨯⨯=2×10-4. 即质量改变了0.02%.这说明在100 V 电压加速后,电子的速度与光速相比仍然很小,因此可以使用E k =21mv 2这个公式.由E k =21mv 2可得电子的速度v=m E k 2=31--17109.1101.62⨯⨯⨯ m/s≈5.9×106 m/s. 知识点三 质能方程例3一核弹含20 kg 的钚,爆炸后生成的静止质量比原来小1/10 000.求爆炸中释放的能量. 解析:由爱因斯坦质能方程可解释放出的能量. 答案:爆炸前后质量变化:Δm=100001×20 kg=0.02 kg释放的能量为ΔE=Δmc 2=0.002×(3×108)2 J=1.8×1014 J. 方法归纳 一定的质量总是和一定的能量相对应.例4两个电子相向运动,每个电子相对于实验室的速度都是54c ,在实验室中观测,两个电子的总动能是多少?以一个电子为参考系,两个电子的总动能又是多少?解析:计算时由电子运动的能量减去静止时的能量就得到电子的动能.若以其中一个电子为参考系,另一个电子相对参考系的质量应当由质速方程求出,但相对速度应当为两个电子的相对速度.答案:设在实验室中观察,甲电子向右运动,乙电子向左运动.若以乙电子为“静止”参考系,即O 系,实验室(记为O′系)就以54c 的速度向右运动,即O′系相对于O 系的速度为v=54c.甲电子相对于O′系的速度为u′=54c.这样,甲电子相对于乙电子的速度就是在O 系中观测到的电子的速度u,根据相对论的速度合成公式,这个速度是u=2'1'c v u v u ++=2545415454c cc cc ⨯++=4140 c. 在实验室中观测,每个电子的质量是m′=2)(1c v m e -=2)54(1cc m e -=35m e .在实验室中观测,两个电子的总动能为E k 1=2(m′c 2-m e c 2)=2×(35m e c 2-m e c 2)=34m e c 2. 相对于乙电子,甲电子的质量是m″=2)4140(1cc m e -=4.56m e因此,以乙为参考系,甲电子的动能为E k2=m″c 2-m e c 2=4.56m e c 2-m e c 2=3.56m e c 2 问题·探究 思想方法探究问题 被回旋加速器加速的粒子能量能无限大吗? 探究过程:这种问题只能从相对论理论出发进行探究.由相对论质量公式 m=20)(1cv m -看出,当粒子的速度很大时,其运动时的质量明显大于静止时的质量.当加速时粒子做圆周运动的周期必须和交变电压的周期相同,而当交变电压周期稳定时,粒子的速度越来越大,而速度大,半径也大,本不应影响其周期,但是速度大,其运动质量变大,周期也变大了,于是不再同步,所以其能量受到限制,不能被无限加速.探究结论:被回旋加速器加速的粒子能量不能无限大. 交流讨论探究问题 假设宇宙飞船是全封闭的,宇航员和外界没有任何联系,宇航员如何判断使物体以某一加速度下落的力到底是引力还是惯性力? 探究过程:郑小伟:宇宙飞船中的物体受到以某一加速度下落的力可能是由于受到某个星体的引力,也可能是由于宇宙飞船正在加速飞行.两种情况的效果是等价的,所以宇航员无法判断使物体以某一加速度下落的力是引力还是惯性力.宋涛:实际上,不仅是自由落体的实验,飞船内部的任何物理过程都不能告诉我们,飞船到底是加速运动,还是停泊在一个行星的表面.张小红:这个事实告诉我们:一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系是等价的.这就是爱因斯坦广义相对论的第二个基本结论,这就是著名的“等效原理”.探究结论:宇航员没有任何办法来判断,使物体以某一加速度下落的力到底是引力还是惯性力.即一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系是等价的. 交流讨论探究问题 对相对论几个结论的理解. 探究过程:李兵:从运动学的角度进行理解,根据光速不变原理可知光速与任何速度的合成都是光速,速度合成法则不再适用,光速是极限速度.从动力学的角度进行理解,质量是物体惯性大小的量度.随着物体速度的增大,质量也增大,当物体的速度趋近于光速c 时,质量m 趋向无限大,惯性也就趋向无限大,要使速度再增加,就极为困难了.这时,一个有限的力不管作用多长时间,速度实际上是停止增加了.这与速度合成定理u=2'1'cv u vu ++是吻合的,当u′=c 时,不论v 有多大,总有u=c ,这表明,从不同参考系中观察,光速都是相同的.刘晓伟:根据爱因斯坦质量和速度的关系:m=20)(1cv m -可知,物体的运动的极限速度是光速,当静止质量不为零时,物体的速度永远不会等于光速,更不会超过光速.对于速度达到光速的粒子(如光子),其静止质量一定为零.张兵:对于速度远小于光速的情形,v<<c ,u′<<c ,这时2'cvu 可以忽略不计,相对论的速度合成公式可以近似变为u=u′+v,相对论质量m=m0,不表现为尺缩效应和钟慢效应,所以牛顿力学是在低速情况下相对论的近似结论.探究结论:光速是运动物体的极限速度,对不同的参考系物体的质量是不同的,光子不会有静止质量.在低速情况下,牛顿力学是相对论结论的近似.。
高二物理人教版选修3-4课件:第十五章 相对论简介
高中物理课件
相对论简介
第十五章
学案3
章末总结
网络构建
专题整合
自我检测
相对论简介
网络构建 狭义相对性原理: 在不同的惯性参考系中,一
狭
义 相 对 论
两个基
切物理规律都是相同的 光速不变原理: 真空中的光速在不同惯性参考 系中都是相同的
本假设
几个重 “同时”是相对的 要结论 长度是相对的,长度的相对性公式l=
自我检测 自我检测 图1
梭镖穿过管子的情况的是(
)
A.梭镖收缩变短,因此在某些位置上,管子能完全遮住它 B.管子收缩变短,因此在某些位置上,梭镖从管子的两端伸出来 C.两者都收缩,且收缩量相等,因此在某个位置,管子恰好遮住 梭镖
Байду номын сангаас
D.所有这些都与观察者的运动情况有关
1 2 3 4
解析 长度的相对性公式l= l0
l0
v2 1-c
时间间隔是相对的,时间间隔的相对性公式Δt=
Δτ
狭 义 相 对 论 相对论质量关系式m=
v2 1- c
几个重
要结论 相对论速度变换公式u=
u′+v u′v 1+ c 2 m0 v2 1-c
mc2
爱因斯坦质能方程E=
广义相对性原理: 在任何参考系中,物理规律 广
两个基
答案 8.05×10-2
三、相对论速度变换公式
相对论速度变换公式:设车对地面的速度为 v,车上人对车的 u′+v 速度为 u′,车上人相对于地面的速度为 u,则 u= ;如 u′v 1+ c2 果车上人运动方向与车运动方向相同,u′取正值,如果车上 人的速度与车运动方向相反,u′取负值.
最新人教版高中物理选修3-4第十五章《相对论》本概览
第十五章相对论
本章概览
三维目标
通过实例,了解经典力学的发展历程和成就,体会经典力学创立的价值与意义;初步了解相对论时空观中的基本观点,知道相对论对人类认识高速世界的影响,了解科学的探索过程,体会科学研究方法对人们认识自然的重要性,举例说明物理学的进展对自然科学的促进作用.
理解相对论的质量与速度的关系、质量与能量的关系,并能进行相关计算,了解狭义相对论的实验基础、基本原理及相对论时空观,了解相对论中的动量、质量和能量以及质能关系.
经历科学家建立相对论的思维探索过程,认识科学思维的意义,学习科学的思维方法,从中体验成功的乐趣.了解广义相对论的基本原理和结论,了解宇宙的发展历程,领略自然界的奇妙与和谐,发展对科学的好奇心与求知欲,体会科学、技术与社会之间的互动关系. 知识网络。
最新人教版高中物理选修3-4第十五章《相对论简介》本小结
复习巩固知识网络⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧-==-='++'=⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧广义相对论的几个结论等效原理广义相对性原理广义相对论相对论动能质能方程运动物体的质量相对论速度变换公式狭义相对论的几个结论相对论的时空观时间间隔的相对性长度的相对性的相对性同时时间和空间的相对性光速不变原理狭义相对性原理假设狭义相对论的两个基本相对论2022202)(11""c m m c E m c E c v m m c v u v u u k 重点突破一、时间间隔的相对性【例1】 在惯性系S 中观察到有两个事件发生在某一地点,时间间隔为4.0 s 。
从另一惯性系S′观察到这两个事件发生的时间间隔为6.0 s 。
问从S′系测量到这两个事件的空间间隔是多少?(设S′系以恒定速率相对S 系沿x 轴运动。
)解析:由题意知,两个事件的固有时间间隔为在S 系中的时间间隔Δt=4.0 s 。
由时间膨胀可得在S′系中两个事件的时间间隔为: Δt′=Δt/2)(1c v -,所以,S′系相对于S 系的运动速度为:v=[1-(Δt/Δt′)2]1/2c=[1-(4/6)2]1/2c 3595c c ==。
由洛伦兹变换式可得在S′系测量这两个事件的空间间隔是: Δx′=t v c v t v c v tv x '∆-=-∆-=-∆-∆22)/(1)/(1 =35×3.0×108×6.0 m=1.34×109 m 。
答案:1.34×109 m【例2】 若有一宇航员,乘速度为1 000 km/s 的火箭,经40 h 到某行星,求宇航员和地面上的观察者所得的时间测量值的差有多大?解析:由2)(1cv T t -∆=∆并且,时间测量值的差为Δt′=ΔT -Δt 代入数据得;Δt′=0.8 s 。
高中物理人教版选修3-4广义相对论简介
广义相对论简介教学目标知识与技能:〔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:〔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教学方法阅读、讲解、小结教学手段多媒体课件教学活动一、超越狭义相对论的思考爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的两个问题:1、引力问题,万有引力定律不满足洛伦兹变换,无法纳人狭义相对论的理论框架;2、非惯性系问题,狭义相对论只适用于惯性系。
它们是促成广义相对论的前提。
二、广义相对性原理和等效原理引导学生在前述背景介绍下,思考怎样来解决这两个问题。
爱因斯坦考虑要解决第二个问题,必须去掉惯性系在相对论理论中的特殊地位,把相对性原理从“任何惯性系平权〞推广到“包括非惯性系在内的任意参考系(即包括惯性系和非惯性系)平权〞。
三、广义相对论几个结论以及相关实验验证从广义相对论两个基本原理出发,爱因斯坦预见性地提出了验证这一理论的几个著名实验。
①光线经过强引力场中发生弯曲介绍物质的引力使时空弯曲,弯曲的时空又使光线弯曲的事实。
如1919年5月29日,发生日全食期间,科学家成功地观测到了太阳背后恒星发出的光线经过太阳附近发生弯曲的现象,并拍得了太阳背后恒星的照片。
从而确认广义相对论的结论是正确的。
这是广义相对论创立以来最早得到科学界认同的最重大的成果。
到目前为止科学家对400多颗恒星作了测量,射电天文学的发展使人类不用等日全食发生也能在地球上进行精度很高的观测,且与理论值符合。
②引力红移了解引力导致时空弯曲,按照相对性原理,空间效应与时间效应是互相影响的,在发生空间弯曲效应的同时,时间膨胀效应也发生了。
人教版高中物理选修3-4知识点整理及重点题型梳理] 相对论简介
人教版高中物理选修3-4知识点梳理重点题型(常考知识点)巩固练习相对论简介【学习目标】1.理解经典的相对性原理.2.理解光的传播与经典的速度合成法则之间的矛盾.3.理解狭义相对论的两个基本假设.4.理解同时的相对性.5.知道时间间隔的相对性和长度的相对性.6.知道时间和空间不是脱离物质而单独存在的7.知道相对论的速度叠加公式.8.知道相对论质量.9.知道爱因斯坦质能方程.10.知道广义相对性原理和等效原理.11.知道光线在引力场中的弯曲及其验证.【要点梳理】【相对论简介】要点一、相对论的诞生1.惯性系和非惯性系牛顿运动定律能够成立的参考系叫惯性系,匀速运动的汽车、轮船等作为参考系就是惯性系.牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系.例如我们坐在加速的车厢里,以车厢为参考系观察路边的树木房屋向后方加速运动,根据牛顿运动定律,房屋树木应该受到不为零的合外力作用,但事实上没有,也就是牛顿运动定律不成立.这里加速的车厢就是非惯性系.相对于一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系.2.伽利略相对性原理力学规律在任何惯性系中都是相同的.即任何惯性参考系都是平权的.这一原理在麦克尔逊—莫雷实验结果面前遇到了困惑,麦克尔逊—莫雷实验和观测表明:不论光源与观察者做怎样的相对运动,光速都是一样的.3.麦克尔逊—莫雷实验(1)实验装置,如图所示.(2)实验内容:转动干涉仪,在水平面内不同方向进行光的干涉实验,干涉条纹并没有预期移动.(3)实验原理:如果两束光的光程一样,或者相差波长的整数倍,在观察屏上就是亮的;若两束光的光程差不是波长的整数倍,就会有不同的干涉结果.由于1M 和2M 不能绝对地垂直,所以在观察屏上可以看到明暗相间的条纹.如果射向1M 和2M 的光速不相同,就会造成干涉条纹的移动.我们知道地球的运动速度是很大的,当我们将射向M 的光路逐渐移向地球的运动方向时,应当看到干涉条纹的移动,但实际结果却看不到任何干涉条纹的移动.因此,说明光在任何参考系中的速度是不变的,它的速度的合成不满足经典力学的法则,因此需要新的假设出现,为光速不变原理的提出提供有力的实验证据.(4)实验结论:光沿任何方向传播时,相对于地球的速度是相同的.4.狭义相对论的两个基本假设(1)狭义相对性原理.在不同的惯性参考系中,一切物理定律总是相同的.(2)光速不变原理.真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的.【相对论简介】要点二、时间和空间的相对性1.“同时”是相对的A B 、两个事件是否同时发生,与参考系的选择有关.汽车以较快的速度匀速行驶,车厢中央的光源发出的闪光,对车上的观察者,这个闪光照到车厢前壁和后壁的这两个事件是同时发生的.对车下的观察者,他观察到闪光先到达后壁后到达前壁.这两个事件是不同时发生的.2.长度的相对性(尺缩效应)长度的测量方法:同时测出杆的两端M N 、的位置坐标.坐标之差就是测出的杆长.如果与杆相对静止的人认为杆长为l.与杆相对运动的人认为杆长为l.则l l=一根沿自身长度方向运动的杆,其长度总比杆静止时的长度小,而在垂直于运动方向上,杆的长度没有变化.3.时间间隔的相对性(钟慢效应)某两个事件在不同的惯性参考系中观察,它们的时间间隔不一样.在与事件发生者相对静止的观察者测出两事件发生的时间间隔为τ∆,与事件发生者相对运动的观察者测得两事件发生的时间间隔为t∆.t∆=.4.相对论的时空观相对论认为空间和时间与物质的运动状态有关.经典物理则认为空间和时间是脱离物质而存在的,是绝对的,空间与时间之间没有什么联系.虽然相对论更具有普遍性,但是经典物理学作为相对论在低速运动时的特例,在自己的适用范围内还将继续发挥作用.【相对论简介】要点三、狭义相对论的其他结论1.相对论速度变换公式相对论认为,如果一列沿平直轨道高速运行的火车对地面的速度为v,车上的人以速度u'沿着火车前进的方向相对火车运动,那么这个人相对地面的速度2''1u v u u v c+=+. 理解这个公式时请注意:(1)如果车上的人的运动方向与火车的运动方向相反,则u '取负值.(2)如果v c ,'u c ,这时2'u v c 可忽略不计,这时相对论的速度合成公式可近似变为u u v =+'(3)如果u '与v 的方向相垂直或成其他角度时,情况比较复杂,上式不适用.2.相对论质量相对论中质量和速度的关系为m =理解这个公式时请注意:(1)式中0m 是物体静止时的质量(也称为静质量),m 是物体以速度v 运动时的质量.这个关系式称为相对论质速关系,它表明物体的质量会随速度的增大而增大.(2)v c 时,近似地0m m =.(3)微观粒子的运动速度很高,它的质量明显地大于光子质量.例如回旋加速器中被加速的粒子质量会变大,导致做圆周运动的周期变大后,它的运动与加在D 形盒上的交变电压不再同步,回旋加速器的加速能量因此受到了限制.3.质能方程爱因斯坦质能关系式:2E mc =.理解这个公式请注意:(1)质能方程表达了物体的质量和它所具有的能量的关系:一定的质量总是和一定的能量相对应.(2)静止物体的能量为200E m c =,这种能量叫做物体的静质能.每个有静质量的物体都具有静质能.(3)对于一个以速率v 运动的物体,其动能222001)k E m c mc m c =-=-.(4)物体的总能量E 为动能与静质能之和,即20k E E E mc =+=(m 为动质量).(5)由质能关系式可知2E mc ∆=∆.∆=(6)能量与动量的关系式E【相对论简介】要点四、广义相对论、宇宙学简介1.狭义相对论无法解决的问题(1)万有引力理论无法纳入狭义相对论的框架.(2)惯性参考系在狭义相对论中具有特殊的地位.2.广义相对论的基本原理(1)广义相对性原理:爱因斯坦把狭义相对性原理从匀速和静止参考系推广到做加速运动的参考系,认为所有的参考系都是平权的,不论它们是惯性系还是非惯性系,对于描述物理现象来说都是平等的.(2)等效原理:在物理学上,一个均匀的引力场等效于一个做匀加速运动的参考系.3.广义相对论的几个结论(1)光线在引力场中偏转: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.(2)引力红移:按照广义相对论,引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别.例如,在强引力的星球附近,时间进程会变慢,因此光振动会变慢,相应的光的波长变长、频率变小,光谱线会发生向红光一端移动的现象.光谱线的这种移动是在引力作用下发生的,所以叫“引力红移”.(3)水星近日点的进动:天文观测显示,行星的轨道并不是严格闭合的,它们的近日点(或远日点)有进动(行星绕太阳一周后,椭圆轨道的长轴也随之有一点转动,叫做“进动”),这个效应以离太阳最近的水星最为显著.广义相对论所作出的以上预言全部被实验观测所证实.还有其他一些事实也支持广义相对论.目前,广义相对论已经在宇宙结构、宇宙演化等方面发挥主要作用.(4)时间间隔与引力场有关,引力场的存在使得空间不同位置时间进程出现差别.(5)杆的长度与引力场有关.空间不是均匀的,引力越大的地方,长度越小.4.大爆炸宇宙学宇宙起源于一个奇点,在该奇点,温度为无穷大,密度为无穷大,空间急剧膨胀,即发生宇宙大爆炸.之后,宇宙不断膨胀,温度不断降低,大约经历200亿年形成我们今天的宇宙.宇宙还处于膨胀阶段,未来将会怎样演化,目前还不能完全确定.要点五、本章知识结构要点六、专题总结1.时空的相对性(1)“同时”的相对性:在经典的物理学上,如果两个事件在一个参考系中认为是同时的,在另一个参考系中一定也是同时的;而根据爱因斯坦的两个假设,同时是相对的.(2)“长度”的相对性:①如果与杆相对静止的人认为杆长是0l ,与杆相对运动的人认为杆长是l,则两者之间的关系为:l l = ②一条沿自身长度方向运动的杆,其长度总比杆静止时的长度小.(3)“时间间隔”的相对性:运动的人认为两个事件时间间隔为τ∆,地面观察者测得的时间间隔为t ∆,则两者之间关系为:t ∆=.2.质速关系与质能关系(1)质速关系物体以速度v 运动时的质量m 与静止时的质量0m 之间的关系:m =(2)质能关系①相对于一个惯性参考系以速度v 运动的物体其具有的相对论能量2E mc ===.其中200E m c =为物体相对于参考系静止时的能量.②物体的能量变化E ∆与质量变化m ∆的对应关系:2E mc ∆∆=.【典型例题】类型一、相对论的诞生例1如图所示,在列车车厢的光滑水平面上有一质量为 5 kg m =的小球,正随车厢一起以20 m/s 的速度匀速前进.现在给小球一个水平向前的 5 N F =的拉力作用,求经过10 s 时,车厢里的观察者和地面的观察者看到小球的速度分别是多少?【思路点拨】力学规律在任何惯性系中都是相同的.【答案】见解析【解析】对车上的观察者:物体的初速00v =,加速度21m/s F a m==, 经过10 s 时速度110 m/s v at ==.对地上的观察者解法一:物体初速度020 m/s v =,加速度相同21m/s F a m==. 经过10 s 时速度2030 m/s v v at =+=.解法二:根据速度合成法则()210 1020 m/s 30 m/s v v v =+=+=.【总结升华】在两个惯性系中,虽然观察到的结果并不相同,一个10 m/s ,另一个30 m/s ,但我们却应用了同样的运动定律和速度合成法则.也就是说,力学规律在任何惯性系中都是相同的.例2 考虑几个问题:(1)如图所示,参考系O '相对于参考系O 静止时,人看到的光速应是多少?(2)参考系O '相对于参考系O 以速度v 向右运动,人看到的光速应是多少?(3)参考系O 相对于参考系O '以速度v 向左运动,人看到的光速又是多少?【答案】三种情况都是c .【解析】根据速度合成法则,第一种情况人看到的光速应是c ,第二种情况应是c v +,第三种情况应是c v -,此种解法是不对的,而根据狭义相对论理论知,光速是不变的,都应是c .【总结升华】麦克耳孙——莫雷实验证明了光速在任何惯性参考系中的速度是不变的,对于高速物体,伽利略速度合成法则不再适用.类型二、时间和空间的相对性例3(2014 长沙模拟)(1)某火箭在地面上的长度为L 0,发射后它在地面附近高速(约0.3c )飞过,关于地面上的人和火箭中的人观察到的现象,以下说法正确的是________。
人教版高中物理选修3-4第十五章相对论简介基础知识梳理
第十五章 相对论简介
15. 1 相对论的诞生 一、经典的相对性原理 1.惯性系与非惯性系 (1)惯性系:如果牛顿运动定律在某个参考系中成立,这个参考系就叫惯性系。
地面参考系是惯性系,相对于它做匀速运动的汽车、轮船作为参考系也是惯性系。 (2)非惯性系:如果牛顿运动定律在某个参考系中不成立,这个参考系就叫非惯性系。
在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的。 2.光速不变原理
真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的,光速与光源观察者间的相对运 动没有关系。在两个假设的基础上爱因斯坦建立了一套完整的理论——狭义相对论 四、对光速不变原理的理解 1.真空中的光速不变
真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的,光速与光源、观察者间的相对 运动没有关系。 2.“超光速”不存在
这是爱因斯坦在前人的实验基础上提出的假设,这个假设是狭义相对论的基础. 之所以称为假设,是因为它只根据迈克耳孙一莫雷实验有限的几次实验提出的,还没 有经过数学的逻辑推理在大量的结论跟事实相符后,就成为狭义相对论原理。
第十五章 相对论简介
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知识像烛光,能照亮一个人,也能照亮无数的人。--培根 15.2 时间和空间的相对性
车上的观察者认为:闪光从光源到前壁和后壁的距离相等,根据光速不变原理,闪 光同时到达前后两壁;车下的观察者认为:闪光从光源到后壁的距离比到前壁的距离 短,根据光速不变原理,闪光先到达后壁,后到达前壁。
二、长度的相对性 1.两种观点对“长度”的认识 (1)经典的时空观: 一条杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同。 (2)相对论的时空观: “长度”也具有相对性,一条沿自身长度方向运动的杆,其长度 总比静止时的长度小,但在垂直于运动方向上,杆的长度没有变化。 2.狭义相对论的长度变换公式
教科版高中物理选修3-4第六章 相对论.docx
高中物理学习材料桑水制作第六章相对论第1节经典时空观第2节狭义相对论的两个基本假设1.如果牛顿运动定律在某个参考系中成立,这个参考系叫做____________________相对一个惯性系做________________________的另一个参考系也是惯性系.在任何惯性系中,力学规律都是一样的,都可以用________________来描述,这一结论称为伽利略相对性原理.2.经典时空观认为,时间和空间是恒定________的,________________的.3.狭义相对论的两个基本假设:(1)狭义相对性原理(爱因斯坦相对性原理)为在不同的惯性参考系中,________________________都是相同的(2)光速不变原理:________的光速在________________________________中都是相同的.4.某地发生洪涝灾害,灾情紧急,特派一飞机前往,飞机在某高度做匀速直线运动,投放一包救急品,灾民看到物品做曲线运动,飞行员看到物品做自由落体运动,物品刚好落到灾民救济处,根据经典时空观,则下列说法正确的是( )A.飞机为非惯性参考系B.飞机为惯性参考系C.灾民为非惯性参考系D.灾民为惯性参考系5.关于狭义相对论,下列说法不正确的是( )A.狭义相对论认为在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的B.狭义相对论认为在一切惯性系中,光在真空中的速度都等于c,与光源的运动无关C.狭义相对论只涉及无加速运动的惯性系D.狭义相对论任何情况下都适用概念规律练知识点一伽利略相对性原理及伽利略速度变换1.一辆匀速行驶的汽车车厢内,实验者是否可以不受场地的影响,来进行用单摆测重力加速度的实验?2.如图1所示,在列车车厢的光滑水平底面上有一个质量为m=5 kg的小球,正随车厢一起以20 m/s的速度匀速前进.现在给小球一个水平向前的F=5 N的拉力作用,求经10 s 时,车厢里的观察者和地面的观察者看到小球的速度分别是多少?图1知识点二光速不变原理3.判断下面说法中正确的是( )A.在以11 000c沿竖直方向升空的火箭上向前发出的光,对地速度一定比c大B.在以11 000c沿竖直方向升空的火箭上向后发出的光,对地速度一定比c小C.在以11 000c沿竖直方向升空的火箭上沿水平方向发出的光对地速度为cD.在以11 000c沿竖直方向升空的火箭上向任一方向发出的光对地速度都为c 4.考虑以下几个问题:图2(1)如图2所示,参考系O′相对于参考系O静止时,人看到的光速应是多少?(2)参考系O相对于参考系O′以速度v向右运动时,人看到的光速应是多少?(3)参考系O相对于参考系O′以速度v向左运动时,人看到的光速又是多少?方法技巧练经典相对性原理的理解技巧5.在不同的惯性参考系中,物体的运动情况可能不同.例如在匀速行驶的车上看,座位上的人是静止的,在地面看,座位上的人是运动的;在匀速行驶的船上看,桅杆上掉下来的物体在做自由落体运动,在岸边看,物体在做平抛运动……它们在不同的惯性系中遵从的力学规律一样吗?也就是说,地面物体的运动要遵守牛顿运动定律,车上、船上的物体是否也要遵守牛顿运动定律呢?6.下列物体的运动服从经典力学规律的是( )A.自行车、汽车、火车、飞机等交通工具的运动B.发射导弹、人造卫星、宇宙飞船的运动C.物体运动的速率接近真空中的光速D.地球绕太阳的运动1.下列说法中正确的是( )A.17世纪末期,以经典力学、热力学与统计物理学、电磁场理论为主要内容的物理学形成了完整的科学体系B.1632年爱因斯坦发表了《关于两个世界体系的对话》C.牛顿运动定律仅在惯性系中才能成立D.力学规律在任何惯性系中都是相同的,这个论述叫做伽利略相对性原理2.关于牛顿力学的适用范围,下列说法正确的是( )A.适用于宏观物体B.适用于微观物体C.适用于高速运动的物体D.适用于低速运动的物体3.通常我们把地球和相对地面静止或匀速运动的参考系看成惯性系,若以下列系统为参考系,则其中属于非惯性系的有( )A.停在地面上的汽车B.绕地球做匀速圆周运动的飞船C.在大海上匀速直线航行的轮船D.以较大速度匀速运动的磁悬浮列车4.根据伽利略相对性原理,可以得到下列结论( )A.力学规律在任何惯性系中都是相同的B.同一力学规律在不同的惯性系中可能不同C.在一个惯性参照系里不能用力学实验判断该参照系是否在匀速运动D.在一个惯性参照系里可以用力学实验判断该参照系是否在匀速运动5.有下列几种说法:①所有惯性系对物理基本规律都是等价的;②在真空中,光的速度与光的频率、光源的运动状态无关;③在任何惯性系中,光在真空中沿任何方向的传播速度都相同.关于上述说法( )A.只有①②是正确的B.只有①③是正确的C.只有②③是正确的D.三种说法都是正确的6.伽利略相对性原理是_____________________________________________________________________.7.狭义相对论的两个基本假设是____________________________________________________________________;________________________________________________________________________.8.火箭以0.50c的速度离开地球,从火箭上向地球发射一个光信号.火箭上测得光离开的速度是c.根据经典运动学,光到达地球时测得的速度是多少?根据狭义相对性原理呢?9.飞船在高空以110c的速度向目标飞行,从飞船上向目标方向发射一个光信号,则在地面的观察者看光信号的速度是1.1c吗?10.如图3所示,爱因斯坦通过研究“磁体相对于导体回路运动时,导体回路就会感应出电流”这一现象,发现了经典物理学的什么破绽?图311.假若你坐在火车中,在车厢地板上有一光滑的小球.在某段时间内,球相对于你不滚动,则此时的火车能否看成是惯性参考系?若某段时间内,你发现球加速离你而去,则此时的火车能否看成是惯性参考系?第六章相对论第1节经典时空观第2节狭义相对论的两个基本假设答案课前预习练1.惯性参考系 匀速直线运动 牛顿定律 2.独立 互不相关3.(1)一切物理规律 (2)真实 不同的惯性参考系4.BD [物品投放后,仅受重力作用,飞行员看到物品是做初速度为零的自由落体运动,符合牛顿运动定律,故飞机为惯性参考系,B 对;而地面上的人员看到物品做初速度不为零的抛体运动,也符合牛顿运动定律,D 也对.]5.D [由狭义相对论原理可知D 错误.] 课堂探究练1.可以进行用单摆测重力加速度的实验 解析 匀速行驶的汽车属于惯性系,所以他能够完成这个实验,且与地面上的结果无异. 点评 (1)地球以及相对于地球做匀速直线运动的参考系为惯性系. (2)力学规律在任何惯性系中都是相同的. 2.10 m/s 30 m/s 解析 对车上的观察者物体的初速度v 0=0,加速度a =F m =1 m/s 210 s 时速度v 1=at =10 m/s. 对地上的观察者 解法一物体初速度v 0=20 m/s 加速度相同a =F m=1 m/s 210 s 末速度v 2=v 0+at =30 m/s. 解法二根据速度合成法则v 2=v 1+v 0=(10+20) m/s =30 m/s.点评 在两个惯性系中,虽然观察到的结果并不相同,一个10 m/s ,另一个30 m/s ,但我们却应用了同样的运动定律和速度合成法则.也就是说,力学规律在任何惯性系中都是相同的.3.CD [根据狭义相对论的基本假设——光速不变原理可知:真空中的光速相对于火箭的速度为c ,相对于地面的速度也为c ,对不同的惯性系是相同的,因此C 、D 正确,A 、B 错误.]4.(1)c (2)c (3)c解析 根据狭义相对论光速不变原理知,都应为c.点评 光速不变原理指的是真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的. 5.都遵从相同的力学规律解析 根据狭义相对性原理,在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的.所以不管地面上的运动物体,还是车上的、船上的物体都遵从相同的力学规律.6.ABD [经典力学规律只适用于宏观低速物体的运动,所以A 、B 、D 正确.当物体的速率接近真空中的光速时,就不适合用经典力学来解释了,C 错误.]方法总结 理解经典相对性原理要抓住两点:(1)惯性参考系是指地球以及相对地球做匀速直线运动的参考系;(2)力学规律在任何惯性系中都相同,即同一物体相对于不同的惯性系,讨论其运动时,所采用的运动规律和速度合成法则是相同的.课后巩固练1.CD [由经典的相对性原理可知C、D正确.]2.AD [由经典力学的局限性可知A、D正确.]3.B [由惯性系和非惯性系的概念可知B正确.]4.AC [由伽利略相对性原理可知A、C正确.]5.D6.力学规律在任何惯性系中都是相同的,或者说,任何惯性参考系都是平权的.7.狭义相对性原理:在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的.光速不变原理:真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的.8.0.5c c解析据经典运动学v=0.5c,据狭义相对性原理:光速不变,到达地球时光速为c.9.不是,光信号相对地面的观察者速度仍然是c.解析由经典力学的相对性原理可知,光信号相对地面的速度v=c+110c=1.1c,但这一结论是错误的.根据光速不变原理,真空中的光速相对于飞船为c,相对于地面也为c,对不同惯性参考系是相同的,这一判断已被迈克耳孙—莫雷实验所证实.方法点拨经典力学的结论具有一定的局限性,一般只适用于宏观物体的低速运动.10.见解析解析爱因斯坦针对这一个实验分析,“从磁体看,肯定没有电场;可是从导体回路看,却肯定有电场.”于是,“电场的有无就成为相对的了,取决于所用坐标系的运动状态.”同一实验在不同参考系中居然有完全不同的解释,这违背了伽利略相对性原理,由此爱因斯坦发现困难在于“运动学的一些基本概念的任意性上”,促使他提出了狭义相对论.11.能不能解析当球不滚动时,符合牛顿运动定律,因此火车可看成惯性参考系.当球加速滚动时,由于球只受重力和支持力作用,所受合力为零,因此不符合牛顿运动定律,不能把火车看成惯性参考系.。
高中物理选修3-4相对论简介
相对论简介教学目的:1.了解相对论的诞生及发展历程2.了解时间和空间的相对性3.了解狭义相对论和广义相对论的内容教学重点:时间和空间的相对性、狭义相对论和广义相对论教学难点:时间和空间的相对性教学过程:一、狭义相对论的基本假设牛顿力学是在研究宏观物体的低速(与光速相比)运动时总结出来的.对于微观粒子,牛顿力学并不适用,在这一章中我们还将看到,对于高速运动,即使是宏观物体,牛顿力学也不适用.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.我们已经知道,电磁波是以巨大的速度传播的,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.经典的相对性原理如果牛顿运动定律在某个参考系中成立,这个参考系叫做惯性系,相对一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系.我们引用伽利略的一段话,生动地描述了一艘平稳行驶的大船里发生的事情.“船停着不动时,你留神观察,小虫都以等速向各方向飞行,鱼向各个方向随意游动,水滴滴进下面的罐中;你把任何东西扔给你的朋友时,只要距离相等,向这一方向不比向另一方向用更多的力.你双脚齐跳,无论向哪个方向跳过的距离都相同.当你仔细观察这些事情之后,再使船以任何速度前进,只要运动是匀速的,也不忽左忽右地摆动,你将发现,所有上述现象丝毫没有变化.你也无法从其中任何一个现象来确定,船是在运动还是停着不动”通过这段描述以及日常经验,人们很容易相信这样一个论述:力学规律在任何惯性系中都是相同的.这个论述叫做伽利略相对性原理.相对性原理可以有不同的表述.例如还可以表述为:在一个惯性参考系内进行任何力学实验都不能判断它是否在相对于另一个惯性参考系做匀速直线运动;或者说,任何惯性系都是平权的.在不同的参考系中观察,物体的运动情况可能不同,例如在一个参考系中物体是静止的,在另一个参考系中看,它可能是运动的,在不同的参考系中它们运动的速度和方向也可能不同.但是,它们在不同的惯性系中遵从的力学规律是一样的,例如遵从同样的牛顿运动定律、同样的运动合成法则……光速引起的困难自从麦克斯韦预言了光的电磁本质以及电磁波的速度以后,物理学家们就在思考,这个速度是对哪一个参考系说的?如果存在一个特殊的参考系O,光对这个参考系的速度是c,另一个参考系O′以速度v沿光传播的方向相对参考系O运动,那么在O′中观测到的光速就应该是c-v,如果参考系O′逆着光的传播方向运动,在参考系O′中观测到的光速就应该是c+v.由于一般物体的运动速度比光速小得多,c+v和c-v与光速c的差别很小,在19世纪的技术条件下很难直接测量,于是物理学家们设计了许多巧妙的实验,力图测出不同参考系中光速的差别.最著名的一个实验是美籍物理学家麦克尔逊设计的.他把一束光分成互相垂直的两束,一束的传播方向和地球运动的方向一致,另一束和地球运动的方向垂直,然后使它们发生干涉,如果不同方向上的光速有微小的差别,当两束光互相置换时干涉条纹就会发生变化.由于地球在宇宙中运动的速度很大,希望它对光速能有较大的影响.但是,这个实验和其他实验都表明,不论光源和观察者做怎样的相对运动,光速都是相同的.这些否定的结果使当时的物理学家感到震惊,因为它和传统的观念,例如速度合成的法则,是矛盾的.狭义相对论的两个假设上面的矛盾使我们面临一个困难的选择:要么放弃麦克斯韦的电磁理论,要么否定特殊参考系的存在.爱因斯坦选择了后者.他认为,既然在不同的惯性系中力学规律都一样,我们会很自然地想到,电磁规律在不同的惯性系中也是一样的,也就是说,并不存在某一个特殊参考系(例如地球参考系、太阳参考系,或者所谓的以太……)爱因斯坦把伽利略的相对性原理推广到电磁规律和一切其他物理规律,成为他的第一个假设:在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的.这个假设通常称为爱因斯坦相对性原理.另一条假设是:真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的,与光源的运动和观察者的运动没有关系.这个假设通常叫做光速不变原理.这两个假设似乎是麦克尔逊实验的直接结论,为什么还要叫做假设?这是因为,虽然实验表明了假设所说的内容,但这终归是有限的几次实验.只有在从这两个假设出发,经过逻辑推理(包括数学推导)所得出的大量结论都与事实相符时,它们才能成为真正意义上的原理.同时的相对性作为相对论的两个假设的直接推论,现在讨论“同时”的相对性,以体会相对论描述的世界和我们日常的经验有多大的差别.我们研究两个“事件”的同时性.在这里,“事件”可以指一个光子与观测仪器的碰撞,也可以指闪电对地面的打击,还可以指一个婴儿的诞生……假设一列很长的火车在沿平直轨道飞快地匀速行驶.车厢中央有一个光源发出了一个闪光,闪光照到了车厢的前壁和后壁,这是两个事件.车上的观察者认为两个事件是同时的.在他看来这很好解释,因为车厢是个惯性系,光向前、后传播的速度相同,光源又在车厢的中央,闪光当然会同时到达前后两壁(图甲).车下的观察者则不以为然.他观测到,闪光先到达后壁,后到达前壁.他的解释是:地面也是一个惯性系,闪光向前、后传播的速度对地面也是相同的,但是在闪光飞向两壁的过程中,车厢向前行进了一段距离,所以向前的光传播的路程长些,到达前壁的时刻也就晚些(图乙),这两个事件不同时.在经典物理学家的头脑中,如果两个事件在一个参考系中看来是同时的,在另一个参考系中看来一定也是同时的,这一点似乎天经地义,无需讨论.但是,如果接受了爱因斯坦的两个假设,我们自然会得出“同时是相对的”这样一个结论.为什么在日常生活中没有人觉察到这种相对性?原来,火车运动的速度远远小于光速,光从车厢中央传播到前后两壁的短暂时间内,火车前进不了多大距离,因此地面观察者不会发现闪光到达前壁、后壁的时间差.时间和空间的相对性时间间隔的相对性经典物理学认为,某两个事件,在不同的惯性系中观察,它们发生的时间差,也就是它们的时间间隔,总是相同的.但是,从狭义相对论的两个基本假设出发,我们会看到,时间间隔是相对的.还以高速火车为例,假设车厢地板上有一个光源,发出一个闪光.对于车上的人来说,闪光到达光源正上方h高处的小镜后被反射,回到光源的位置(如图甲),往返所用的时间为△t′.对于地面的观察者来说,情况有所不同.从地面上看,在光的传播过程中,火车向前运动了一段距离,因此被小镜反射后又被光源接收的闪光是沿路径AMB传播的光(图乙).如果火车的速度为v,地面观察者测得的闪光从出发到返回光源所用时间记为△t,那么应用勾股定理可得这又是一个令人吃惊的结论:关于闪光从光源出发,经小镜反射后又回到光源所经历的时间,地面上的人和车上的人测量的结果不一样,地面上的人认为这个时间长些.更严格的推导表明,(1)式具有普遍意义,它意味着,从地面上观察,火车上的时间进程变慢了,由于火车在运动,车上的一切物理、化学过程和生命过程都变慢了:时钟走得慢了,化学反应慢了,甚至人的新陈代谢也变慢了……可是车上的人自己没有这种感觉,他们反而认为地面上的时间进程比火车上的慢,因为他们看到,地面正以同样的速度朝相反的方向运动!(1)式又一次生动地展示了时间的相对性.长度的相对性在这一小节中我们将要说明,高速火车上的一个杆,当它的方向和运动方向平行时,地面上的人测得的杆长要小于火车上的人测得的杆长!假设一个杆沿着车厢运动的方向固定在火车上,和车一起运动.在火车上的人看来,杆是静止的.他利用固定在火车上的坐标轴,测出杆两端的位置坐标,坐标之差就是他测出的杆长L′.地面上的人要利用固定在地面上的坐标轴,测出杆两端的位置坐标,坐标之差就是他测出的杆长L.可是,对于地面上的人,杆是运动的,要使这种测量有意义,他必须同时测出杆两端的位置坐标;如果在某一时刻测出杆一端的位置坐标,在另一时刻测出另一端的位置坐标,坐标之差就不能代表杆长了.火车上的人和地面上的人各自用上述方法测量随车运动的杆长,结果发现,L′>L.他们两人的测量都是符合测量要求的,但测量结果不同,这跟同时的相对性有关.地面上的人认s为同时的两个事件(同时对A、B两端读数),火车上的人认为不是同时的.火车上的人认为,地面上的人对B端的读数早些,对A端的读数迟些,在这个时间内杆向前运动了一段距离,因而地面上的人测得的杆长比较短.(2)式具有普遍意义,也就是说,一个杆,当它沿着自身的方向相对于测量者运动时,测得的长度比它静止时的长度小,速度越大,差别也越大.这就是我们所说的空间的相对性.当杆沿着垂直于自身的方向运动时,测得的长度和静止时一样.可以想像这样一幅图景:一列火车以接近光的速度从我们身边飞驶而过,我们感到车厢变短了,车窗变窄了……火车越快,这个现象越明显,但是车厢和车窗的高度都没有变化.车上的人有什么感觉呢?他认为车上的一切都和往常一样,因为他和火车是相对静止的.但是,他却认为地面上的景象有些异常:沿线的电线杆的距离变短了,面对铁路线的正方形布告牌由于宽度变小而高度未变竟成了窄而高的矩形……时空相对性的实验验证从(l)、(2)两式可以看到,只有当两个参考系的相对速度可与光速相比时,时间与空间的相对性才比较明显.目前的技术还不能使宏观物体达到这样的速度,但是随着对微观粒子研究的不断深入,人们发现,许多情况下粒子的速度会达到光速的90%以上,时空的相对性应该是不可忽略的.事实正是如此.时至今日,不但狭义相对论的所有结论已经完全得到证实,实际上它已经成为微观粒子研究的基础之一.时空相对性的最早证据跟宇宙线的观测有关(1941年).宇宙线是来自太阳和宇宙深处的高能粒子流,它和高层大气作用,又产生多种粒子,叫做次级宇宙线,它们统称宇宙线.次级宇宙线中有一种粒子叫做μ子,寿命不长,只有 3.0μs,超过这个时间后大多数μ子就衰变为别的粒子了.宇宙线中μ子的速度约为0.99c,所以在它的寿命之内,运动的距离只有约890m.μ子生成的高度在100km以上,这样说来宇宙线中的μ子不可能到达地面.但在实际上,地面观测到的宇宙线中有许多μ子,这只能用相对论来解释.我们说μ子的寿命为 3.0μs,这是在与它相对静止的参考系中说的.从地面参考系看,μ子在以接近光速的速度运动,根据(l)式,它的寿命比3.0μs长得多,在这样长的时间内,许多μ子可以飞到地面.如果观察者和μ子一起运动,这个现象也好解释.这位观察者看到,μ子的寿命仍是3.0μs,但是大地正向他扑面而来,因此大气层的厚度不是100km,由于长度的相对性,在他看来大气层比100km薄得多,许多μ子在衰变为其他粒子之前可以飞过这样的距离.相对论的第一次宏观验证是在1971年进行的.当时把铯原子钟放在喷气式飞机上作环球飞行,然后与地面上的基准钟对照.实验结果与理论预言符合得很好.相对论的时空观什么是时间?什么是空间?时间和空间有什么性质?经典物理学对这些问题并没有正面回答.但是从它对问题的处理上,我们体会到,经典物理学认为空间好像一个大盒子(一个没有边界的盒子),它是物质运动的场所.至于某一时刻在某一空间区域是否有物质存在,物质在做什么样的运动,这些对于空间本身没有影响,就像盒子里是否装了东西对于盒子的性质没有影响一样.时间与此相似,它在一分一秒地流逝,与物质的运动无关.换句话说,经典物理学认为空间和时间是脱离物质而存在的,是绝对的,空间与时间之间也是没有联系的.相对论则认为有物质才有空间和时间,空间和时间与物质的运动状态有关.前面已经看到,在一个确定的参考系中观察,运动物体的长度(空间距离)和它上面物理过程的快慢(时间进程)都跟物体的运动状态有关.我们生活在低速运动的世界里,因此自然而然地接受了经典的时空观,过去谁都未曾有意识地考虑过空间与时间的性质.只有当新的实验事实引出的结论与传统观念不一致时,人们才回过头来认真思考过去对于空间和时间的认识.科学的发展和人对于自然界的认识就是这样一步一步地前进的.新科学没有全盘否定经典物理学,经典物理学建立在实验的基础上,它的结论又受到无数次实践的检验.虽然相对论更具有普遍性,但是经典物理学作为它在低速运动时的特例,在自己的适用范围内还将继续发挥作用.狭义相对论的其他三个结论我们不做推导而直接引入狭义相对论的三个重要结论.相对论速度叠加公式仍以高速火车为例.设车对地面的速度为v,车上的人以速度u′沿着火车前进的方向相对火车运动,那么他相对地面的速度u为如果车上人的运动方向与火车的运动方向相反,则u′取负值.这两个速度的方向垂直或成其他角度时,(1)式不适用,这种情况不做讨论.按照经典的时空观,u=u′+v.而从(1)式来看,实际上人对地面的速度u比u′与v之和要小,不过只有在u′和v的大小可以与c相比时才会观察到这个差别.从(1)式还可以看出,如果u′和v都很大,例如十分接近光速,它们的合速度也不会超过光速,也就是说,光速是速度的极限.此外,当u′=c时,不论v取什么值,总有u=c,这表明,从不同参考系中观察,光速都是相同的,这和相对论的第二个假设一致.相对论质量按照牛顿力学,物体的质量是不变的,因此一定的力作用在物体上,产生的加速度也是一定的,这样,经过足够长的时间以后物体就可以达到任意大的速度.但是相对论的速度叠加公式告诉我们,物体的运动速度不能无限增加.这个矛盾启发我们思考:物体的质量是否随物体的速度而增大?严格的论证证实了这一点.实际上,物体以速度v运动时的质量m和它静止时的质量m之间有如下关系:微观粒子的运动速度很高,它的质量明显地大于静止质量,这个现象必须考虑.例如,回旋加速器中被加速的粒子,在速度增大后质量增大,因此做圆周运动的周期变大,它的运动与加在D形盒上的交变电压不再同步,所以回旋加速器中粒子的能量受到了限制.质能方程相对论另一个重要结论就是大家已经学过的爱因斯坦质能方程:E = mc(3)2它表达了物体的质量和它所具有的能量的关系.物体运动时的能量E和静时有以下近似关系于是知道:这就是过去熟悉的动能表达式.这个结果又一次让我们看到,牛顿力学是相对论力学在v<<c时的特例.。
高二物理人教版选修34广义相对论简介
广义相对论简介重/难点重点:广义相对性原理和等效原理。
难点:理解广义相对论的几个结论。
重/难点分析重点分析:理解爱因斯坦在对狭义相对论无法解释的两个问题进展考虑的根底上,提出了广义相对性原理(“在任何参考系中,物理规律都是一样的〞)和等效原理(一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价),从而创立了广义相对论。
难点分析:第一个结论,物质的引力使光线弯曲。
第二个结论,引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差异。
打破策略〔一〕引入新课师:1915年,继狭义相对论发表10年之后,爱因斯坦又发表了广义相对论。
这节课我们来理解一下广义相对论的根本原理和几个结论。
〔二〕进展新课1.超越狭义相对论的考虑师:请大家阅读教材,答复狭义相对论中无法解释的两个问题是什么?学生阅读、考虑。
生:第一个问题,狭义相对论无法解释引力作用以什么速度传递,没有方法把万有引力理论纳入狭义相对论的理论框架;第二个问题,狭义相对论只适用于惯性参考系,为什么狭义相对论只在惯性参考系适用而在非惯性系不适用?狭义相对论本身无法解释。
师:爱因斯坦认真考虑了以上两个问题,又向前迈进了一大步,把相对性原理推广到包括非惯性系在内的任意参考系,提出了广义相对性原理。
2.广义相对性原理和等效原理师:广义相对性原理的内容:“在任何参考系中,物理规律都是一样的〞,也可以理解为:“物理学定律必须对于无论哪种方式运动着的参考系都成立〞。
师:在广义相对论中还有另一个根本原理这就是著名的等效原理。
请大家阅读教材,看看什么是等效原理,它是如何提出来的。
学生阅读、考虑。
师:〔投影下列图,做简要讲解。
〕停泊在行星外表的飞船里,没有支撑的物体会做自由落体运动即匀加速运动,这是因为飞船处在行星外表空间的引力场中;假如飞船远离行星外表做匀加速运动,也会观察到没有支撑的物体的自由落体运即匀加速运动。
我们不能根据飞船内的自由落体运动来判断飞船到底在加速运动,还是停在一个行星的外表。
高中物理 选修3-4 《相对论》课件[优质ppt]
1、经典的相对性原理——
力学规律在任何惯性系中都是相同的。
2、狭义相对论原理——
在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的。
3、光速不变原理——
真空中的光速在不同德惯性参考系中都是相同的。
4、一条沿自身长度方向运动的杆,其长度总比杆静
止时的长度小。
l l0
1 v 2 c
1、如图,地面上的人认为A、B两个事件同时发 生。对于坐在火箭中沿两个事件发生地点连线 飞行的人来说,哪个事件先发生?
【思考1】
火箭以0.75c的速度离开地球,从火箭上 向地球发射一个光信号。火箭上测得光离 开的速度是c.根据过去熟悉的速度合成 法则,光到达地球时地球上测得的光速是 多少?根据狭义相对性原理呢?
【思考2】
A
B
两个事件——光到达A壁; 光到达B壁
火车上的人—— 同时发生
地面上的人——
结论——
1、 “同时”不是绝对的,而是是相对的, 它取决于观察者的运动状态;
与杆相对运动的人认为杆长是 l 。
l
0
,
l l0
1 v 2 c
一条沿自身长度方向运动的杆,其长度 总比杆静止时的长度小。
【思考5】
“如果两条平行的、相同的杆在沿自己的长 度方向做相对运动,分别与它们一起运动的 两位观察者都会认为对方的杆比自己的杆短 一些。” 这种说法对吗?
课堂小结
“时空相对性的验证”、 “相对论的时空观”、 “狭义相对论的其他结论”
A
B
畅想网络
Imagination Network
感谢观看!
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2、对于静止的观察者同时发生的两个事件, 对于运动的观察者就是不同时的。
最新人教版高中物理选修3-4第十五章《相对论简介》本综述
第十五章相对论简介
本章综述
本章主要介绍了爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设、相对论时空观、狭义相对论的几个结论以及广义相对论简介.本章的重点是经典的相对性原理、狭义相对论的两个基本假设、“同时”的相对性、长度的相对性、时间的相对性、相对论的速度变换公式和质量公式、质能方程.学习的难点是经典力学的相对性原理和狭义相对性原理的区别、经典物理学时空观与相对论时空观的区别、时间延缓效应、广义相对论.
本章知识与前面我们所学的经典力学(牛顿力学)的关系是:经典力学是狭义相对论在低速宏观条件下的近似成立.本章知识在生产、科技、科研等方面有很强的指导性意义,尤其是高速、微观领域.本章内容在本册教材中占据非重点的位置,在整个高中物理中所起的作用就是完善理论体系.
学习本章前应先复习、了解在前面学习过的有关经典力学的局限性内容,在学习中要注意相对论时空观的学习,本章的学习采用独立思考、交流讨论的方式能取得较好的效果.在学习本章的过程中还应注意相对论的全面阐述要用到较多的高等数学知识,做到了解即可,不必深究.。
高中物理选修3-4知识点
高中物理选修3-4知识点章节名称定义(内容)公式标准单位第十一章机械振动第一节简谐运动弹簧振子1、小球静止时的位置叫平衡位置2、小球在平衡位置附近的往复运动是一种机械运动,简称振动,这样的系统称谓弹簧振子弹簧振子的位移——时间图象波形图象简谐运动及其图象1、如果质点的位移与时间的关系遵从正弦函数的规律,即它的振动图象是一条正弦曲线,这样的振动叫做简谐运动。
2、简谐运动是最简单、最基本的振动3、弹簧振子的运动就是简谐运动第二节简谐运动的描述描述简谐运动的物理量1、振幅:振动物体离开平衡位置的最大距离2、全振动:弹簧振子从通过平衡位置的时刻开始,第二次到达平衡位置时完成一次完整的振动。
这个振动过程称为一次全振动3、做简谐运动的物体完成一次全振动所需要的时间叫振动的周期4、单位时间完成振动的次数叫振动的频率,单位赫兹5、周期性运动在各个时刻所处的不同状态叫相位Tf1=Hz简谐运动的表达式)2sin(ϕπ+=tTAx第三节简谐运动的回复力和能量简谐运动的回复力1、如果质点所受的力与它偏离平衡位置位移的大小成正比,并且总是指向平衡位置,质点的运动就是简谐运动2、把物体拉回平衡位置的力叫回复力kxF-=简谐运动的能量忽略阻力的损耗,在弹簧振子运动的任意位置,系统的动能与势能之和都是一定得第四节单摆单摆悬挂起来的物体在竖直平面内摆动,细线的质量与小球相比可以忽略,球的直径与线的长度相比也可以忽略,这样的装置就叫做单摆单摆的回复力在偏角很小的情况下,单摆做简谐运动(摆长越长,周期越长)kxF-=用单摆测定重力加速度单摆做简谐运动的周期与摆长的二次方成正比,与重力加速度的二次方成反比,而与振幅、摆球质量无关224Tlgπ=第五节外力作用下的振动固有频率不受外力作用的振动叫固有振动,其振动频率叫固有频率阻尼振动振幅逐渐减小的振动叫阻尼振动受迫振动系统在驱动力作用下的振动叫受迫振动共振驱动力频率等于系统的固有频率时,受迫振动的振幅最大,这种现象叫做共振高中物理选修3-4知识点章节名称定义(内容)公式标准单位第十二章机械波第一节波的形成和传播波的形成和传播振动的传播称为波动,简称波横波和纵波1、质点的振动方向与波的传播方向相互垂直的波叫做横波,在横波中,凸起的最高处叫做波峰,凹下的最低处叫做波谷2、质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上的波,叫做纵波,在纵波中,质点分布最密的位置叫做密部机械波借以传播的物质叫做介质,机械振动在介质中传播形成了机械波第二节波的图象正弦波如果波的图象是正弦曲线,这样的波叫做正弦波第三节波长、频率和波速波长在波动中,振动相位总是相同的两个相邻质点间的距离叫做波长频率、周期质点振动的频率和周期等于波的频率和周期波速机械波在介质中的传播速度由介质本身决定,在不同的介质中,波速是不同的第四节波的衍射和干涉波的衍射波可以绕过障碍物继续传播,这种现象叫做波的衍射(一切波都能发生衍射,衍射是波特有的现象)波的叠加几列波相遇时能够保持各自的运动特征,继续传播,在其他重叠的区域里,介质的质点同时参与这几列波引起的振动,质点的位移等于这几列波单独传播时引起的位移的矢量和波的干涉频率相同的两列波叠加时,某些区域的振幅加大、某些区域的振幅减小,这种现象叫做波的干涉(干涉也是波所特有的现象)第五节多普勒效应多普勒效应波源与观察者相互靠近或者相互远离时,接收到的波的频率都会发生变化,这种现象叫做多普勒效应第六节惠更斯原理波面和波线振动状态相同的点组成的面叫波面,与波面垂直、代表波的传播方向的线叫做波线惠更斯原理在介质中任一波面上的各点,都可以看做发射子波的波源,其后任意时刻,这些子波在波前进方向的包络面就是新的波面波的反射波进入第二种介质时返回到第一种介质的现象波的折射波进入第二种介质后传播方向发生偏折的现象高中物理选修3-4知识点章节名称定义(内容)公式标准单位第十三章光第一节光的反射和折射反射定律和折射定律1、光从第一种介质射到第二种介质的分界面时,一部分光会返回到第一种介质,这个现象叫做光的反射,另一部分光会进入第二种介质,这个现象叫做光的折射2、反射定律反:射线与入射线、法线处在同一平面内,反射光线与入射光线分别位于法线的两侧;反射角等于入射角这就是反射定律3、折射定律:折射光线与入射线、法线处在同一平面内,折射光线与入射光线分别位于法线的两侧;入射角的正弦与折射角的正弦成正比4、在光的折射现象中,光路是可逆的1221sinsinn=θθ折射率光从真空射入某种介质发生折射时,入射角的正弦与折射角的正弦之比,叫做这种介质的绝对折射率,简称折射率(光从真空射入任何介质时,入射角总是大于折射角)vcn=第二节全反射全反射1、光疏介质:折射率较小的介质2、光密介质:折射率较大的介质3、光在光密介质中的传播速度比在光疏介质中的传播速度小4、全反射和临界角:光从光密介质射入光疏介质时,同时发生折射和反射。
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高中物理选修3-4相对论知识点
相对论是物理选修3-4的重点内容,高中学生要了解哪些知识点?下面店铺给大家带来高中物理相对论知识点,希望对你有帮助。
高中物理相对论知识点
一、狭义相对论的基本假设;狭义相对论时空观与经典时空观的区别
爱因斯坦狭义相对性原理的两个基本假设:
⑴狭义相对性原理:在不同的惯性参考系中,一切物理定律都是相同的。
⑵光速不变原理:在不同的惯性参考系中,真空中的光速都是相同的。
即光速与光源、观测者间的相对运动没有关系。
相对论的时空观:
经典物理学的时空观(牛顿物理学的绝对时空观):时间和空间是脱离物质而存在的,是绝对的,空间与时间之间没有任何联系。
相对论的时空观(爱因斯坦相对论的相对时空观):空间和时间都与物质的运动状态有关。
相对论的时空观更具有普遍性,但是经典物理学作为相对论的特例,在宏观低速运动时仍将发挥作用。
二、同时的相对性、长度的相对性、质能关系
时间和空间的相对性(时长尺短)
1.同时的相对性:指两个事件,在一个惯性系中观察是同时的,但在另外一个惯性系中观察却不再是同时的。
2.长度的相对性:指相对于观察者运动的物体,在其运动方向的长度,总是小于物体静止时的长度。
而在垂直于运动方向上,其长度保持不变。
长度收缩公式:
3.时间间隔的相对性:指某两个事件在不同的惯性系中观察,它们发生的时间间隔是不同的。
高中物理选修3-4知识点
1、机械振动:
物体(或物体的一部分)在某一中心位置两侧来回做往复运动,叫做机械振动。
机械振动产生的条件是:
①回复力不为零;
②阻力很小。
使振动物体回到平衡位置的力叫做回复力,回复力属于效果力,在具体问题中要注意分析什么力提供了回复力。
2、简谐振动:
在机械振动中最简单的一种理想化的振动。
对简谐振动可以从两个方面进行定义或理解:
①物体在跟位移大小成正比,并且总是指向平衡位置的回复力作用下的振动,叫做简谐振动。
②物体的振动参量,随时间按正弦或余弦规律变化的振动,叫做简谐振动。
3、描述振动的物理量
研究振动除了要用到位移、速度、加速度、动能、势能等物理量以外,为适应振动特点还要引入一些新的物理量。
⑴位移x:由平衡位置指向振动质点所在位置的有向线段叫做位移。
位移是矢量,其最大值等于振幅。
⑵振幅A:做机械振动的物体离开平衡位置的最大距离叫做振幅,振幅是标量,表示振动的强弱。
振幅越大表示振动的机械能越大,做简揩振动物体的振幅大小不影响简揩振动的周期和频率。
⑶周期T:振动物体完成一次余振动所经历的时间叫做周期。
所谓全振动是指物体从某一位置开始计时,物体第一次以相同的速度方向回到初始位置,叫做完成了一次全振动。
高中物理选修3-4重点知识点
简谐运动图象描述振动的物理量
(1)直接描述量:
①振幅A;②周期T;③任意时刻的位移t.
(2)间接描述量:
(3)从振动图象中的x分析有关物理量(v,a,F)
简谐运动的特点是周期性。
在回复力的作用下,物体的运动在空间上有往复性,即在平衡位置附近做往复的变加速(或变减速)运动;
在时间上有周期性,即每经过一定时间,运动就要重复一次。
我们能否利用振动图象来判断质点x,F,v,a的变化,它们变化的周期虽相等,但变化步调不同,只有真正理解振动图象的物理意义,才能进一步判断质点的运动情况。
机械波的特点
⑴每一质点都以它的平衡位置为中心做简振振动;后一质点的振动总是落后于带动它的前一质点的振动。
⑵波只是传播运动形式(振动)和振动能量,介质并不随波迁移。
横波的图象
用横坐标x表示在波的传播方向上各质点的平衡位置,纵坐标y表示某一时刻各质点偏离平衡位置的位移。
简谐波的图象是正弦曲线,也叫正弦波。
简谐波的波形曲线与质点的振动图象都是正弦曲线,但他们的意义是不同的。
波形曲线表示介质中的“各个质点”在“某一时刻”的位移,振动图象则表示介质中“某个质点”在“各个时刻”的位移。