2020-2021学年高中物理 第6章第1讲 高速世界学案 鲁科版必修2

第1讲高速世界

［目标定位] 1.初步了解爱因斯坦相对论建立的背景。2.了解高速世界的两个基本原理，知道时间延缓、长度缩短、质速关系、质能关系和时空弯曲,能应用相对论知识解释简单的现象。3.了解经典物理学的局限，知道经典时空观与相对论时空观之间的关系．

一、高速世界的两个基本原理

1．相对性原理：所有物理规律在一切惯性参照系中都具有____________．

2．光速不变原理：在一切惯性参照系中，测量到的______中的光速c________.

二、时间延缓效应

1．内容:将一只高速运动的时钟与另一系列静止的同步钟相比较，发现____________变慢了，这个效应叫做时间延缓效应，时间延缓效应也称作时间膨胀．

2．表达式：________________________。

三、长度收缩效应

1．内容：一个一维物体相对另一惯性系沿自身长度方向匀速运动时，长度变短了，称这种效应为____________．

2．公式：l′＝l错误!

想一想我们平时为何观察不到这种长度收缩效应呢？

四、质速关系

在经典力学中，物体的质量与物体的______无关．但在相对论中，运动物体的质量随其__________的变化而变化．

m＝错误!

其中m为物体的__________，m0为__________,v为物体相对惯性系的运动速度．

想一想一个物体被加速、加速、再加速,它的速度会增大到等于甚至大于光速c吗？为什么?

五、质能关系

按照相对论及基本力学定律可得质量和能量的关系为E＝______,称为质能关系式．物质的质量减少(或增加)时，必然伴随________的减少(或增加)，其关系为ΔE＝______.

六、时空弯曲

爱因斯坦的理想实验：

1．科学预言：__________能使光线弯曲，______也能使光线弯曲．在宇宙中，物质______大、______高的区域时空弯曲大；物质______的地方，时空弯曲小．

2．实验验证:恒星的光线在太阳附近弯曲数据与广义相对论预言相当吻合．

3．进一步推理:光线在引力场中的弯曲可等效为空间本身被引力弯曲．引力不但影响______,而且影响______即时空弯曲.

一、对“两个基本原理”和“两个效应”的理解

1．两个基本原理

(1)相对性原理：所有物理规律在一切惯性参照系中都具有相同的形式．也就是说,物理学定律与惯性系的选择无关．

（2）光速不变原理：在一切惯性参照系中，测量到的真空中的光速c都一样．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．

2．两个效应

（1)时间延缓效应：爱因斯坦曾预言，两个校准过的钟，当一个沿闭合路线运动返回原地时，它记录的时间比原地不动的钟会慢一些．这已被高精度的铯原子钟超高速环球飞行实验证实．在相对论时空观中，运动时钟时间与静止时钟时间的关系：

Δt＝错误!。由于v＜c，所以Δt＞Δt′,即运动的钟比静止的钟走得慢．这种效应被称为时间延缓．

（2）长度收缩效应:按照狭义相对论时空观，空间也与运动密切相关，即对某物体空间广延性的观测,与观测者和该物体的相对运动有关．观测长度l′与静止长度l之间的关系：l′＝l错误!，由于v＜c,所以l′＜l。这种长度观测效应被称为长度收缩．

例1关于狭义相对论的基本假设,下列说法正确的是（)

A．在不同惯性系中，力学规律都是相同的

B．在不同的惯性系中，真空中的光速是不同的

C．在不同参照系中，一切物理规律都是相同的

D．对任何惯性系，真空中的光速都是相同的

针对训练1 一列很长的火车在沿平直车道飞快地匀速行驶，车厢中央有一个光源发出了一个闪光，闪光照到车厢的前壁和后壁．对这两个事件说法正确的是( )

A．车上的观察者认为两个事件是同时的

B．车上的观察者认为光先到达后壁

C．地面上的观察者认为两个事件是同时的

D．地面上的观察者认为光到达前壁的时刻晚些

二、对质速关系和质能关系的理解

1．相对论的质速关系

(1）物体的质量随物体速度的增加而增大，物体以速度v运动时的质量m与静止时的质量m0之间有如下关系：m＝错误!。

(2)物体运动时的质量总要大于静止时的质量m0.

2．相对论质能关系

用m表示物体的质量，E表示它具有的能量，则爱因斯坦质能方程为：E＝mc2.

例2太阳内部不停地发生着剧烈的热核反应,太阳每秒钟向外释放的能量约为3.8×1026 J,则太阳的质量每秒钟减少多少？

针对训练2 一被加速器加速的电子，其能量为3.0×109 eV,试问：

(1）此时电子的质量是其静质量的多少倍?

(2）此时电子的速率为多少?(电子的静质量为0。91×10－30 kg)

高速世界的两个基本原理

1．如图1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为( ）

图1

A．0。4c B．0。5c

C．0.9c D．1.0c

时间延缓效应和长度收缩效应

2．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约为多少?

3．惯性系S中有一边长为l的正方形（如下图所示），从相对S系沿x方向以接近光速匀速飞行的飞行器上测得该正方形的图象是（)

质速关系和质能关系

4．为了直接验证爱因斯坦狭义相对论中著名的质能方程E＝mc2，科学家用中子轰击铀原