魯科物理必修二1《高速世界》教案2

1、高速世界要點(diǎn)精講一、高速世界的兩個(gè)基本原理1、以太物質(zhì)與邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為，宇宙空間充滿著能傳遞萬有引力和電磁相互作用的物質(zhì)以太，它具有絕對(duì)靜止、密度較小、硬度極大、安全透明等特點(diǎn)，并充斥于空間，滲透于一切物體。以太物質(zhì)是牛頓力學(xué)及其基礎(chǔ)絕對(duì)時(shí)空觀的產(chǎn)物，但被邁克爾遜莫雷所設(shè)計(jì)的精妙的光干涉法實(shí)驗(yàn)（1887年所否定）。說明：經(jīng)典時(shí)空觀（絕對(duì)時(shí)空觀）的基本內(nèi)容是：時(shí)間和空間是分別獨(dú)立、不相聯(lián)系的，空間距離和時(shí)間間隔都不隨參考系的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而改變，獨(dú)立于物質(zhì)和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)之外的時(shí)間均勻流逝，由絕對(duì)剛體保證的空間兩點(diǎn)長(zhǎng)度，在任何參考系中都是絕對(duì)相等的，即存在不受運(yùn)動(dòng)狀態(tài)影響的時(shí)鐘和直尺。2、愛

2、因斯坦的兩個(gè)基本假設(shè)（高速世界的兩個(gè)基本原理）（1）相對(duì)性原理：物理規(guī)律在一切慣性參考系中都具有相同的形式。（2）光速不變?cè)恚涸谝磺袘T性參考系中，測(cè)量到的真空中的光速C都一樣。說明：本章所述的低速與高速都是相對(duì)光速而言，速度遠(yuǎn)低于光速的稱為低速，一般的宏觀物體的速度都遠(yuǎn)低于光速，因此，通常說宏觀世界是低速世界，而微觀粒子（如電子、質(zhì)一、中子、宇宙高能射線等），其運(yùn)動(dòng)的速度常能接近于光速，這樣的速度稱之為高速，因此微觀世界往往與高速世界相聯(lián)系。3、四維時(shí)空相對(duì)論時(shí)空觀認(rèn)為，時(shí)間和空間是相互聯(lián)系、相互影響的，并且與物質(zhì)的存在及運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。在相對(duì)論里，空間三維加是時(shí)間一維成統(tǒng)為一體的四維時(shí)空。在

3、四維時(shí)空中的一個(gè)點(diǎn)被稱為一個(gè)事件。4、相對(duì)論效應(yīng)（1）時(shí)間延緩效應(yīng)一個(gè)十分重要的相對(duì)論效應(yīng)，即在某個(gè)慣性參考系中測(cè)得的A、B兩件事件（如兩道閃電）的時(shí)間間隔t，與在另一個(gè)相對(duì)于該慣性參考系的速度v，運(yùn)動(dòng)的慣性參考系中測(cè)得的A、B兩個(gè)事件的時(shí)間間隔t不等，且滿足： t=（2）長(zhǎng)度收縮效應(yīng)另一個(gè)重要的相對(duì)論效應(yīng)，即物體沿運(yùn)動(dòng)方向的長(zhǎng)度比靜止時(shí)長(zhǎng)度發(fā)生因子的收縮?？梢员磉_(dá)為。其中l(wèi)為相對(duì)物體靜止的觀測(cè)者測(cè)得的該物體的長(zhǎng)度，則是該物體沿其長(zhǎng)度方向以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)，靜止的觀測(cè)者測(cè)得的該物體的長(zhǎng)度。注意：不管是時(shí)間延緩效應(yīng)還是長(zhǎng)度收縮效應(yīng)，都是相對(duì)論時(shí)空觀的體現(xiàn)，是一種觀測(cè)效應(yīng)，時(shí)間延緩并不是時(shí)鐘走得快或慢

4、（或者被觀測(cè)過程的節(jié)奏變化了），長(zhǎng)度收縮也不是物體本身發(fā)生了收縮。5、質(zhì)速關(guān)系質(zhì)速關(guān)系可表達(dá)為m=，其中m0是物體在其自身靜止的參考系中測(cè)得的質(zhì)量，m稱為相對(duì)論質(zhì)量，上式表明，相對(duì)論質(zhì)量是隨v的增大而增大，當(dāng)vc時(shí)，m 時(shí)，可見量度慣性的是相對(duì)論質(zhì)量而非靜止質(zhì)量，對(duì)靜止質(zhì)量不為零的物體，是不能加速到光速的，即用任何動(dòng)力學(xué)的方法都不能獲得超光速的運(yùn)動(dòng)，光速是物體運(yùn)動(dòng)的極限速度，對(duì)于靜質(zhì)量，應(yīng)明確，在自然界所有基本粒子中，唯獨(dú)光子的靜質(zhì)量為零。式中的m是物質(zhì)的質(zhì)量，c為真空中的光速，E是物質(zhì)的能量。質(zhì)能關(guān)系表明，質(zhì)量和能量是物質(zhì)不可分離的屬性，當(dāng)物質(zhì)的質(zhì)量減少或增大時(shí)，必然會(huì)伴隨著能量的釋放或吸收

5、，且有下列關(guān)系 E=mc2 由于c2為巨大的物理常數(shù)，因此當(dāng)某物體受到高能量的作用而發(fā)生靜質(zhì)量的轉(zhuǎn)化m0時(shí)，會(huì)釋放出巨大的能量 E0=m0c2。原子彈等核武器及當(dāng)今遍布世界各地的核電站，都是這一物理規(guī)律的應(yīng)用。7、時(shí)空彎曲愛因斯坦的廣義相對(duì)論指出：作加速運(yùn)動(dòng)的參考系在時(shí)間、空間的小范圍內(nèi)與引力場(chǎng)等效，并進(jìn)一步得到，引力場(chǎng)是由于物質(zhì)的存在及其一定的分布狀況，使空間和時(shí)間變得不均勻（時(shí)空彎曲）所產(chǎn)生，時(shí)空結(jié)構(gòu)隨引力場(chǎng)而變化。在物理學(xué)中，相對(duì)論第一個(gè)體現(xiàn)了物質(zhì)和時(shí)空結(jié)構(gòu)的不可分性，愛因斯坦認(rèn)為，光線在引力場(chǎng)中的彎曲可得效為空間本身被引力彎曲了。引力不但影響空間，而且影響時(shí)間，對(duì)影響方式的最佳描述就是

6、時(shí)空彎曲。上述理論被英國(guó)天文學(xué)家愛丁頓對(duì)日食的觀測(cè)所驗(yàn)證。典型題解析例1 相對(duì)論中運(yùn)動(dòng)物體長(zhǎng)度縮短與物體線度的熱脹冷縮是否一回事？解析 相對(duì)論中物體長(zhǎng)度縮短，指的是相對(duì)于物體高速運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系中，測(cè)得沿運(yùn)動(dòng)方向的物體的長(zhǎng)度，比在相對(duì)于物體靜止的坐標(biāo)系中，測(cè)得的長(zhǎng)度短。這里的長(zhǎng)度縮短，是發(fā)生在一切運(yùn)動(dòng)著的物體上的物理過程，是一 種時(shí)空屬性，與過程的物理機(jī)制無關(guān)，僅與物體以及參照系之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，純粹是一種相對(duì)論效應(yīng)。物體運(yùn)動(dòng)速度愈大，長(zhǎng)度縮短也愈大。物體線度的熱用冷縮，是一種具體的物質(zhì)過程。指的是物體溫度變化時(shí)，組成物質(zhì)的分子原子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不同，導(dǎo)致了分子原子間電磁力的變化，使它們之間的距

7、離增大或減小。顯然，這種伸長(zhǎng)縮短對(duì)不同慣性系都是一樣的，與物體的運(yùn)動(dòng)速度無關(guān)。跟相對(duì)論中運(yùn)動(dòng)物體長(zhǎng)度縮短是完全不同的兩回事例2 設(shè)地球是一慣性系，并設(shè)北京和上海直線相距1000千米，且從這兩地同時(shí)開出一列列車（這里的“同時(shí)”是指對(duì)地球這一慣性而言）?，F(xiàn)有一艘飛船沿北京到上海方向直線飛行，速度恒為v0 。若：（1）v=9千米/秒；（2）v=0.999c（c=3108千米/秒，這樣高速的飛船，目前仍是一種幻想），問飛船中的觀察者測(cè)得兩列車開出時(shí)刻的間隔多少？解析 取S系與地面相連結(jié)，坐標(biāo)原點(diǎn)取在北京，以北京到上海的方向?yàn)閤軸的正方向；取S系與飛船相連結(jié)?，F(xiàn)已知x=x上海-x北京=106米，t=0。

8、（1）v=9千米/秒，這時(shí)v與c之比值。由式（10-20） 因1，1，于是t=t上海- t北京x=10-7秒，t上海= t北京-10-7秒。這就是說，飛船上的觀察者將發(fā)現(xiàn)上海開出列車的時(shí)間比北京早10-7秒（0.1微秒）。（2）v=0.999c，這時(shí)v與c之比值因 =22.3，所以 -22.3-7.410-2秒即飛船中的觀察者發(fā)現(xiàn)上海的列車比北京的早7.410-2秒（74毫秒）開出?；A(chǔ)演練與綜合應(yīng)用1、設(shè)某列車的本身長(zhǎng)度（與之相對(duì)靜止的觀測(cè)者測(cè)得的長(zhǎng)度）為100m，當(dāng)以（1）v=30m/s，（2）v=2.7108m/s的速度相對(duì)觀測(cè)者沿列車長(zhǎng)度方向作勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)地面的觀察者來說，它的長(zhǎng)度是多少？（提示當(dāng)x1時(shí)，有2、原子核由核子（質(zhì)子和中子組成），人們發(fā)現(xiàn)一些穩(wěn)定原子的原子核，