物理魯科版（2019）必修第二冊 第5章科學(xué)進步無止境課件

第1節(jié)初識相對論

第2節(jié)相對論中的神奇時空

第3節(jié)探索宇宙的奧秘學(xué)習(xí)目標(biāo)思維導(dǎo)圖1.了解相對性原理和光速不變原理。2.初步了解相對論時空觀的內(nèi)涵。3.能運用與相對論相關(guān)的初步知識解釋高速世界的一些特點。4.了解宇宙的起源與演化。必備知識自我檢測一、初識相對論1.牛頓力學(xué)的局限性1887年的邁克耳孫—莫雷實驗等表明:在不同的參考系中,光的傳播速度都一樣。這與牛頓力學(xué)的結(jié)論是矛盾的。2.相對論的兩個基本假設(shè)愛因斯坦徹底放棄絕對時間的概念,提出兩個基本假設(shè):(1)相對性原理:所有物理規(guī)律在一切慣性參考系中都具有相同的形式。(2)光速不變原理:在一切慣性參考系中,測量到的真空中的光速c都一樣(c=3×108m/s)。必備知識自我檢測二、相對論中的神奇時空1.時間延緩效應(yīng)如果相對于地面以v運動的慣性參考系上的人觀察到與其一起運動的物體完成某個動作的時間間隔為τ0,地面上的人觀察到該物體必備知識自我檢測3.質(zhì)能關(guān)系(1)按照相對論及基本力學(xué)定律可推出質(zhì)量和能量有如下關(guān)系:E=mc2。這就是著名的質(zhì)能關(guān)系式。(2)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)量減少或增加時,必然伴隨著能量的減少或增加,其關(guān)系為ΔE=Δmc2。4.奇妙的時空彎曲愛因斯坦的廣義相對論認(rèn)為,由于物質(zhì)的存在,空間和時間會發(fā)生彎曲。天體之間的引力作用是時空彎曲的結(jié)果。必備知識自我檢測三、探索宇宙的奧秘1.宇宙的起源大爆炸宇宙模型認(rèn)為:宇宙從一個溫度無限高,物質(zhì)密度無限大的“奇點”爆炸而成。大爆炸宇宙模型不僅能解釋宇宙光譜的紅移現(xiàn)象,而且預(yù)言在大爆炸的背景下產(chǎn)生的微波輻射至今存在于宇宙空間中。2.宇宙的演化通過觀測和理論分析,科學(xué)家推測宇宙的大部分都是由暗物質(zhì)和暗能量組成的。必備知識自我檢測3.永不停息的探索宇宙茫茫無際,人類的探索也不會停止,為了擺脫大氣層的影響,人們先后發(fā)射了許多人造衛(wèi)星及宇宙飛行器,用于天文觀測。2016年,我國落成啟用的世界上最大單口徑、最靈敏、具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的射電望遠(yuǎn)鏡,是人類探索宇宙深處奧秘的神奇“眼睛”——“中國天眼”。必備知識自我檢測1.正誤辨析(1)在不同的慣性系中,在不同的方向上,光在真空中的傳播速度大小是不同的。(

)解析:根據(jù)光速不變原理,在不同的慣性系中,在不同的方向上,光在真空中的傳播速度大小是相同的。答案:×(2)在高速世界中,運動的時鐘會變慢,而在低速世界中這種效應(yīng)可以忽略。(

)解析:根據(jù)時間延緩效應(yīng),運動的時鐘會變慢,低速世界延緩很小,這種效應(yīng)可以忽略。答案:√必備知識自我檢測(3)大爆炸宇宙模型認(rèn)為宇宙起源于一個“奇點”。(

)解析:美國科學(xué)家伽莫夫認(rèn)為宇宙從一個溫度無限高、物質(zhì)密度無限大的“奇點”爆炸而成。答案:√(4)科學(xué)家還沒有證據(jù)證明黑洞的存在。(

)解析:2015年,人類首次直接探測到引力波的存在。這是由兩個黑洞合并為一個更大的黑洞產(chǎn)生的。答案:×必備知識自我檢測2.(多選)關(guān)于狹義相對論的兩個基本假設(shè),下列說法正確的是(

)A.在不同的慣性參考系中,一切物理規(guī)律都是相同的B.在不同的慣性參考系中,力學(xué)規(guī)律都一樣,電磁規(guī)律不一樣C.真空中的光速大小在不同的慣性參考系中都是相同的D.真空中的光速在不同的慣性參考系中是有差別的解析:狹義相對論的基本假設(shè)有兩個,分別是愛因斯坦相對性原理和光速不變原理,選項A、C正確。答案:AC必備知識自我檢測3.(多選)關(guān)于大爆炸宇宙模型的下列說法正確的是(

)A.宇宙起源于一個特殊的點,這個點大爆炸,是空間的開始B.宇宙大爆炸后空間膨脹一定會一直持續(xù)下去,永不停止C.宇宙起源的“奇點”溫度無限高,密度無限大D.宇宙膨脹到某個極大值后可能會收縮解析:根據(jù)大爆炸宇宙模型,宇宙起源于“奇點”,該“奇點”溫度無限高,密度無限大,認(rèn)為該點擁有無窮的能量,但體積無限小,選項C正確。宇宙爆炸后,急劇膨脹,宇宙未來的演化有兩種可能,一是持續(xù)膨脹,另一種是膨脹到極限后又收縮成一個新的“奇點”,選項B錯誤,D正確?！捌纥c”爆炸是宇宙的始點,既是時間的起點又是空間的始點,選項A正確。答案:ACD問題一問題二問題三隨堂檢測對相對論中“兩假設(shè)、兩效應(yīng)”的理解情境導(dǎo)引日常生活中我們并沒有發(fā)現(xiàn)物體的長度隨著運動速度發(fā)生變化,假設(shè)物體以接近光速的速度運動,你認(rèn)為它的長度變化嗎?要點提示:根據(jù)相對論時空觀,物體沿著運動方向上的長度會變短。問題一問題二問題三隨堂檢測知識點撥1.相對論的兩個假設(shè)(1)在不同的慣性參考系中,物理規(guī)律的形式都是相同的。也就是說,物理學(xué)的定律與慣性系的選擇無關(guān)。(2)真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的。也就是說,不管光源與觀察者的相對運動如何,在任一慣性系中的觀察者所觀測到的真空中的光速都是相等的。問題一問題二問題三隨堂檢測2.相對論的兩個效應(yīng)(1)時間延緩效應(yīng):如果相對于地面以v運動的慣性參考系上的人,觀察與其一起運動的物體完成某個動作的時間間隔為τ0,那么地面上的人觀察到該物體在同一地點完成這個動作的時間間隔為τ,有理解:(1)對同一物理過程經(jīng)歷的時間,在不同的慣性系中觀測,測得的結(jié)果不同,時間延緩效應(yīng)是一種觀測效應(yīng),不是被測過程的節(jié)奏變化了。(2)慣性系速度越大,地面上的人觀測到的時間越長。(3)由于運動是相對的,故在某一參考系中觀測另一參考系中發(fā)生的物理事件,總會感到時間延緩效應(yīng)。即慣性系中的人觀測地面上發(fā)生的事件的時間也延緩。問題一問題二問題三隨堂檢測(2)長度收縮效應(yīng):如果與桿相對靜止的人測得桿長是l0,沿著桿的方向,以v相對桿運動的人測得桿長是l,有l(wèi)=l0,總有l(wèi)<l0。理解:(1)長度收縮效應(yīng)也是一種觀測效應(yīng),不是物體本身發(fā)生了收縮。(2)在垂直于運動方向上,物體不會發(fā)生收縮效應(yīng)。(3)由于運動是相對的,故在某一參考系中觀測另一參考系中沿運動方向桿的長度,總有長度收縮效應(yīng),即在靜止慣性系中的人觀測運動的桿,沿桿運動方向的長度發(fā)生收縮。問題一問題二問題三隨堂檢測實例引導(dǎo)例1(多選)一枚火箭靜止于地面時長為30m,兩個完全相同的時鐘分別放在火箭內(nèi)和地面上?；鸺运俣葀飛行,光速為c,下列判斷正確的是(

)A.若v=0.5c,火箭上的觀察者測得火箭的長度仍為30mB.若v=0.5c,地面上的觀察者測得火箭的長度仍為30mC.若v=0.5c,火箭上的觀察者認(rèn)為地面上的時鐘走得快D.若v=0.5c,地面上的觀察者認(rèn)為火箭上的時鐘走得慢問題一問題二問題三隨堂檢測解析:一枚靜止時長30

m的火箭以0.5c的速度飛行,根據(jù)相對論時空觀得火箭上的觀察者測得火箭的長度為30

m,故A正確;根據(jù)長度的收縮性l=l0得地面上的觀察者測得火箭的長度為L=26

m,故B錯誤;根據(jù)時間延緩效應(yīng),運動的鐘比靜止的鐘走得慢,而且,運動速度越大,鐘走得越慢;同時運動是相對的,火箭相對于地面上的人是運動的,地面上的人相對于火箭也是運動的,所以若v=0.5c,火箭上的觀察者認(rèn)為地面上的時鐘走得慢,同時地面上的觀察者認(rèn)為火箭上的時鐘走得慢,故C錯誤,D正確。答案:AD問題一問題二問題三隨堂檢測變式訓(xùn)練1如果飛船以0.75c的速度從你身邊飛過,飛船上的人看飛船上的一個燈亮了10min,你觀測到這個燈亮的時間為多少?解析:設(shè)觀測到燈亮的時間為τ,則

答案:15min問題一問題二問題三隨堂檢測對相對論中“兩關(guān)系”的理解情境導(dǎo)引質(zhì)量為M=0.5kg的小球,在F=100N的合力作用下由靜止開始加速,經(jīng)過2×106s,它的速度變?yōu)槎嗌?大家覺得這個結(jié)果可能嗎?要點提示:根據(jù)牛頓第二定律很容易算出a=200

m/s2,再由v=at求得它的速度為4×108

m/s。這是不可能的,因為物體的速度不能超過光速。問題一問題二問題三隨堂檢測知識點撥1.質(zhì)能關(guān)系(1)經(jīng)典物理學(xué)的觀點在經(jīng)典物理學(xué)中,質(zhì)量和能量是兩個獨立的概念。(2)相對論的觀點由相對論及基本力學(xué)定律可推出質(zhì)量和能量的關(guān)系為E=mc2或ΔE=Δmc2。根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能關(guān)系,人們利用重核裂變反應(yīng)前后質(zhì)量虧損釋放大量能量發(fā)電及制造原子彈。問題一問題二問題三隨堂檢測2.質(zhì)速關(guān)系(1)經(jīng)典物理學(xué)的觀點經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為物體的質(zhì)量是物體的固有屬性,由物體所含物質(zhì)的多少決定,與物體所處的時空和運動狀態(tài)無關(guān)。由牛頓第二定律F=ma可知,只要物體的受力足夠大、作用時間足夠長,物體將能加速到光速或超過光速。(2)相對論的觀點由狹義相對論和基本力學(xué)定律,可推知物體的質(zhì)量是變化的。當(dāng)物體相對某慣性參考系靜止時,它具有最小的質(zhì)量m0,這個最小質(zhì)量叫靜止質(zhì)量。當(dāng)物體以速度v相對某慣性參考系運動時,在這個慣性參考系觀測到的質(zhì)量為問題一問題二問題三隨堂檢測實例引導(dǎo)例2利用現(xiàn)代高能物理研究所用的粒子加速器對電子進行加速,當(dāng)把電子的速度加速到

c時,設(shè)電子的靜止質(zhì)量是m0。則:(1)加速之后,電子的質(zhì)量增加多少?(2)加速之后,電子的能量是多大?問題一問題二問題三隨堂檢測易錯提醒相對論關(guān)系中的兩點注意事項(1)相對論中,質(zhì)量與能量是物質(zhì)不可分離的屬性。(2)任何質(zhì)量m都對應(yīng)一定的能量mc2,即任何靜止時質(zhì)量不為零的物體,都貯存著巨大的能量。問題一問題二問題三隨堂檢測A.公式中的m是物體以速度v運動時的質(zhì)量B.當(dāng)物體的運動速度v>0時,物體的質(zhì)量m>m0,即物體的質(zhì)量改變了,故這種情況下,經(jīng)典力學(xué)不再適用C.當(dāng)物體以較小速度運動時,質(zhì)量變化十分微弱,經(jīng)典力學(xué)理論仍然適用,只有當(dāng)物體以接近光速運動時,質(zhì)量變化才明顯,故經(jīng)典力學(xué)適用于低速運動,而不適用于高速運動D.通常由于物體的運動速度太小,質(zhì)量的變化引不起我們的感覺,故在分析地球上物體的運動時,不必考慮質(zhì)量的變化問題一問題二問題三隨堂檢測解析:公式中m0是靜止質(zhì)量,m是物體以速度v運動時的質(zhì)量,選項A正確;由公式知,只有當(dāng)v的大小與光速具有可比性時,物體的質(zhì)量變化才明顯,一般情況下物體的質(zhì)量變化十分微小,故經(jīng)典力學(xué)仍然適用,選項B錯誤,選項C、D正確。答案:ACD問題一問題二問題三隨堂檢測探索宇宙的奧秘情境導(dǎo)引1929年,美國天文學(xué)家哈勃在研究星系的光譜后提出了哈勃定律。認(rèn)定所有的星系都在彼此遠(yuǎn)離,宇宙處于普遍膨脹之中。遙遠(yuǎn)恒星發(fā)出的光線在地球上會發(fā)生什么現(xiàn)象?要點提示:會發(fā)生彎曲。知識點撥光線在引力場中彎曲:根據(jù)廣義相對論,物質(zhì)的引力會使光線彎曲,引力場越強,彎曲越厲害。通常物體的引力場都太弱,但太陽引力場卻能引起光線比較明顯的彎曲。問題一問題二問題三隨堂檢測實例引導(dǎo)例3(多選)下面說法符合廣義相對論的是(

)A.物質(zhì)的引力使光線彎曲B.光線沿直線傳播,與引力場無關(guān)C.強引力場附近的光線彎曲一定是光發(fā)生了折射現(xiàn)象D.恒星發(fā)出的光在太陽引力場作用下會發(fā)生彎曲解析:觀測結(jié)果證實了引力使光線彎曲的結(jié)論,選項A正確,B錯誤;引力場吸引力使光線彎曲,選項C錯誤;恒星發(fā)出的光在太陽引力場作用下會發(fā)生彎曲,選項D正確。答案:AD問題一問題二問題三隨堂檢測1.如圖所示,強強乘坐速度為0.9c(c為光速)的宇宙飛船追趕正前方的壯壯,壯壯的飛行速度為0.5c。強強向壯壯發(fā)出一束光進行聯(lián)絡(luò),則壯壯觀測到該光速的傳播速度大小為(

)A.0.4c B.0.5c C.0.9c D.1.0c解析:根據(jù)光速不變原理,在任何參照系中測量的光速大小都是c,D正確。答案:D問題一問題二問題三隨堂檢測2.關(guān)于經(jīng)典力學(xué)和相對論,