高中物理 选修3-4 《相对论》ppt课件

【答案】
见解析
三、对长度的相对性的理解 【例3】 一观察者测得运动着的米尺为0.5 m长，求此米
尺以多大的速度移动．
【解析】
以观察者为一参考系测得的长度为l，米尺为
另一参考系，测得米尺的长度为l′，应用公式 l＝l′ v2 1－ c ，进行变形可解v.
3．分析时间间隔和长度变化时应注意的问题 (1)时间间隔、长度的变化，都是由于物质的相对运动引 起的一种观测效应，它与所选取的参考系有关，物质本身的结 构并没有变化． (2)两个事件的时间间隔和物体的长度，必须与所选取的 参考系相联系，如果在没有选取参考系的情况下讨论时间的长 短及空间的尺寸，是没有任何意义的．
v 1－ c 2
.
4．相对论时空观 (1)经典时空观：空间和时间是脱离物质存在的，是绝对 的，空间和时间之间也是没有联系的． (2)相对论时空观：空间和时间与物质的运动状态有关.
知识图解
教材拓展提升
欲穷千里目 更上一层楼
一、经典的相对性原理与狭义相对性原理 1．惯性系和非惯性系：牛顿运动定律能够成立的参考 系，相对于这个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯 性系．牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系． 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．
第一节 相对论的诞生 第二节 时间和空间的相对性
课标解读
明确要求 把握方向 学业有成
1．知道经典的相对性原理，知道狭义相对论的实验基础 和它的两个基本假设． 2．知道狭义相对论的几个主要结论． 3．了解经典时空观与相对论时空观的主要区别，体会相 对论的建立对人类认识世界的影响．
教材知识梳理
感受自主学习 收获成果
一、经典相对性原理与狭义相对论的两个基本假设 1．经典的相对性原理 (1)惯性系：牛顿运动定律能够成立的参考系．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． (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．

与黑体辐射有 关
量子理论诞生
与光速问题有 关
相对论诞生
正是这两朵小小的乌云，冲破了经典物理学的
束缚，打消了当时绝大多数物理学家的盲目乐
观情绪，为后来建立近代物理学的理论基础作
出了贡献。
一、经典的相对性原理
1、惯性系： 牛顿运动定律成立的参考系
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
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，一方面是因为牛顿力学在解决力 学问题上获得的巨大成功；另一方面 是因为它与人们的经验相符。
但是十九世纪中叶，人们在研究 与物体运动有关的电磁现象时，发现 电磁现象的规律不符合相对性原理。
其中最典型的就是光速的问题。
二、相对性原理与电磁规律
（1564-1642） （1642-1722）
（1831-1879）
物 理 学 关 键 概 念 的 发 展
1600
力学
电磁学
热力学
1700
1800
1900
2000
19世纪末期，以经典力学、热力学和统计物理、电磁场理 论为主要内容的物理学形成了完整的科学体系，自然界的各 种物理现象几乎都能用这些理论解释。
19世纪末电磁理论在麦克斯韦的推动下达到了 顶峰。他的成就在于将当时所有已知的电磁学 的知识归纳集中于四个方程之中：
C 1
00 0 8.85 1012 C 2 N 1 m 2 0 1.26 106 N s2 C 2
C 2.99 108 m / s
由麦克斯韦方程组可以直接得出：电磁波的 速度等于光速C，并不涉及参考系的问题， 这与经典力学的速度合成法则一致吗？
我的理论被证实过一万次也不能证明这 个理论是正确的，相反，只要有一次发现是 错误的，那就足以证明这个理论是错误的。

5.9×106 m/s 可以使用经典动能公
探究一
探究二
变式训练1 导学号一粒子以0.05c的速度相对实验室参考系运动。
此粒子衰变时发射一个电子,电子相对于粒子的速度为0.8c,电子的
运动方向与粒子运动方向相同。求电子相对于实验室参考系的速
度。
解析:已知v=0.05c,u'=0.8c。
由相对论速度变换公式得
探究一
探究二
典例剖析
【例题1】 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?此时还能否使用经典
的动能公式?(m0=9.1×10-31 kg)
探究一
探究二
解析:由动能定理:
Ek=eU=1.6×10-19×100 J=1.6×10-17 J
k
2
根据质能方程:ΔE=Δmc 得 Δm= 2 ,
u=
'+
' =
1+ 2

答案:0.817c
0.8+0.05
0.8×0.05 ≈0.817c。
1+
2
探究一
探究二
探究二广义相对论的几个结论
问题导引
地球表面有引力,那么为什么在地球表面均匀介质中光沿直线传播?
探究一
探究二
名师精讲
1.光线在引力场中弯曲:根据广义相对论,物质的引力会使光线弯曲,
加速度也是一定的,足够长的时间以后物体就可以达到任意的速度。
②相对论情况下:物体的质量随其速度的增大而增大。物体以速度
0
m=
v运动时的质量m与静止时的质量m0的关系式为
。
2
1-
(3)质能方程:

课堂讲义 • 解析 由E＝mc2可知，若E增大，则m增大； 若E减小，则m减小，A正确，B错误；若 m减 小，则 E减小，若 m 增大，则 E增大， C、 D 均 错误． • 答案 A • 借题发挥 爱因斯坦的质能方程揭示了物质 与运动的不可分割的属性，即一定的能量与 相应的质量相联系，切不可理解为质量转化 为能量．
u v′ 1＋ 2 c
•
v＝
.
预习导学 • 2．相对论质量和能量 mc2 E＝ • (1)爱因斯坦的质能关系式 ，m是物 体的质量， E 是它所包含的能量， c 是光在真 空中的速率． m0 • (2)物体以速率 v运动时的质量m与静止时的 2 v 1－ 2 质量m0之间有如 c •
2 m c (3)与静质量对应的能量称为静能量，为E0＝ 0 .
v 1－ c 2
c
m0 1－ m 2＝c s，故选 C. 2
答案
C
课堂讲义 • 【例3】 1905年，爱因斯坦创立了“相对论 ”，提出了著名的质能方程，下面涉及对质 能方程理解的几种说法中正确的是 • ( ) • A．若物体能量增大，则它的质量增大 • B．若物体能量增大，则它的质量减小 • C ．若核反应过程质量减小，则需吸收能 量 • D ．若核反应过程质量增大，则会放出能
课堂讲义 • 1．当物体运动方向与参考系相对地面的运动 方向相反时，公式中的v′取负值． • 2．若物体运动方向与参考系运动方向不共线 ，此式不可用． • 3．由公式可知：v一定比u＋v′小，但当u和 v′都比c小得多时，可认为v＝u＋v′，这就 是低速下的近似，即经典力学中的速度叠加 ． • 4 ．当 v′＝ u ＝ c 时， v ＝ c ，证明了光速是速 度的极限，也反证了光速不变原理．
课堂讲义 • 【例1】 一粒子以0.05c的速率相对实验室参 考系运动．此粒子衰变时发射一个电子，电 子相对于粒子的速度为0.8c，电子的衰变方向 与粒子运动方向相同．求电子相对于实验室 参考系的速度． 解析 已知 v＝0.05c，u ′＝0.8c.

C.所有中子星都会发展为黑洞
√D.如果有一个小的星体经过黑洞，将会被吸引进去
图1
解析 少数中子星会发展成为黑洞.黑洞之所以黑是因为光不能从其中射出，而
不是内部没有光线.由于引力的作用，其光线弯曲程度很大，不能射出.当有一
个小的星体经过黑洞时，由于黑洞质量很大，对小星体有很强大的引力，会把
小星体吸引进去.
1234
2.(相对论速度变换公式)一高能加速器沿相反方向射出两个粒子，速度均为 0.6c，则它们的相对速度大小是多少？ 答案 0.88c
1234
3.(相对论质量)星际火箭以0.8c的速率飞行，其静止质量为运动质量的百分之几？
答案 60%
解析 设星际火箭的静止质量为m0，运动质量为m，
则mm0＝
m0 m0
达标检测
1.(广义相对论)(多选)下列说法中正确的是
√A.在任何参考系中，物理规律都是相同的，这就是广义相对性原理
B.在不同的参考系中，物理规律都是不同的，例如牛顿运动定律仅适用于惯性 参考系
C.一个均匀的引力场与一个做匀速运动的参考系等价，这就是著名的等效原理
√D.一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价，这就是著名的等效原理
答案 速度不可以超过光速 因为回旋加速器的理论基础是粒子在磁场中做圆周运动的周期(T＝2qπBm )等于交 变电场的周期；速度较小时粒子的质量m可以认为不变，周期T不变，电场变 化与粒子圆周运动同步，但速度较大时，粒子质量增大明显，粒子做圆周运动 的周期T变大，无法做到圆周运动的周期与交变电场的周期同步.
u′＋v u′＋vc2 0.8c＋0.05cc2 u＝1＋u′c2 v＝ c2＋u′v ＝c2＋0.8c×0.05c≈0.817c.

1988年，中 国第一座高能粒 子加速器——北 京正负电子对撞 机首次对撞成功
7
活动三 相对论质量 物体的能量和质量之间存在
密切的联系，他们的关系是：
Emc2
这就是著名的爱因斯坦质能方程
8
具体推导过程如下：
Ek EE0 Emc2
E0 m0c2
v 1 c
Ek
m0c2 1 v 2
m0c2
c
1v2 11v2
判天地之美，析万物之理
物理学家费尔德曾指出： 当你领悟一个出色的公式时，你会得到
如同听巴哈的乐曲一样的感受。
1
4
相对论的速度变换公式 质能关系
2
活动一 相对论的速度变换
u
v
车对地的速度为v，人对车的速度为v′
地面上的人看到车上人相对 地面的速度为：
v
u v
1
uv c2
3
v
u v
1
uv c2
c
2c
Ek
m0c2
m0c2
1 2
m0c2
v
2
c
1
1
v
2
2c
1 2
m0v 2
9
Ek
1 2
m0v2
这就是我们过去熟悉的动能表达式，这也能让 我们看出，牛顿力学是相对论力学在低速情况下的 特例．
10
如果车上人运动方向与火车运动方向相反，则v′取负 值
4
活动二 相对论质量
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？
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有下面的关系：
m
Hale Waihona Puke m01v2

应用广义相对论的原理解决时空变化问题的方法 1．应该首先分析研究的问题或物体做怎样的运动，是处于怎样的参考系 中．无论是匀加速运动的参考系，还是均匀的引力场中，其规律是相同的． 2．然后根据“引力使时间变慢，空间变短”的理论分析其所在位置或运动 情况会产生怎样的变化．
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量的粒子(如光子)，它却可以有动质量 m.
(2)质能方程 ①爱因斯坦质能关系式 E＝mc2. ②理解这个公式请注意 a．质能方程表达了物体的质量和它所包含的能量的关系；一定的质量总是 和一定的能量相对应． b．静止物体的能量为 E0＝m0c2，这种能量叫做物体的静能量．每个有静质 量的物体都具有静能量．
【答案】 ACE
4．在适当的时候，通过仪器可以观察到太阳后面的恒星，这说明星体发出 的光在________引力场作用下发生了________．
【解析】 根据爱因斯坦的广义相对论可知，光线在太阳引力场作用下发 生了弯曲，所以可以在适当的时候(如日全食时)通过仪器观察到太阳后面的恒 星．
【答案】 太阳 弯曲
2．电子的静止质量 m0＝9.11×10－31kg. (1)试用焦和电子伏为单位来表示电子的静质能； (2)静止电子经过 106 V 电压加速后，其质量和速率各是多少？
【解析】 (1)由质能方程得：
E ＝ m0c2 ＝ 9.11×10 － 31×(3×108)2
J ＝ 8.2×10 － 14
J
＝
【提示】 一定变化．由质能方程 ΔE＝Δmc2 可知，质量变化时，一定对应 能量的变化．
1．相对论速度变换公式的理解 假设高速火车对地面的速度为 v，车上的一高速粒子以速度 u′沿火车前进 的方向相对火车运动，那么此粒子相对于地面的速度为 u＝1u＋′u＋′c2vv. (1)若粒子运动方向与火车运动方向相反，则 u′取负值．

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结
束
[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小试身手) 在高速运动的火车上，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 与 u′＋v 的关系是 ( ) A．u＝u′＋v B．u＜u′＋v C．u＞u′＋v D．以上均不正确
结
束
第4节
相对论的速度变换公式
质能关系
u＋v′ 1．相对论速度变换公式 v＝ ，当 u≪c，v′≪c 时，v uv′ 1＋ 2 c ＝u＋v′，满足经典力学速度合成关系。 2．物体的质量与能量的对应关系：E＝mc2。 3．物体运动质量 m 与静质量 m0 的关系：m＝ 。 v2 1－ c 1 v 1－ c 2 －1] m0
解析：按照经典的时空观，u＝u′＋v，而实际上人对地面的速度 u′＋v 按照相对论速度公式计算， u＝ ， 因此 u 比 u′与 v 之和要 u′v 1＋ 2 c 小，但只有在 u′和 v 的大小接近光速时才能观察此差别。
答案：B首 页 上一页 源自一页末 页结束
相对论质量和能量
[自读教材· 抓基础] 1．质能关系式
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结
束
(1)如果车上的人的运动方向与火车的运动方向相反，则 v′取负值。 v′u (2)如果 u ≪c，v′≪c，这时 2 可忽略不计，这时相 c 对论的速度合成公式可近似变为 v＝v′＋u。 (3)如果 v′与 u 的方向垂直或成其他角度时，情况比较 复杂，上式不适用。
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结
束
－17
×100 J＝1.6×10 Ek 2 根据质能方程：ΔE＝Δmc ，得 Δm＝ 2 ， c 质量的改变量是原来的： － 1.6×10 17 Δm Ek ＝ ＝ ＝0.02% m0 m0c2 9.1×10－31×3×1082 加速后的速度为 v＝ 2Ek ＝ m0

2.由公式可知光速是物体相对运动速度的极限,只能无限趋近,永 远不能达到和超过。
3.对于质速关系 m= ������0
1-������������22
(1)这个关系式表明:物体的质量会随物体速度的增大而增大。
(2)u≪c时,
������ ������
2
=0,此时有m=m0,也就是说:低速运动的物体,可认
如图所示,小河中流水的速度是3 m/s,小船顺流而下,由于划船,它 相对于水的速度是1 m/s,那么船相对于河岸的速度是多少?假设水 流的速度是0.7c(c为真空中的光速),而小船相对于水的划行速度是 0.3c,还能这样求船相对于河岸的速度吗?
提示 如果物体的速度远小于真空中的光速,可以直接用u=u'+v,求 对地速度u。其中 v为参考系相对于地的速度,u'为物体相对参考系的 速度,u为物体对地速度。但当速度接近真空中的光速时就要考虑相 对论速度合成公式。
E=mc2,式中m是物体的质量,E是它具有的能量。
3.相对论速度合成定理 (1)公式:如图,火车行驶速度为v,人相对火车的速度是u'(v和u'同 向),那么人相对地面的速度为
u=1������+'+���������������'2���������。 (2)说明:若如图车上人的运动方向与火车运动方向相反,式中u'取 负值,若两者运动方向垂直或成其他角度,上式不适用。
为其质量与物体运动状态无关。
(3)微,如果u'和v都很大,例如u'=0.6c,v=0.6c,它们 的合速度会不会超过光速?如果u'和v更大些呢?
答案:u=10+.60���.���6+������������0·20.6.6������������=0.88c,u'和 v 更大些,只要 u'和 v 不超过光速, 可以证明 u 会更大一些,但不会超过光速。

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
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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。

第十五章 相对论简介
15.1 相对论的诞生
一、问题的提出
❖如果有人对你说：“你头脑中 的一些概念是不科学的．”你 相信吗？
一、问题的提出
❖人们头脑中的概念从科学性来 讲，可以分为两类：第一类是 科学的：第二类是经验的，但 不是科学的．
一、问题的提出
❖请问： ❖1、标准尺的长度静止时和运
动时的长度是一样吗？ ❖2标准钟的快慢运动时和静止
时是一样吗？在高山顶和山谷 是一样吗？
二、几个经典概念和规律
❖1、空间：人们通常所说的空 间量，不外乎线的长度、平面 物曲面的面积、形体的体积等 等．它们都可以用标准尺来量 度．
二、几个经典概念和规律
❖2、时间：通常，时间不外乎 两个事件的时间间隔、一个事 件比另一个事件发生得早些或 晚些、两个事件同时发生等 等．原则上时间都可以用标准 钟来量度．
14.不是每个人都能成为，自己想要的样子，但每个人，都可以努力，成为自己想要的样子。相信自己，你能作茧自缚，就能破茧成蝶。 30.从绝望中寻找希望，人生终将辉煌。
❖5、速度合成法则： ❖（2）速度合成法则：设质点
在在S/中的速度为u/，则在S中 的速度为 ❖u=u/+v
二、几个经典概念和规律
❖6、惯性系：牛顿运动定律成 立的参考系．
❖凡是相对于惯性系做匀速直线 运动的参考系都是惯性系．
二、几个经典概念和规律
❖7、牛顿力学中的相对性原理： 牛顿运动定律的数学形式在所 有的惯性系中都是相同的，或 者说，牛顿运动定律的数学形 式在伽利略变换是不变的．
94.当一个小小的心念变成成为行为时，便能成了习惯；从而形成性格，而性格就决定你一生的成败。 92.不管从什么时候开始，重要的是开始以后不要停止；不管在什么时候结束，重要的是结束以后不要后悔。 23.伟大的事业不是靠力气速度和身体的敏捷完成的，而是靠性格意志和知识的力量完成的。 100.我不知道年少轻狂，我只知道胜者为王。 16.只有一条路不能选择——那就是放弃的路；只有一条路不能拒绝——那就是成长的路。 67.能把在面前行走的机会抓住的人，十有八九都会成功。 32.你还年轻，别凑合过，接下来的人生，还有万万种可能。 20.不要怂，就是要拼，拼得越狠，就越牛逼，没啥道理好讲的，如果赚钱还要天天给你洗脑才行，你真的很适合做一辈子穷人！ 43.在命运的颠沛中，最可以看出人们的气节。——莎士比亚 50.人生如烟花，不可能永远悬挂天际，只要曾经绚烂过，便不枉此生。 10.不经历凛冽的寒风，不会有梅花的怒放；不经历素裹的寒霜，不会有翠竹的坚韧，不经历厚重的白雪，不会有青松的挺直；不经历寒冷的冬天，不会有明媚的春天。 19.健康的身体是实现目标的基石。 87.当你坚持不住的时候，再坚持一下！ 79.你想要的未来，是一步步走出来的。 17.即使道路坎坷不平，车轮也要前进；即使江河波涛汹涌，船只也航行。 40.大路走尽还有小路，只要不停地走，就有数不尽的风光。 43.你总说梦想遥不可及，可是你从不早起；总觉得成功都属于别人，可自己却从不努力。天赋不能带来的东西，努力或许可以改变。成功不会属于只想不做的人，早一点为梦想努力：愿你在生 活中自省，在美好里相遇，成为更喜欢的自己。

“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”
14
A
BHale Waihona Puke 152、如图，一列火车以速度v相 对地面运动，如果地面上的人 测得，某光源发出的闪光同时 到达车厢的前壁和后壁，那么 按照火车上的人的测量，闪光 先到达前壁还是后壁?
13
作业：
1、完成课本P104第3题； 2、完成学案P79“课后演练提升”1、2题； 3、完成学案P81“课后演练提升”1、2题； 4、预习“时间间隔的相对性”、
2
2、经典的相对性原理是什么？ 力学规律在任何惯性系中都是相同的。 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相对于另一个惯性 系做匀速直线运动。 任何惯性参考系都是平权的。
3
3、狭义相对论的两个基本假设是什么？
1、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。
2如图一列火车以速度v相对地面运动如果地面上的人测得某光源发出的闪光同时到达车厢的前壁和后壁那么按照火车上的人的测量闪光先到达前壁还是后壁
时间和空间的相对性
【学习目标】 1、了解经典的相对性原理 2、了解狭义相对论的两个基本假设 3、知道“同时”的相对性 4、理解长度的相对性
1
1、什么是惯性系？ 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。
两个事件—— 地面上的人读取N端对应数据； 地面上的人读取M端对应数据
地面上的人—— 同时发生 火车上的人——
9
如果与杆相对静止的人认为杆长是
与杆相对运动的人认为杆长是 l 。
l0
，
l l0
1 v 2 c