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四川省广安市岳池县第一中学高中物理《64-5相对论的速度变换公式质能关系广义相对论点滴》学案
学案2 相对论的速度变换公式 质能关系 广义相对论点滴(选学)
[学习目标定位] 1.知道相对论速度变换公式、相对论质量和质能方程.2.了解广义相对论的基本原理.3.初步了解广义相对论的几个主要观点以及主要观测证据.
回旋加速器的工作原理:带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动,周期T=,因粒子的q不变、质量 ,所以周期T ,与轨道半径和速度无关;使高频交变电场的周期和粒子运动周期 ,就会使粒子每次经过电场时都会被加速,动能一次次 ,获得的最大速度vmax=.
1.相对论的速度变换公式
设高速行驶的火车相对地面的速度为u,车上的人以速度v′沿火车运动的方向相对火车运动,那么人相对地面的速度为v=,若车上人的运动方向与火车的运动方向相反,则v′取 ;若v′=c,则代入上式得出v= ,即光速是宇宙速度的 ,且相对任何参考系,光速都是 的.
2.相对论的质量:物体的质量随物体速度的增加而
物体以速度v运动时的质量m与静止时的质量m0之间的关系是:m=.因为总有vc,所以运动物体的质量m 它静止时的质量m0.
3.物体的质量m与其蕴含的能量E之间的关系是: .由此可见,物体质量越大,其蕴含的能量 能量与质量成 ,所以质能方程又可写成 .
4.广义相对论的两个基本原理
(1)广义相对性原理
在 中物理规律都是 的.
(2)等效原理
一个不受引力作用的加速度系统跟一个受引力作用的 是等效的.
一、相对论的速度变换
[问题设计]
一列火车正以v=50 m/s的速度高速行驶,列车内一乘客以相对列车u′=5 m/s的速度向前跑,站台上的观察者测得该乘客的速度是u=v+u′=55 m/s.若列车的速度是0.9c,乘客的速度是0.5c,那么站台上的观察者测得该乘客的速度是0.9c+0.5c=1.4c吗?
[要点提炼]
1.公式:设高速行驶的火车对地面的速度为v,车上的人相对火车以速度u′运动,那么人相对地面的速度为u.
2.对公式的理解
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u为u=.
(1)若粒子运动方向与火车运动方向相反,则u′取 值.
(2)如果v?c,u′?c时,可忽略不计,这时相对论的速度变换公式可近似为 .
(3)若u′=c,v=c,则u=c,表明一切物体的速度都不能超过光速.
(4)该变换公式只适用于同一直线上匀速运动速度的变换,对于更复杂的情况不适用.
(5)光速c是宇宙速度的 ,且相对任何参考系,光速都是 的.
二、相对论质量和能量
[问题设计]
回旋加速器中磁场一次次把粒子拉到狭缝处,狭缝处的电场一次次加速带电粒子.假如回旋加速器的半径可以增大到很大,磁感应强度足够大,经回旋加速器加速的粒子的速度可以达到任意速度甚至超过光速吗?
[要点提炼]
1.相对论质量
(1)经典力学:物体的质量是 的,一定的力作用在物体上产生 的加速度,经过足够长时间后物体可以达到 的速度.
(2)相对论:物体的质量随物体速度的 而
①物体以速度v运动时的质量m与静止时的质量m0之间的关系是:m=.
②因为总有vc,所以运动物体的质量m 它静止时的质量m0,但当v?c时,m≈m0,所以低速运动的物体,可认为其质量与运动速度无关.
③微观粒子的速度很大,因此粒子质量明显大于静质量.
2.质能方程
关系式: ,式中m是 ,E是
[延伸思考]
有人根据E=mc2得出结论:质量可以转化为能量,能量可以转化为质量,这种说法对吗?
三、广义相对论点滴
[问题设计]
1.在一个全封闭的宇宙飞船中,若飞船静止,宇航员将一小球自由释放,小球将怎样运动?假如没有引力场,飞船加速上升,宇航员将小球自由释放,小球相对飞船会怎样运动?
宇航员能否根据“小球的加速下落”判断飞船是静止在一个引力场中,还是正处在一个没有引力场而正加速上升的过程中?
[要点提炼]
1.广义相对论的基本原理
(1)广义相对性原理:在 中物理规律都是一样的.
(2)等效原理:一个不受引力作用的加速度系统跟一个受引力作用的 是等效的.
2.广义相对论的几个结论
(1)光线在引力场中
(2)引力场的存在使得空间不同位置的 出现差别(引力红移).
一、相对论速度变换公式
例1
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