粤教版高中物理选修3-4同步学习第5章第3节质能方程与相对论速度合成定理第4节广义相对论第5节宇宙学简介.doc

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第三节质能方程与相对论速度合成定理

第四节广义相对论

第五节宇宙学简介

[学习目标]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.4.了解宇宙的演化及宇宙学的新进展．

1．(3分)通常我们把地球和相对地面静止或匀速运动的物体参考系看成是惯性系,若以下列系统为参考系,则属于非惯性系的有()

A．停在地面上的汽车

B．绕地球做匀速圆周运动的飞船

C．在大海上匀速直线航行的轮船

D．以较高速度匀速运动的磁悬浮列车

【解析】由惯性系概念知B属于非惯性系,B项正确．

【答案】B

2．(3分)以下说法中正确的是()

A．经典物理中的速度合成公式在任何情况下都是适用的．

B．经典物理规律也适用于高速运动的物体．

C．力学规律在一个静止的参考系和一个匀速运动的参考系中是不等价的．

D．力学规律在任何惯性系里都是等价的．

【解析】经典力学适用于低速宏观物体B错；经典物理中速度合成公式适用于惯性系A错；力学规律在惯性系中都成立,C错．

【答案】D

3．(4分)关于狭义相对论的说法,不正确的是()

A．狭义相对论认为在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的

B．狭义相对论认为在一切惯性系中,光在真空中的速度都等于c,与光源的运动无关

C．狭义相对论只涉及无加速运动的惯性系

D．狭义相对论任何情况下都适用

【解析】狭义相对论只适用于惯性系,D错．

【答案】D

一、狭义相对论的其他结论

1．相对论质量

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＝eq\f(m0,\r(1－?\f(v,c)?2)),因为总有vc.可知运动物体的质量m总要大于它静止时的质量m0.

2．质能方程

关系式：E＝mc2,式中m是物体的质量,E是它具有的能量．

3．相对论速度变换公式

(1)公式：设高速行驶的火车的速度为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.

eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(u＝\f(u′＋v,1＋\f(u′v,c2))?人相对于车的运动方向与车同向?,u＝\f(v－u′,1－\f(u′v,c2))?人相对于车的运动方向与车反向?))

(2)结论：光速c是宇宙速度的极限,且相对任何参考系,光速都是不变的．

二、广义相对论简介

1．狭义相对论无法解决的问题

(1)万有引力理论无法纳入狭义相对论框架．

(2)惯性参考系在狭义相对论中具有特殊的地位．

2．广义相对论的基本原理

(1)广义相对性原理：在任何参考系中物理规律都是相同的．

(2)等效原理：一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价．

3．广义相对论的几个结论

(1)光线在引力场中偏转．

(2)引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现偏差(引力红移)．

(3)水星近日点的进动,行星的轨道并不是严格闭合的,它们的近日点(或远日点)有进动．

三、宇宙学简介

1．人类对宇宙演化的认识

(1)爱因斯坦的有限无界宇宙模型；由弯曲空间构成,没有边界、没有中心,宇宙中有物质,但在整体上是无运动的,所以这是一个有限的、静态的宇宙．

(2)动态宇宙模型：英国科学家家丁顿和苏联科学家费里德曼提出了动态的宇宙模型,认为宇宙中的物质分布是均匀的,从各个方向看都是一样的,并随时间的变化,宇宙在不断地膨胀．

(3)20世纪40年代,美籍苏联科学家伽莫夫发展了勒海特的理论,提出了宇宙大爆炸学说,使人们对宇宙创生和演化的过程有了新的认识．

2．宇宙学的新进展

20世纪后半期,科学家在宇宙探索中发展了许多新奇的现象；超新星的爆发、惊人的中子星、令人困惑的类星体、可怕的“黑洞”、有趣的“百洞”和“虫洞”、精确的脉冲星、神秘的时空隧道、不可捉摸的反物质、大量存在的暗物质等等．

一、对相对论速度变换公式的理解

1．公式中的v和u′如果满足：v?c,u′?c,eq\f(u′v,c2)可忽略不计,这时相对论的速度合成公式可近似的变为u＝u′＋v.与经典物理学的速度合成公式相同．

2．如果u′与v的方向不在一条直线上(相互垂直或成其他角度)时,情况比较复杂,上式不适用．

二、对质速关系式m＝eq\f(m0,\r(1－?\f(v,c)?2))的理解

1．式中m0是物体静止时的质量(也称为静质量),m是物体以速度v运动时的质量．这个关系式表明：物体的质量会随物体的速度的增大而增大．

2．v?c时,(eq\f(v,c))2＝0,此时有m＝m0,也就是说：低速运动的物体,可认为其质量与物体运动状态无关．

3．微观粒子的速度很高,因此粒子运动的质量明显大于静质量．

例如：回旋加速器中被加速的粒子的质量会随粒子的加速明显增加．导致粒子