高中物理 第6章 經(jīng)典力學(xué)與現(xiàn)代物理 6.3 愛(ài)因斯坦心目中的宇宙學(xué)案 滬科版必修2

《高中物理 第6章 經(jīng)典力學(xué)與現(xiàn)代物理 6.3 愛(ài)因斯坦心目中的宇宙學(xué)案 滬科版必修2》由會(huì)員分享，可在線(xiàn)閱讀，更多相關(guān)《高中物理 第6章 經(jīng)典力學(xué)與現(xiàn)代物理 6.3 愛(ài)因斯坦心目中的宇宙學(xué)案 滬科版必修2（5頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 6.3 愛(ài)因斯坦心目中的宇宙 思維激活 世界上有各式各樣的鐘：砂鐘、電鐘、機(jī)械鐘、光鐘和生物鐘，如圖6-3-1所示.既然運(yùn)動(dòng)可以使某一種鐘變慢，它一定會(huì)使所有的鐘都一樣變慢.這種說(shuō)法是否正確呢？ 圖6-3-1 提示 將不同類(lèi)型的兩架鐘調(diào)整到速度相同，并將它們密封在一個(gè)盒子中，再讓該盒子勻速運(yùn)動(dòng).如果運(yùn)動(dòng)對(duì)一架鐘的影響比另一架大，則坐在盒子里的人就能看到兩架鐘的差別，因而可以知道盒子是在運(yùn)動(dòng)，顯然這違反了相對(duì)論的基本原理：一個(gè)密閉在盒子中的人是無(wú)法辨認(rèn)自己是處于靜止?fàn)顟B(tài)，還是勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的.所以一架鐘變慢時(shí)，所有鐘必定都變慢，且變慢的程度一定嚴(yán)格相同. 自主

2、整理 一、愛(ài)因斯坦的時(shí)空觀 1.“同時(shí)”的相對(duì)性 “同時(shí)性”在慣性系中，在低速時(shí)是沒(méi)有疑問(wèn)的，例如一列火車(chē)在做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，在某車(chē)廂中的中點(diǎn)一個(gè)人點(diǎn)燃一支蠟燭.他看到車(chē)廂前后兩壁是同時(shí)被照亮的，地面上的人也應(yīng)認(rèn)為前后壁都是被同時(shí)照亮的.但有了光速不變?cè)頃r(shí)，情況就不一樣了，當(dāng)火車(chē)速度較大時(shí)，地面上的人將認(rèn)為光先到達(dá)后壁 ，而后達(dá)到前壁.這就是“同時(shí)的相對(duì)性”. 2.時(shí)空的相對(duì)性 假如有一個(gè)事件P發(fā)生，在參考系A(chǔ)中的坐標(biāo)為（x，y，z），發(fā)生的時(shí)間為t，在以速度v運(yùn)動(dòng)的參考系B中的坐標(biāo)為（x′，y′，z′），發(fā)生的時(shí)間為t′，則有變換公式： 愛(ài)因斯

3、坦的時(shí)空相對(duì)性揭示了時(shí)間、空間與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)存在著內(nèi)在的不可分割的聯(lián)系，并給出了它們之間的定量關(guān)系. 二、兩個(gè)奇特的效應(yīng) 1.長(zhǎng)度收縮效應(yīng) 物體靜止長(zhǎng)度l0和運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度l之間的關(guān)系為： l=l0 上面的式子說(shuō)明，相對(duì)于地面以速度v運(yùn)動(dòng)的物體，從地面上看，沿著運(yùn)動(dòng)方向上的長(zhǎng)度變短了，速度越大，變短得越多. 2.時(shí)間延緩效應(yīng) Δt= 上面的式子具有普遍意義，當(dāng)從地面觀察以速度v前進(jìn)的火車(chē)時(shí)，車(chē)上的時(shí)間進(jìn)程變慢了，不僅時(shí)間變慢了，物理、化學(xué)過(guò)程和生命的過(guò)程都變慢了，但車(chē)上的人都沒(méi)有這種感覺(jué)，他們反而認(rèn)為地面上的時(shí)間進(jìn)程變快了. 三、愛(ài)因斯坦的質(zhì)量公式 經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的證明，物

4、體有靜止質(zhì)量m0和運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量m，它們之間有如下關(guān)系： m＝ 從上式可以看出，當(dāng)物體（一般是粒子）的速度很大時(shí)，其運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量明顯大于靜止時(shí)的質(zhì)量. 四、質(zhì)能關(guān)系 按照相對(duì)論和基本力學(xué)定律可推出質(zhì)量和能量具有如下關(guān)系：E=mc2 這就是著名的質(zhì)能關(guān)系.如果用Δm表示物體質(zhì)量的變化，ΔE表示能量的變化，那么它們的關(guān)系可以表示為 ΔE=Δmc2 該式表示，隨著一個(gè)物體質(zhì)量的減小，會(huì)釋放一定的能量；與此同時(shí)，另一個(gè)物體吸收了能量，質(zhì)量也會(huì)增大. 高手筆記 1.狹義相對(duì)論時(shí)空觀和牛頓時(shí)空觀的區(qū)別 （1）牛頓時(shí)空觀： ①空間是絕對(duì)靜止不動(dòng)的(即絕對(duì)空間)，時(shí)間是絕對(duì)不變的(即

5、絕對(duì)時(shí)間). ②空間和時(shí)間跟任何外界物質(zhì)的存在及其運(yùn)動(dòng)情況無(wú)關(guān). ③空間是三維歐幾里得空間，時(shí)間是一維的，空間和時(shí)間彼此獨(dú)立. （2）狹義相對(duì)論時(shí)空觀： ①不存在絕對(duì)的空間和絕對(duì)的時(shí)間. ②空間、時(shí)間與在其中運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)存在著密不可分的聯(lián)系. ③空間和時(shí)間是緊密相連的，統(tǒng)一構(gòu)成閔可夫斯基四維空間(即偽歐幾里得空間). 為了詳細(xì)地反映出它們之間的區(qū)別，下面對(duì)一些基本概念列表進(jìn)行比較. 牛頓時(shí)空觀 狹義相對(duì)論時(shí)空觀 光速 相對(duì)的（不同慣性參考系中光速不同） 絕對(duì)的（在任何慣性參考系中光速都相同） 時(shí)空變換關(guān)系 伽利略變換 x′=x-vt y′=y z′=z t

6、′=t 洛倫茲變換 x′= y′=y z′=z t′= β= 時(shí)間間隔 絕對(duì)的 （與慣性參考系的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)） Δt′=Δt 相對(duì)的 （與慣性參考系的運(yùn)動(dòng)狀有關(guān)） Δt′=Δt 空間長(zhǎng)度 絕對(duì)的 （與慣性參考系的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)） ΔL′=ΔL 相對(duì)的 （與慣性參考系的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)） ΔL′= 時(shí)空間隔 （無(wú)此概念） 絕對(duì)的 ΔS′2=ΔS2 ΔS2=ΔL2-c2Δt2 ΔS′2=ΔL′2-c2Δt′2 同時(shí) 絕對(duì)的 t2′-t1′=0 t2′-t1′= （1）若x1=x2，則t2′-t1′=0，則同時(shí)是絕對(duì)的 （2）x1≠x2，則t

7、2′-t1′≠0，則同時(shí)是相對(duì)的 沒(méi)有因果關(guān)系的兩事件的次序 絕對(duì)的 （對(duì)一個(gè)慣性參考系成立，則對(duì)其他慣性參考系也成） 相對(duì)的 （只對(duì)某些慣性參考系成立，對(duì)另外一些慣性參考系次序可能相反） 有因果聯(lián)系的兩事件的次序 絕對(duì)的 絕對(duì)的 質(zhì)量 牛頓力學(xué) 絕對(duì)的 m=m0 相對(duì)論力學(xué) 相對(duì)的 M= 力 （1）F=（mv）=ma （2）加速度a是一不變量，其方向與力的方向一致 （3）作用力與反作用力大小相等方向相反 （1）F=（）（2）加速度a為一可變量，其方向與力的方向不一定相同（3）作用力與反作用力由于同時(shí)的相對(duì)性，一般說(shuō)來(lái)并不是大小相等方向相反的 動(dòng)量

8、p=mv 動(dòng)能 Ek=mv2 Ek=m0c2［-1］ 靜能總能量 （無(wú)此概念） E=Ek+Ep （總能量等于動(dòng)能和勢(shì)能之和） E0=m0c2 E=Ek+E0 （總能量等于動(dòng)能和靜能之和） 2.狹義相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓時(shí)空觀的聯(lián)系 (1)牛頓時(shí)空觀和狹義相對(duì)論時(shí)空觀都包含了空間是均勻的，各向同性的(無(wú)論以哪一點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)、坐標(biāo)軸任取哪個(gè)方向都是一樣的)、時(shí)間是均勻的假設(shè).也就是說(shuō)這兩種時(shí)空觀都認(rèn)為所有處于空間和時(shí)間中的點(diǎn)都是等價(jià)的.正因?yàn)槿绱耍再だ宰儞Q和洛倫茲變換都是線(xiàn)性的. (2)牛頓時(shí)空觀的某些概念是光速趨于無(wú)限大時(shí)(即vc時(shí))狹義相對(duì)論時(shí)空觀的某些對(duì)應(yīng)概

9、念的極限情況. 例如：在c→∞時(shí)，洛倫茲變換轉(zhuǎn)變成伽利略變換. 時(shí)間間隔、空間長(zhǎng)度及同時(shí)等在c→∞時(shí)都從相對(duì)的轉(zhuǎn)變成絕對(duì)的. 相對(duì)論力學(xué)中的質(zhì)量、力、動(dòng)量、動(dòng)能等概念的表達(dá)式在c→∞時(shí)都和牛頓力學(xué)中的這些概念的表達(dá)式趨于一致. (3)牛頓力學(xué)中有一個(gè)伽利略相對(duì)性原理，所有的力學(xué)規(guī)律從一個(gè)慣性參考系變換到另一個(gè)慣性參考系時(shí)其具體形式保持不變.同樣，狹義相對(duì)論中也有一個(gè)狹義相對(duì)性原理，所有的物理規(guī)律從一個(gè)慣性參考系變換到另一個(gè)慣性參考系時(shí)其具體形式保持不變.而狹義相對(duì)性原理正是伽利略相對(duì)性原理合乎邏輯的推廣. 名師解惑 1.對(duì)長(zhǎng)度收縮效應(yīng)的理解 剖析：可以想象這樣一幅圖景：一列火車(chē)以

10、接近光的速度從我們身邊飛馳而過(guò)，我們感到車(chē)廂變短了，車(chē)窗變窄了……火車(chē)越快，這個(gè)現(xiàn)象越明顯，但是車(chē)廂和車(chē)窗的高度都沒(méi)有變化.車(chē)上的人有什么感覺(jué)呢？他認(rèn)為車(chē)上的一切和往常一樣，因?yàn)樗突疖?chē)是相對(duì)靜止的.但是，他卻認(rèn)為地面上的景象有些異常：沿線(xiàn)的電線(xiàn)桿間的距離變短了，面對(duì)鐵路線(xiàn)的正方形布告牌由于寬度變小而高度未變竟成了窄而高的矩形…… 2.對(duì)時(shí)間延緩效應(yīng)的理解 剖析：時(shí)間延緩效應(yīng)也叫鐘慢效應(yīng).一個(gè)相對(duì)于我們做高速運(yùn)動(dòng)的慣性系中發(fā)生的物理過(guò)程，在我們看來(lái)，它所經(jīng)歷的時(shí)間比在這個(gè)慣性系中直接觀察到的時(shí)間長(zhǎng).對(duì)于化學(xué)反應(yīng)、生命過(guò)程等這一結(jié)論也是正確的.根據(jù)同樣道理，設(shè)一對(duì)孿生子，一人停在地面上，另一

11、人乘飛船飛行，當(dāng)回到地面時(shí)，兩人站在一起，后者比前者年輕，這稱(chēng)作雙生子效應(yīng). 3.對(duì)質(zhì)速關(guān)系的理解 剖析：在相對(duì)物體靜止的參考系中測(cè)量，物體具有最小的質(zhì)量m0（稱(chēng)為靜止質(zhì)量），在相對(duì)物體以速度v運(yùn)動(dòng)的慣性系中測(cè)量，物體的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量為 m＝ 由于v＜c，所以m＞m0，速度v越大，運(yùn)動(dòng)質(zhì)量也越大.當(dāng)v=0.98c時(shí)，m=5m0.當(dāng)vc時(shí)，m=m0，這就回到了經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論——物體的質(zhì)量與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān).對(duì)于速度v=c的光子，其靜止質(zhì)量m0=0，即只有靜止質(zhì)量為零的粒子，才能以速度c運(yùn)動(dòng).對(duì)于質(zhì)量m0≠0的物體，當(dāng)v→c時(shí)，m→∞，可見(jiàn)，即使長(zhǎng)時(shí)間對(duì)物體施加恒力F的作用，物體的速度也不

12、可能無(wú)限制地增大，其速度不可能達(dá)到光速c. 4.對(duì)質(zhì)能關(guān)系的理解 剖析：質(zhì)量和能量是物體不可分離的屬性，其關(guān)系式為E=mc2.一個(gè)靜止質(zhì)量為m0的物體，在相對(duì)它靜止的參考系中測(cè)量其質(zhì)量為m0，能量為E＝mc2=m0c2，該能量稱(chēng)為物體的靜能量. 當(dāng)物體的質(zhì)量減少時(shí)，它會(huì)釋放出一定的能量；反之，當(dāng)物體吸收能量后，它會(huì)增加一定的質(zhì)量.不過(guò)，要使物體的質(zhì)量發(fā)生變化并非易事，人類(lèi)現(xiàn)在已經(jīng)找到了引發(fā)物體質(zhì)量發(fā)生變化的方法——核裂變和核聚變.原子能發(fā)電站、原子彈核氫彈便是核反應(yīng)能量釋放的實(shí)際應(yīng)用.根據(jù)質(zhì)能關(guān)系式，當(dāng)物體有Δm的質(zhì)量發(fā)生變化時(shí)，一定伴隨著有ΔE的能量變化，其關(guān)系式為ΔE=Δmc2.和平

13、利用原子能這一新能源，正是當(dāng)前全世界人民所企盼的. 5.廣義相對(duì)論的時(shí)空觀 剖析：時(shí)空彎曲：光線(xiàn)在引力場(chǎng)中會(huì)發(fā)生彎曲，也就是說(shuō)空間本身被引力彎曲了.引力不但影響空間，還會(huì)影響時(shí)間，對(duì)這種影響的描述稱(chēng)為時(shí)空彎曲.宇宙中，物質(zhì)密度大的區(qū)域，時(shí)空彎曲也大；物質(zhì)稀少的區(qū)域，時(shí)空彎曲小，即時(shí)空較“平直”.英國(guó)科學(xué)家愛(ài)丁頓，從發(fā)生日食時(shí)所拍攝的太陽(yáng)所在天區(qū)的恒星照片，與太陽(yáng)不在該天區(qū)時(shí)所拍攝的同一天的恒星的照片比較，發(fā)現(xiàn)兩張照片上的恒星位置不會(huì)重合，從而證實(shí)了遠(yuǎn)處恒星發(fā)來(lái)的光線(xiàn)，在經(jīng)過(guò)太陽(yáng)附近時(shí)，因太陽(yáng)的引力作用而彎曲. 6EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F375