1、2狭义相对论的其他结论广义相对论简介学习目标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结论以及主要观测证据一、相对论速度变换公式导学探究一列火车正以v50m/s的速度高速行驶，列车内一乘客以相对列车u5 m/s的速度向前跑，站台上的观察者测得该乘客的速度是uvu55m/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0.9c0.5c1.4c吗？答案不是光速c是极限速度知识梳理1公式：设高速行驶的火车对地面的速度为v，车上的人沿着火车前进的方向相对火车以速度u运动，那么人相对地面的速度u.
2、2对公式的理解(1)若人的运动方向与火车运动方向相反，则u取负值(2)如果vc，uc时，可忽略不计，这时相对论的速度变换公式可近似为uuv.(3)若uc，vc，则uc，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时的速度变换，对于更复杂的情况不适用(5)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、相对论质量和质能方程导学探究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？答案速度不可以超过光速因为回旋加速器的理论基
3、础是粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期(T)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，电场变化与粒子匀速圆周运动同步，但速度较大时，质量增大明显，粒子做匀速圆周运动的周期T变大，无法做到匀速圆周运动的周期与交变电场的周期同步知识梳理1相对论质量(1)经典力学：物体的质量是不变的，一定的力作用在物体上产生一定的加速度，经过足够长时间后物体可以达到任意的速度(2)相对论：物体的质量随物体速度的增加而增大物体以速度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总要大于它静止时的质量m0，但当vc时，mm0，所以低速运动的物体，可认为
4、其质量与运动速度无关微观粒子的速度很大，因此粒子质量明显大于静止质量2质能方程关系式：Emc2，式中m是物体的质量，E是它具有的能量如果质量发生了变化，其能量也相应发生变化Emc2，这个方程常应用在核能的开发和利用上如果系统的质量亏损为m，就意味着有E的能量释放三、广义相对论简介导学探究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？答案小球都是以某一加速度落向舱底2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加速上升的过程中？答案不能知识梳
5、理1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2广义相对论的几个结论(1)光线在引力场中弯曲(2)引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别(引力红移)一、相对论速度变换公式例1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uv的关系是()AuuvBuuvCuuvD以上均不正确答案B解析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，根据相对论速度变换公式得：他相对地面的速度uuv，故A
6、、C、D错误，B正确二、相对论质量和质能方程例2据报道，欧洲大型强子对撞机开足马力可以把粒子加速到光速的99.9%，单束粒子能量可达到7万亿电子伏特下列说法正确的是()A如果继续对粒子加速，粒子速度可以达到光速B如果继续对粒子加速，粒子速度可能超过光速C粒子高速运动时的质量大于静止时的质量D粒子高速运动时的质量小于静止时的质量答案C解析根据相对论的基本假设，粒子的速度不可能达到光速或超过光速，故A、B错误；由m知，粒子高速运动时的质量将大于静止时的质量，故C正确，D错误故选C.三、广义相对论的几个结论例3在日全食的时候，通过仪器可以观察到太阳后面的恒星，这说明恒星发出的光()A经太阳时发生了衍
7、射B可以穿透太阳及其他障碍物C在太阳引力场作用下发生了弯曲D经过太阳外的大气层时发生了折射答案C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，故C正确例4爱因斯坦1905年提出狭义相对论，1915年提出广义相对论，使人们进一步认识了光的本性，下列关于光的说法中正确的是()A光能在弯曲的光导纤维中传播，说明光在同种均匀介质中是沿曲线传播的B白光照射到DVD片表面时出现彩色是因为光具有波动性C某参考系中的两处同时发光，在另一惯性参考系中观察一定也是同时发光D真空中的光速在不同惯性参考系中相同，因此光的频率与参考系
8、无关答案B1(相对论速度变换公式)若一宇宙飞船对地以速度v运动，宇航员在飞船内沿同方向测得光速为c，问在地面上的观察者看来，光速应为vc吗？答案由相对论速度变换公式u，式中u、v分别为v和c，代入公式求得光对地的速度uc.2(对质能方程的理解)下列关于爱因斯坦质能方程的说法中，正确的是()A只有运动的物体才具有质能，静止的物体没有质能B一定的质量总是和一定的能量相对应CEmc2中能量E其实就是物体的内能D由Emc2知质量与能量可以相互转化答案B解析Emc2表明质量与能量之间存在一一对应的关系，物体吸收或放出能量，则对应的质量会增加或减少，质量与能量并没有相互转化故选项B正确，D错误静止的物体也
9、具有能量，称为静质能，E0m0c2，m0叫做静质量；Emc2中的能量E包括静质能E0和动能Ek，而非物体的内能，故选项A、C错误3(相对论质量)为使电子的质量增加到静止质量的两倍，需有多大的速度()A6.0108m/s B3.0108 m/sC2.6108m/s D1.5108 m/s答案C解析由相对论质速关系式m可得到vccc2.6108m/s，故选C.4(广义相对论)(多选)下列说法正确的是()A在光的双逢干涉实验中，若仅将入射光由红光改为绿光，则干涉条纹间距变宽B拍摄玻璃橱窗内的物品时，往往在镜头前加一个偏振片以增加透射光的强度C地球上接收到离地球远去的遥远星球发出的光的波长要变长D任何
10、惯性参考系中，物理规律都是相同的答案CD考点一相对论速度、相对论质量和质能方程1如果宇航员驾驶一艘宇宙飞船，以接近光速的速度朝某一星球飞行，他是否可以根据下列变化感觉到自己在运动()A身体质量在减小B心脏跳动变慢C身体质量在增加D永远不可能由自身的变化知道他是否在运动答案D解析相对论的基本概念是：当你被关在一个封闭的房子中时，你绝对无法知道房子是否在做匀速运动当房子突然停止运动时，在其中的人是能够感知这一点的；当房子突然开始运动时，其内部的人也能有感觉；当房子旋转时，关在其内部的人也能说出它在转动但如果房子是在做匀速直线运动，即没有任何加速度，则在其内部的人就无法知道房子是否在移动即使房子有一
11、个窗户，你从窗户向外看，看见某些东西在朝你移动，但你仍说不出是你的房子在向这些东西移动，还是这些东西在向你的房子移动所以宇航员以飞船为惯性系，其相对于惯性系的速度始终为零，因此他不可能根据自身的变化感觉到自己在运动2爱因斯坦提出了质能方程，揭示了质量与能量的关系关于质能方程，下列说法正确的是()A质量和能量可以相互转化B当物体向外释放能量时，其质量必定减小，且减小的质量m与释放的能量E满足Emc2C如果物体的能量增加了E，那么它的质量相应减小m，并且Emc2Dmc2是物体能够放出能量的总和答案B解析爱因斯坦的质能方程说明物体的质量和能量之间有着Emc2这种对应关系，故B正确3(多选)对于公式m
12、，下列说法中正确的是()A公式中的m0是物体以速度v运动时的质量B当物体运动速度v0时，物体的质量mm0，即物体的质量改变了，故经典力学不再适用C当物体以较小的速度运动时，质量变化十分微弱，经典力学理论仍然适用，只有当物体以接近光速运动时，质量变化才明显，故经典力学适用于低速运动，而不适用于高速运动D通常由于物体的速度太小，质量的变化引不起我们的感觉，在分析地球上物体的运动时，不必考虑质量的变化答案CD解析公式中的m0是物体静止时的质量，选项A错误；在v远小于光速时，质量的变化不明显，经典力学依然成立，选项C、D正确，B错误4(多选)电子的电荷量为1.61019C，质量为9.11031kg，一
13、个电子被电压为106V的电场加速后，关于该电子的质量和速度，以下说法正确的是()A.电子的质量不变B.电子的质量增大C.电子的速度可以达到1.9cD.电子的速度不可能达到c答案BD解析电子被电场加速后，根据m可知，随着电子速度的增大，其质量也增大，故A错误，B正确；此时不能根据qUm0v2求速度，任何物体的速度都不可能超过光速c，故C错误，D正确5(多选)关于质量和长度，下列说法中正确的是()A物体的质量与位置、运动状态无关，是物体本身的属性B物体的质量与位置、运动状态有关，只是在速度较小的情况下，其影响可忽略不计C物体的长度与运动状态无关，是物体本身的属性D物体的长度与运动状态有关，只是在速
14、度较小的情况下，其影响可忽略不计答案BD解析由相对论原理可知B、D正确6(多选)物理学的发展丰富了人类对物质世界的认识，推动了科学技术的创新和革命，促进了物质生产的繁荣与人类文明的进步，根据狭义相对论，下列说法正确的是()A真空中的光速是不变的B运动的时钟变慢与运动的尺子缩短C物体的质量取决于物体所含物质的多少，与物体的运动速度无关D质量、长度、时间的测量结果都是随物体与观测者的相对运动状态而改变答案ABD解析真空中的光速是不变的，故A正确；狭义相对论的几个基本结论：钟慢效应：运动的钟比静止的钟走得慢，而且，运动速度越快，钟走的越慢，接近光速时，钟就几乎停止了；尺缩效应：在尺子长度方向上运动的
15、尺子比静止的尺子短，当速度接近光速时，尺子缩成一个点，故B正确；由相对论质量公式可知，当物体的速度很大时，其运动时的质量明显大于静止时的质量，故C错误；质量、长度、时间的测量结果都是随物体与观测者的相对运动状态而改变，故D正确故选A、B、D.7回旋粒子加速器给带电粒子加速时，不能把粒子的速度无限制增大，其根本原因是()A加速器功率有限，不能提供足够大的能量B加速器内无法产生半径或磁感应强度足够大的磁场C加速器内无法产生电场强度足够大的电场D速度增大使粒子质量增大，粒子运行的周期与交变电压不再同步，无法无限的加速答案D解析带电粒子被加速后，根据m可知，随着带电粒子速度的增大，其质量也增大，粒子运
16、行的周期与交变电压不再同步，无法无限的加速考点二广义相对论的几个结论8(多选)关于狭义相对论、广义相对论的认识，下列说法正确的是()A万有引力可以用狭义相对论做出正确的解释B电磁力可以用狭义相对论做出正确的解释C狭义相对论是惯性参考系之间的理论D万有引力理论无法纳入狭义相对论的框架E由Emc2知质量和能量可以相互转化答案BCD9(多选)下列说法中正确的是()A物质的引力能使光线弯曲B光线弯曲的原因是介质不均匀而非引力作用C在强引力的星球附近，时间进程会变慢D广义相对论可以解释引力红移现象答案ACD解析根据广义相对论的结论可知，选项A、C、D正确，B错误10(多选)下列说法中正确的是()A由于太
17、阳引力场的影响，我们有可能看到太阳后面的恒星B强引力作用可使光谱线向红端偏移C引力场越强的位置，时间进程越快D由于物质的存在，实际的空间是弯曲的答案ABD解析由广义相对论我们可知：物质的引力使光线弯曲，因此选项A、D正确在引力场中时间进程变慢，而且引力越强，时间进程越慢，因此我们能观察到引力红移现象，所以选项B正确，C错误11(多选)以下说法中正确的是()A白矮星表面的引力很强B在引力场弱的地方时钟走得比引力场强的地方快些C引力场越弱的地方，物体的长度越短D在引力场强的地方，光谱线向绿端偏移答案AB122015年是爱因斯坦发表广义相对论100周年引力波是爱因斯坦在广义相对论中预言的，即任何物体
18、加速运动时给宇宙时空带来的扰动，可以把它想象成水面上物体运动时产生的水波引力波在空间传播的方式与电磁波类似，以光速传播，携带有一定能量，并有两个独立的偏振态引力波探测是难度最大的尖端技术之一，因为只有质量非常大的天体加速运动时才会产生较容易探测的引力波.2016年2月11日，美国激光干涉引力波天文台宣布探测到了引力波，该引力波是由距离地球13亿光年之外的两个黑洞合并时产生的探测装置受引力波影响，激光干涉条纹发生相应的变化，从而间接探测到引力波下列说法正确的是()A引力波是横波B引力波是电磁波C只有质量非常大的天体加速运动时才能产生引力波D爱因斯坦由于预言了引力波的存在而获得诺贝尔物理学奖答案A解析只有横波才有偏振现象，由于引力波有两个独立的偏振态，因此引力波是横波，故A正确；引力波在空间传播方式与电磁波类似，但并不是电磁波，故B错误；质量小的物体加速运动时也会产生引力波，只是不容易探测，故C错误；爱因斯坦是由于发现光电效应获得诺贝尔物理学奖，故D错误故选A.
