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高速世界
要点精讲
一、高速世界的两个基本原理
1、以太物质与迈克尔逊——莫雷实验
经典物理学认为，宇宙空间充满着能传递万有 ( http: / / www.21cnjy.com )引力和电磁相互作用的物质——以太，它具有绝对静止、密度较小、硬度极大、安全透明等特点，并充斥于空间，渗透于一切物体。21cnjy.com
以太物质是牛顿力学及其基础——绝对时空观的产物，但被迈克尔逊——莫雷所设计的精妙的光干涉法实验（1887年所否定）。www-2-1-cnjy-com
说明：经典时空观（绝对时空观）的基本内容是 ( http: / / www.21cnjy.com )：时间和空间是分别独立、不相联系的，空间距离和时间间隔都不随参考系的运动状态而改变，独立于物质和物质运动之外的时间均匀流逝，由绝对刚体保证的空间两点长度，在任何参考系中都是绝对相等的，即存在不受运动状态影响的时钟和直尺。【来源：21cnj*y.co*m】
2、爱因斯坦的两个基本假设（高速世界的两个基本原理）
（1）相对性原理：物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式。
（2）光速不变原理：在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速C都一样。
说明：本章所述的低速与高速都是相对光速而言 ( http: / / www.21cnjy.com )，速度远低于光速的称为低速，一般的宏观物体的速度都远低于光速，因此，通常说宏观世界是低速世界，而微观粒子（如电子、质一、中子、宇宙高能射线等），其运动的速度常能接近于光速，这样的速度称之为高速，因此微观世界往往与高速世界相联系。
3、四维时空
相对论时空观认为，时间和空间是相互联系、相互影响的，并且与物质的存在及运动密切相关。
在相对论里，空间三维加是时间一维成统为一体的四维时空。
在四维时空中的一个点被称为一个事件。
4、相对论效应
（1）时间延缓效应
一个十分重要的相对论效应， ( http: / / www.21cnjy.com )即在某个惯性参考系中测得的A、B两件事件（如两道闪电）的时间间隔△t′，与在另一个相对于该惯性参考系的速度v，运动的惯性参考系中测得的A、B两个事件的时间间隔△t不等，且满足：21世纪教育网版权所有
△t=
（2）长度收缩效应
另一个重要的相对论效应，即物体沿运动方向的长度比静止时长度发生因子的收缩。可以表达为。
其中l为相对物体静止的观测者测得的该物体的长度，则是该物体沿其长度方向以速度v运动时，静止的观测者测得的该物体的长度。www.21-cn-jy.com
注意：不管是时间延缓效应还是长度收缩效 ( http: / / www.21cnjy.com )应，都是相对论时空观的体现，是一种观测效应，时间延缓并不是时钟走得快或慢（或者被观测过程的节奏变化了），长度收缩也不是物体本身发生了收缩。
5、质速关系
质速关系可表达为m=，其中m0是物体在其自身静止的参考系中测得的质量，m称为相对论质量，上式表明，相对论质量是随v的增大而增大，当v→c时，m→ 时，可见量度惯性的是相对论质量而非静止质量，对静止质量不为零的物体，是不能加速到光速的，即用任何动力学的方法都不能获得超光速的运动，光速是物体运动的极限速度，对于静质量，应明确，在自然界所有基本粒子中，唯独光子的静质量为零。
式中的m是物质的质量，c为真空中的光速，E是物质的能量。
质能关系表明，质量和能量是物质不可分离的属性，当物质的质量减少或增大时，必然会伴随着能量的释放或吸收，且有下列关系【来源：21·世纪·教育·网】
△E=△mc2
由于c2为巨大的物理常数，因此当 ( http: / / www.21cnjy.com )某物体受到高能量的作用而发生静质量的转化△m0时，会释放出巨大的能量 △E0=△m0c2。原子弹等核武器及当今遍布世界各地的核电站，都是这一物理规律的应用。
7、时空弯曲
爱因斯坦的广义相对论指出：作加速运 ( http: / / www.21cnjy.com )动的参考系在时间、空间的小范围内与引力场等效，并进一步得到，引力场是由于物质的存在及其一定的分布状况，使空间和时间变得不均匀（时空弯曲）所产生，时空结构随引力场而变化。2-1-c-n-j-y
在物理学中，相对论第一个体现了物质和时空结构 ( http: / / www.21cnjy.com )的不可分性，爱因斯坦认为，光线在引力场中的弯曲可得效为空间本身被引力弯曲了。引力不但影响空间，而且影响时间，对影响方式的最佳描述就是时空弯曲。
上述理论被英国天文学家爱丁顿对日食的观测所验证。
典型题解析
［例1］ 相对论中运动物体长度缩短与物体线度的热胀冷缩是否一回事？
［解析］ 相对论中物体长 ( http: / / www.21cnjy.com )度缩短，指的是相对于物体高速运动的坐标系中，测得沿运动方向的物体的长度，比在相对于物体静止的坐标系中，测得的长度短。这里的长度缩短，是发生在一切运动着的物体上的物理过程，是一 种时空属性，与过程的物理机制无关，仅与物体以及参照系之间的相对运动状态有关，纯粹是一种相对论效应。物体运动速度愈大，长度缩短也愈大。21教育网
物体线度的热用冷缩，是一 ( http: / / www.21cnjy.com )种具体的物质过程。指的是物体温度变化时，组成物质的分子原子运动状态的不同，导致了分子原子间电磁力的变化，使它们之间的距离增大或减小。显然，这种伸长缩短对不同惯性系都是一样的，与物体的运动速度无关。跟相对论中运动物体长度缩短是完全不同的两回事。
［例2］ 设地球是一惯性系，并设北京 ( http: / / www.21cnjy.com )和上海直线相距1000千米，且从这两地同时开出一列列车（这里的“同时”是指对地球这一惯性而言）。现有一艘飞船沿北京到上海方向直线飞行，速度恒为v0 。若：（1）v=9千米/秒；（2）v=0.999c（c=3×108千米/秒，这样高速的飞船，目前仍是一种幻想），问飞船中的观察者测得两列车开出时刻的间隔多少？2·1·c·n·j·y
［解析］ 取S系与地面相连结，坐标原 ( http: / / www.21cnjy.com )点取在北京，以北京到上海的方向为x轴的正方向；取S′系与飞船相连结。现已知△x=x上海-x北京=106米，△t=0。 21*cnjy*com
（1）v=9千米/秒，这时v与c之比值
。
由式（10-20）
因≥1，≈1，于是
△t′=t′上海- t′北京≈—△x=—=—10-7秒，
t′上海= t′北京-10-7秒。这就是说，飞船上的观察者将发现上海开出列车的时间比北京早10-7秒（0.1微秒）。21·cn·jy·com
（2）v=0.999c，这时v与c之比值
。
因 =≈22.3，
所以 ≈-22.3×≈-7.4×10-2秒
即飞船中的观察者发现上海的列车比北京的早7.4×10-2秒（74毫秒）开出。
基础演练与综合应用
1、设某列车的本身长度（与之相对静 ( http: / / www.21cnjy.com )止的观测者测得的长度）为100m，当以（1）v=30m/s，（2）v=2.7×108m/s的速度相对观测者沿列车长度方向作匀速直线运动时，对地面的观察者来说，它的长度是多少？
（提示当x≤1时，有）
2、原子核由核子（质子和中子组成），人们 ( http: / / www.21cnjy.com )发现一些稳定原子的原子核，其质量明显地比所含核子的质量之和小，例如氘核由一个中子与一个质了组成，它们的质量分别是21·世纪*教育网
氘核：mD=3.34365×10-27kg
质子：mP=1.67265×10-27kg
中子：mn=1.67496×10-27kg
试求：一个质子与一个中子组成氘核时释放出多少能量？
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高速世界
教学要求
1 初步了解爱因斯坦相对论建立的背景，知道时间延缓，长度缩短，质速关系，质能关系和时空弯曲。能运用相对论知识解释简单的现象。www-2-1-cnjy-com
2 了解经典物理学的局限，知道经典时空观与相对论时空观之间的关系。
3 初步认识“猜想”，“假设”和“物理模型的构建”在科学研究中的重要作用，培养大胆质疑的勇气和批判意识。21cnjy.com
教学重点
了解现代物理学的基础知识。
通过物理学史的教育帮助学生建立辩证唯 ( http: / / www.21cnjy.com )物主义的时空观，同时让学生体会到：科学的发展永无止境；在科学研究中要敢于质疑，不迷信权威，选择科学的研究方法巧妙地解决问题。www.21-cn-jy.com
教学难点
高速世界远离我们所生活的低速世界，不但难以用生活经验来诠释，而且与生活经验相背离，导致学生难以接受。2-1-c-n-j-y
经典物理学的概念根深蒂固，导致学生对新理论难以理解。
高速实验难以演示，缺乏直观的实验和形象生动的实例使学生难以想象。
学情分析
学生已通过一年的物理学习基本建立经典力 ( http: / / www.21cnjy.com )学的概念体系，牛顿经典时空观与认知世界的协调，以及牛顿力学对现实世界解释的巨大成功，使之对此深信不疑；况且教师在以往的教学中有意避开对牛顿力学成立的先验条件的阐述，因此学生对此缺乏认识，高速世界与牛顿力学的冲突又远离他们的生活经验，不能构成他们进一步求知的动力。21世纪教育网版权所有
教学目的
1 知识与技能
知道世纪之交的晴朗的物理学天空上的两朵乌云，了解其主要内容以及由此所引起的物理学理论的发展与创新。
认识经典力学的实用范围和局限性。知道经典时空观与相对论时空观之间的关系。
初步了解相对论时空观中的基本观点，了解狭义相对论和广义相对论。知道相对论以人类认识高速世界的影响。
2 过程与方法
经历科学家建立相对论的思维探索过程，认识科学思维的意义，学习科学的思维方法，从中体验成功的乐趣。
了解物理学的研究方法，认识理想实验，物理模型和数学工具在科学研究中的重要作用，以及物理验证实验在物理学发展过程中的作用。
3 情感态度与价值观
领略到自然界的奇妙与和谐，发展学生对科学的好奇心与求知欲。
养成敢于发表自己观点，既坚持 ( http: / / www.21cnjy.com )原则又尊重他人的良好习惯。培养有根据的怀疑精神和批判意识，敢于坚持真理，勇于创新和实事求是的科学态度和科学精神以及判断大众传媒等有关信息是否科学的意识。
了解科学理论的相对性，知道科学理论发展过程的继承与扬弃。
体会科学，技术与社会之间的互动关系。
几点教学设计及目的
1 课件 标题：人类的宇宙图象
内容： 屈原＜＜天问＞＞ ( http: / / www.21cnjy.com )、天似穹庐，笼盖四野（天圆地方）、亚里士多德＜＜论天＞＞中提到的地圆说及三个证据（月食，北极星的位置，先见船帆）、托勒密模型（地静中心圆周说）、哥白尼太阳静止中心圆周说、开普勒椭圆说、牛顿的无中心说……（有条件可采用FLASH作成动画，或用PPT也成）21教育网
目的：让学生感受到人类认识自然过程的曲折性 ( http: / / www.21cnjy.com )，每一个先进的理论往往都有他的时代的局限性，虽然它最终都被修正却无损于它的伟大。为接下来的学习做好心理准备。
2 “抛砖”
剪辑一小段有关“时间旅行”或“星际旅行”的科 ( http: / / www.21cnjy.com )幻影视片断做成课件播放，调动学生兴趣，然后教师提出一个以经典力学为基础的推导，通过速度合成达到超光速以进行时间或星际旅行的理论（此时教师最好是故作神秘，似乎通过“严谨”的推导，作出重大的理论发现似的。以期搞晕学生，逼出认知冲突。）【来源：21·世纪·教育·网】
3 “引玉”
让学生评价“速度合成超光速”的可能性，这时学 ( http: / / www.21cnjy.com )生中必然有人阅读过有关相对论的知识因而对此提出异议，此时可让他们发言，互相反驳、质疑，形成一种热烈的求知氛围。
4 “尺缩钟慢”的推导
依据司南版＜＜物理必修2＞＞本节课的时间延缓效应示意图，引导学生推导
（1）△t=△t′／(1-v2/c2)1/2、 (2) L′=L(1-v2/c2)1/2
得出“尺慢钟缩”的结论。这部 ( http: / / www.21cnjy.com )份的推导对于熟练掌握运动学知识的学生来说不算太难，让他们体验一下理论推理的乐趣，有助于提高学生的自信，认识科学推论的过程。
5 想象小论文
请发挥一下你的想象力，想象一下你在一个最高速度只有20公里的世界中旅行将会碰到什么有趣的事。
6 模拟演示
用编织网袋或有弹性的布料做一个平面，再取两个小钢球放在平面上，模拟演示质量使时空发生弯曲的现象。
教学流程
第一课时
1 课件演示 标题：人类的宇宙图象
2 “抛砖”
3 “引玉”
4 教师讲述物理学史；
物理学大厦上空的两朵乌云、“迈克 ( http: / / www.21cnjy.com )尔逊－莫雷实验”40年如一日反复得出的结果――光速不变、以太阴魂、牛顿力学的两个先验条件（绝对时空观）。爱因斯坦通盘考虑了有关光的传播速度的实验结果和牛顿力学、麦克斯韦电磁场理论的根基，他得出结论，唯一的出路是革命，从根本上改造经典物理学，抛弃以太，抛弃绝对时间和绝对空间，在新的时间、空间概念的基础上，建立全新的物理学体系――相对论。爱因斯坦的两个基本假设（狭义相对论）、由相对论引发的两个著名佯谬“尺缩钟慢”21·cn·jy·com
5 “尺缩钟慢”的推导
6 作业：想象小论文 ，收集有关相对论的资料。
第一课时结束。
第二课时
1 学生朗诵＜＜想象小论文＞＞，讨论是否符合相对论原理。
2 辅导自学“质速关系”“质能关系”
3 讲解爱因斯坦升降机理想实验并得出加速运动和 ( http: / / www.21cnjy.com )引力作用都导致了轨迹弯曲的结果。由此总结出“等效原理”； 预言光线弯曲并得到证实；将光线弯曲等效于时空弯曲来解释引力场的效应、提出广义相对论引力场方程。21·世纪*教育网
4 模拟演示“时空弯曲的引力效应”
5 相对论的几个预言及被证实的过程（由学生讲述，教师补充）
6 介绍爱因斯坦的生平及一生的伟大贡献（由学生讲述，教师补充）
7 作业；试解释“山中方七日，世上已千年”
对相对论有兴趣的同学可课外阅读＜＜时间简史＞＞＜＜时间简史续编＞＞＜＜时空本性＞＞＜＜相对论演义＞＞＜＜奇异的量子世界＞＞等书 21*cnjy*com
有关相对论的一此资料：
1 公元1054年发生过一起非常著名的 ( http: / / www.21cnjy.com )超新星爆发事件，若光速能叠加则在几十年后都能看到这颗超新星爆发时所发出的光，而实际情况却像我国宋史上所记载的那样“岁余稍没”，此事间接证明了光速不变原理。 2·1·c·n·j·y
2 激发氢原子的实验以及对宇宙线的研究过程都证实了时间膨胀说。
3 广义相对论解释了水星近日点的进动问题，证明它是来源于实践的科学理论。
4 广义相对论预言了光谱线的引力红移，并得到证实。
5 英国的日全蚀观测队证实了星光在近太阳时弯曲。
6 广义相对论解释了“爱因斯坦十字星座”现象
本文只是给出一个授课过程的框架性建 ( http: / / www.21cnjy.com )议，以及一此参考资料，本课内容多，处理也灵活，相信每个教师都有自己的特点及学情，不应受到束缚。这里只是抛砖引玉而已。
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高速世界
------相对论
一、相对论概述
⊙ 相对论主要是关于物质运动与时间空间关系的理论.其中局限于惯性参考系的理论称为狭义相对论，推广到一般参考系和包括引力场在内的理论称为广义相对论.
⊙ 提出原因：迈克尔孙—莫雷实验结论与经典时空观及衍生出的以太学说相违背.
⊙ A.Einstein通过对电磁理论研究，意识到实验的困境是由于时空观造成的.于是，他彻底抛弃“以太”的概念，提出相对论的两条基本假设.基于这两条基本原理，爱因斯坦建立了狭义相对论，把物理学推进到高速领域.
二、经典时空观与相对论时空观
● 经典时空观
时间和空间彼此独立、互不关联，且不受物质或运动的影响
● 经典时空观的几个基本结论：
① 同时的绝对性
② 时间间隔的绝对性
③ 空间距离的绝对性
二、经典时空观与相对论时空观
● 相对论时空观
1.狭义相对论的理论前提
① 相对性原理
——在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的.
② 光速不变原理
——不管在哪个惯性系中，测得的真空中的光速都相同.
2.狭义相对论的基本结论
① 时间延缓效应：运动的时钟变慢
二、经典时空观与相对论时空观
② 长度收缩效应：运动的尺子缩短
③ 质速关系：物理质量随着速度的增大而增大
④ 质能关系：质量和能量是物质不可分离的属性
【注意】只有高速运动时，以上效应才明显
(1)时间延缓效应
(1)时间延缓效应
分析：在此过程中，车上的钟走过的时间为 ，称固有时.静止在地面上的观察者看来，由于列车在高速行驶测得该过程经历的时间为
设车厢高度为h，列车行驶速度为v,则
【例题】A、B、C是三个完全相同的时钟，A放在地面上，B、C分别放在两个火箭上，以速度vB和vC朝同一方向飞行， vB※疑问解释——运动的时钟变慢
【答案】C时钟走最慢，A走最快。
(2)长度收缩效应
设一个一维物体，相对于它静止的观测者测其长度为ｌ(静止长度或固有长度)，该物体相对另一惯性系沿自身长度方向以匀速ν运动，则在此惯性系中的观察者测该物体的长度为：
(3)质速关系
当物体在所处的惯性系静止时，它具有最小的质量m0,这个质量叫静止质量.若物体以速度ν相对某惯性系运动时，在这个惯性系观测它的质量为：
表明：
(3)质速关系
高速运动的物体其质量测得值会非常大，并随着速度趋于光速c而无限增大.
但事实告诉我们，一个真实的物体质量是确定值、有限大
结论： 一个真实的、静止质量不为零的物体，相对任何惯性的运动速度都不可能达到或超过光速c.
(4)质能关系
按照相对论及基本力学定律可推导出质量和能量具有如下关系：
------著名的质能关系式
说明：
（1）质量和能量是物质不可分离的属性；
（2）能量变化量和质量变化量关系式为：
（3）任何静质量不为零的物体都贮存着巨大的能量：
三、课堂小结
通过本节课的学习，大家初步了解了经典时空观和相对论时空观，知道了相对论对人类认识世界的影响，也知道了爱因斯坦等物理学家们的超凡智慧.其实人类对世界的认识还远未结束，正等待着人类去开发、探索.
通过对相对论的初步了解，你是否从中感受到了什么呢？
谢谢！本资料来自于资源最齐全的２１世纪教育网www.21cnjy.com
高速世界 同步练习
一、选择题
1.开尔文宣布物理学的科学大厦已经基本形成,但仍有两朵乌云,这两朵乌云指
A. 迈克耳逊－莫雷实验的零结果
B.热辐射实验
C.电子衍射
D.水星的发现
答案：AB
2.如果宇航员驾驶一艘飞船以接近于光速的速度朝一星体飞行,你是否可以根据下述变化发觉自己是在运动
A.你的质量在减少
B.你的心脏跳动在慢下来
C.你永远不能由自身的变化知道你是否在运动
D.你在变大
答案：C
3.一只长的标尺以相对论速度穿过一根几米长的管子,它们的长度都是在静止状态下测量的.以下哪种叙述最恰当地描述了标尺穿过管子的情况21世纪教育网版权所有
A.标尺收缩变短,因此在某些位置上,管子能完全遮住它
B.标尺收缩变短,因此在某些位置上,标尺从管子的两端伸出来
C.两者都收缩,且收缩量相等,因此在某个位置,管子恰好遮住标尺
D.所有这些都与观察者的运动情况有关
答案：D
二、非选择题
4.1905年,爱因斯坦在________实验的事实上提出了狭义相对论的两个基本假设——________原理和________原理.21教育网
答案：迈克耳逊－莫雷 相对性 光速不变
5.为使电子的质量增加到静止质量的三倍,需要的速度为________.
答案：2.83×108 m/s
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高速世界-知识探讨
合作与讨论
有一个科幻故事：一个中年人 ( http: / / www.21cnjy.com )乘坐接近光速的宇宙飞船,当他在宇宙航行了很长的时间后回到了地球,当他到达地面上时,发现他的儿子已经是白发苍苍的老汉,而自己基本上没有发生大的变化.你觉得这个故事的科学道理在哪里？21教育网
我的思路：根据爱因斯坦的时间延缓效应,当飞船接近光速时,时间会变慢.
例题解析
1.高速世界的两个基本原理
(1)相对性原理：物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式.
(2)光速不变原理：在一切惯性参考系中,测量到的真空中的光速c都一样.
2.四维时空
相对论的时空观认为,时间和空间 ( http: / / www.21cnjy.com )是相互联系、相互影响的,并且与物质的存在及运动密切相关.在相对论里,空间三维,再加上时间一维,构成了统为一体的四维时空.21cnjy.com
3.时间延缓效应和长度收缩效应
(1)时间延缓效应：相对论认为,运动的时钟比静止的时钟走得慢,这种效应叫做时间延缓,公式是：Δt=.21·cn·jy·com
(2)长度收缩效应：相对论认为,运动的米尺比静止的米尺短,这种效应叫做长度收缩,公式是：L=L0.www.21-cn-jy.com
4.质速关系和质能关系
(1)质速关系：m=.
(2)质能关系：E=mc2.
5.时空弯曲
爱因斯坦的广义相对论认为：引力不但可以影响空间,而且影响时间,对影响方式的最佳描述就是时空弯曲.
【例题】 π介子与质子相碰可产生其他粒子.其 ( http: / / www.21cnjy.com )中有一种k0粒子.它经d=1×10－1 m的距离便衰变成两个具有相反电荷的π介子.若k0的速率为v=2.24×108 m/s,试求其固有寿命.2·1·c·n·j·y
解析：k0粒子的速率已达v=2.24×108 m/s,是光速的70％以上,应该用相对论解题.在实验室中测得的粒子运动的时间间隔为t= s=4.5×10－10 s21世纪教育网版权所有
根据时间延缓效应Δt=
t0=t=4.5×10－10× s=3.0×10－10 s.
点评：当粒子的速度接近光速时,它的寿命的计算要考虑相对论效应.
知识总结
规律：相对论的基本假设
知识：四维时空、时空弯曲
方法：关于广义相对论有关效应的计算方法
时间延缓效应公式是：Δt=；
长度收缩效应的公式是：L=L0；
质速关系的公式：m=；
质能关系的公式：E=mc2.
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