教学内容
第五章
主题
相对论与量子化现象
第1课时
教学目标
知 识
与技能
（1）了解经典时空观。
（2）了解狭义相对论的理论基础与狭义相对论时空观的几个推论。
(3) 知道经典时空观与相对论时空观的主要区别。
（4）初步了解微观世界中的量子化现象。
(5) 了解电效应现象，知道光具有波粒二象性。
过 程
与方法
（1）解读并分析教材图5-2-1和图5-2-2，了解绝对时空观与实验事实的矛盾。
（2）解读并分析教材图5-2-3和图5-2-4，通过“讨论与交流”理解同时的相对性。
（3）对比经典时空观的推论与相对论时空观的推论，认识经典时空观与相对论时空观的区别。
（4）了解经典物理学能量连续性观点在解释“黑体辐射”现象时的失败，体会普朗克提出量子假说的伟大意义。
（5）了解“光电效应”实验，体会爱因斯坦的光子说。
(6) 了解光的波粒二象性，使学生知道微观世界能量量子化的特征。
情感态度
与价值观
（1）感受科学家客观求实、理性追求、批判创新的精神和富有创造性的想像力，启发学生勇于质疑，富于想象，培养思维的多向性和发散性。
（2）通过了解量子论的建立和发展过程，使学生体会科学家们探求真理的无限艰辛和他们非凡的创造性思维的光芒，使学生不仅从中获取科学知识，更受到科学思维的熏陶。引导学生善于逆向思维，培养思维的灵活性、发散性和创造性。
教
材
分
析
重点
爱因斯坦的相对论，普朗克的量子化观点
难点
狭义相对论的理论基础与狭义相对论时空观的几个推论，微观世界中的量子化现象及光的波粒二象性。
学情分析
学生对微观世界的认识，对微观粒子的了解，可以说是几近于零，无法用已有的经典物理的观点去理解，缺乏相关知识的铺垫，因而对教学会造成相当大的困难。首先应正确地定位教学的层次和难度，对本内容要求的知识技能目标是“初步了解和知道”，在必修课程中编排现代物理的内容，目的是使学生在完成前面力学部分课程后对物理学的发展和前景有整体性了解，也是为进一步激发学生学习物理的兴趣，所以教学要求以了解为主，教学过程不做更高要求。
教学流程
教师活动安排
学生活动安排
设 计 意 图
时间
内 容
时间
内 容
1
展示学习目标
8
阅读教材P103---106，小组讨论、总结。
了解学习目标
1
问题1：经典时空观的几个结论。
3
学生代表回答问题
了解经典时空观
2
问题2：狭义相对论的两个基本假设和狭义相对论时空观的几个推论
3
学生代表回答问题
了解狭义相对论
2
问题3：量子化假设
8
阅读教材P107---109，学生总结回答问题
了解普朗克的量子化假设观点
2
问题4：光电效应现象，光的波粒二象性
3
学生代表回答问题
懂得光具有波粒二象性
1
引导学生小结
6
课堂训练
目村达成检测
精
讲
点
拨
1、经典时空观
经典时空观是经典力学的理论基础。
[讨论与交流]在匀速前进的车厢中的自由落体，相对于车厢中静止的观察者做竖直向下初速度为零的匀加速直线运动，相对于地面上静止的观察者做平抛运动。
[讨论与交流]
(1)我们所说的匀速运动实际上是以地面为参考系，物体不受外力或者所受合外力为零时的惯性运动。
(2)一个物体的运动对两个相互做匀速直线运动的惯性系来说，速度、加速度以及所遵循的力学规律都是相同的。
在此基础上让学生懂得牛顿引入绝对时空观的缘由：
(1)经典力学是讨论物体的运动状态及其改变的，而所有的运动都是在一定的时间、空间中进行的，机械运动是物体的位置移动，位置涉及空间概念，移动涉及速度，涉及时间概念，所以牛顿力学必定与一定的时空观相联系。
(2)机械运动的描述离不开参考系，然而牛顿定律并不适用于所有的参考系(后人把牛顿定律适用的参考系叫做惯性参考系)，但是经典力学的理论框架本身并不能明确给出什么是惯性参考系，牛顿的解决办法是引入一个客观标准——绝对空间，用以判断各物体足处于静止、匀速运动还是加速运动状态。
进而建立起经典时空观，而且进一步得出经典力学的几个具体结论：
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。
对经典时空观的几个具体结论，可以用以下事例来说明：
(1)同时的绝对性。绝对时空观中的同时是绝对的。就是说，在两个不同地点发生的两个事件，只要对一个惯性参考系来说是同时，那无论对什么惯性参考系来说都是同时的，例如，有一辆做匀速直线运动的火车，车厢内观察者看到两个事件是同时发生的，那站在站台上的观察者也必定看到两个事件是同时发生的，反过来说也如此。
(2)时间间隔的绝对性。例如一个人看到自己的手表走过一分钟，往往以为世界上所的钟和表也都同样地走过一分钟，而不管是在哪一种运动状态的钟。这就是时间间隔的绝对性。
(3)空间距离的绝对性。例如一把直尺的长度，如果从某一个参考系测量它是一尺。那么，我们的日常经验会以为从任何参考系来测量它，它仍旧是一尺，而与参考系的运动状态无关。
2、狭义相对论的两个基本假设
结合教材图5—2—1、图5—2—2使学生理解光的传播与经典力学的矛盾，在此基础上提出爱因斯坦的狭义相对论的两个基本假设：
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是相同的。
3、狭义相对论时空观的几个推论
①“同时”的相对性是针对发生在不同地点的事件而言的。因为两个事件发生在不同地点、光信号的传递是两段不同的路程，这两个不同的过程才会相互比较。因为是两个基本点不同的地点，才会有是否同时接受到光信号的问题。如果两个事件发生在同一个地点(更准确地说是同一个点)，那这两个事件光信号的传递就是相同的过程。在这种情况下，就不可能出现先后接收到光信号的问题，同时就是绝对的，与参考系的选择无关。比如，在教材图5—2—3、5—2—4的例子中，如果我们把车厢里的前后两个门安装在一起，两个门面相贴，就像一个门的正反两面．那这两个门无论放在车厢内的什么位置，总是同时接到光信号，总是同时打开。无论车厢里的观察者，还是站台上的观察者，他们看到的都是两个门同时打开。
②运动的时钟变慢，其实质是指在相对论中每位观察者都有自身的时间测度，即如果一时钟在天空高速飞驰，对静止不动的观察者来说似乎钟的时间走得慢了。时钟飞驰得越快，钟的时间走得越慢；在与光速相等的时候，钟将似乎完全停止，时间就会停顿了。
③运动的尺子缩短。在对教材图5—2—6解释时，应注意指出左图中A尺相对于B尺静止，右图中A尺相对于B尺运动，在B尺看来A尺长度缩短，尺缩和钟慢一样，是对称的．即如果A、B之间有相对运动，那么，A看B的尺缩短了，B看A的尺缩短了。这个结论表示空间的大小并不是绝对的，而是相对的。
④物体质量随速度的增加而增大。爱因斯坦在时空观的彻底变革的基础上建立了相对论力学，指出质量随着速度的增加而增加，当速度接近光速时，质量趋于无穷大。
⑤经典时空观与狭义相对论时空观的主要区别，如下表所示：
绝对时空观
狭义相对论时空观
光速
相对的
绝对的
同时
绝对的
相对的
时间与空间
与运动无关，绝对的
与运动联系，相对的
质量
与运动无关，不变的
随速度增大而增大
4、黑体辐射：能量子假说的提出
如果某种物体能吸收照射到它上面的全部辐射而无反射，它便显示出黑色，这种物体称为黑体。而黑体吸收热量，能发生电磁辐射，这就叫“黑体辐射”。
在19世纪末科学家们用经典物理学知识无法解释这一现象。而普朗克克服经典物理学对黑体辐射现象的困难，大胆提出“能量子假说”。他认为，辐射的能量仅仅在原子吸收或发射时是不连续的，一份一份的，而在传播过程中，则仍是连续的。就好象是一个人用小碗从缸里舀水，倒在水池中，水是不连续的一样。
学生在阅读教材P108的基础上，让学生懂得光电效应现象是表明“光具有粒子性”。
5、光的波粒二象性
在微观世界中：大量光子运动产生的效果显示出波动性，个别光子运动产生的效果显示出粒子性。光在传播时显示波动性，与物质发生作用时往往显示粒子性。
课堂达标
1、（09高考）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。下列表述正确的是（ A ）
A、牛顿发现了万有引力定律 B、光电效应证实了光的波动性
C、洛伦兹发现了电磁感应定律 D、相对论的创立表明经典力学已不再适用
2、关于经典力学和相对论的关系（ BC ）
A、相对论是对经典力学的否定
B、经典力学可以认为是相对论的一个特例
C、经典力学是相对论在低速情况下的近似
D、相对论是在经典力学基础上的推论
3、最早提出量子化观点的科学家是（ D ）
A、惠更斯 B、爱因斯坦 C、麦克斯韦 D、普朗克
4、对光的波粒二象性的说法中，正确的是（ C ）
A、有的光是波，有的光是粒子 B、光子和电子是同样类型的粒子
C、光的波长越长，其波动性越明显 D、光的频率越高，其波动性越明显
板书设计
第二节 相对论与量子化现象
1、经典时空观
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
2、狭义相对论的两条基本假设
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是相同的。
3、狭义相对论时空观的几个推论
①“同时”的相对性；②运动的时钟变慢；③运动的尺子缩短；④物体质量随速度的增加而增大。
4、能量子假说
物质发射（或吸收）能量时，能量不是连续的，而是一份一份地进行的。每一份就是一个最小的能量单位。这个不可再分的最小能量单位称为“能量子”
5、光的波粒二象性
光具有波动性又具有粒子性
教学后记
几个现代物理学的理论学生还不甚理解，但还要多选择一些科普材料来激发学生进一步学习物理的兴趣和热情。
第五章 经典力学与物理学革命
第一节 经典力学的成就与局限性
第二节 经典时空观与相对论时空观
A级 抓基础
1．17世纪末，采用归纳与演绎、综合与分析的方法，建立了完整的经典力学体系，使物理学从此成为一门成熟的自然科学的科学家是( )
A．牛顿 B．开普勒
C．笛卡儿 D．伽利略
解析：牛顿创建了完整的经典力学体系，故A正确．
答案：A
2．下列说法正确的是( )
A．牛顿运动定律就是经典力学
B．经典力学的基础是牛顿运动定律
C．牛顿运动定律可以解决自然界中所有的问题
D．量子力学的建立，说明经典力学是错误的
解析：牛顿运动定律是经典力学的基础，但经典力学并不等于牛顿运动定律，故A错、B对．经典力学并非万能，和其他任何理论一样，它也有其自身的局限性和适用范围，并不能解决自然界中所有的问题，相对论的建立和量子力学的建立并不是对经典力学的否定，对于宏观物体的运动，量子现象并不显著，经典力学仍然适用，故C、D错．
答案：B
3．(多选)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．进站时减速行驶的火车
解析：绕地球做匀速圆周运动的飞船相对地面有向心加速度．进站时减速行驶的火车相对于地面也有加速度．
答案：BD
B级 提能力
4．(多选)20世纪以来，人们发现了一些新的事实，而经典力学却无法解释．经典力学只适用于解决物体的低速运动问题，不能用来处理高速运动问题；只适用于宏观物体，一般不适用于微观粒子．这说明( )
A．随着认识的发展，经典力学已成了过时的理论
B．人们对客观事物的具体认识，在广度上是有局限性的
C．经典力学与相对论是相互矛盾的一对理论
D．人们应当不断地扩展认识，在更广阔的领域内掌握不同事物的本质与规律
解析：人们对客观世界的认识，要受到所处的时代的客观条件和科学水平的制约，所以形成的看法也都具有一定的局限性，人们只有不断地扩展自己的认识，才能掌握更广阔领域内的不同事物的本质与规律；新的科学的诞生，并不意味着对原来科学的全盘否定，只能认为过去的科学是新的科学在一定条件下的特殊情形．所以A、C错，B、D对．
答案：BD
5．相对论告诉我们，物体运动时的质量与其静止时的质量相比( )
A．运动时的质量比静止时的质量大
B．运动时的质量比静止时的质量小
C．运动时的质量与静止时的质量相等
D．是两个不同的概念，无法比较
解析：根据狭义相对论的质速关系m＝知，物体运动时的质量比静止时的质量大，A对，B、C、D错．
答案：A
6．(多选)对于公式m＝，下列说法中正确的是( )
A．式中的m0是物体以速度v运动时的质量
B．当物体的运动速度v>0时，物体的质量m>m0，即物体的质量改变了，故经典力学不适用
C．当物体以较小速度运动时，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．通常由于物体的运动速度较小，质量的变化引不起我们的感觉，故在分析地球上物体的运动时，不必考虑质量的变化
解析：公式中m0是静止时的质量，m是物体以速度v运动时的质量，A错；由公式可知，只有当v接近光速时，物体的质量变化才明显，一般情况下物体的质量变化十分微小，故经典力学仍然适用，故选项B错，选项C、D正确．
答案：CD
教学设计
第二节 经典时空观与相对论时空观
整体设计
经典力学是在研究宏观物体的低速（与光速相比）运动时总结出来的，对于微观粒子和高速运动的宏观物体经典力学不适用.当光的电磁本质被揭示出来以后，对光在空间的传播问题的研究和思考，引发了物理学的一场革命，导致了相对论的建立，改变了我们对时间和空间的认识.那么相对论给出的时空观是怎样的呢？
教学难点
经典时空观与相对论时空观的主要区别.
教学重点
1.知道狭义相对论的实验基础、基本原理和主要结论.
知道同时的相对性、长度的相对性、时间间隔的相对性.
2.了解经典时空观与相对论时空观的主要区别.体会相对论的建立对人类认识世界的影响.
教学方法
质疑探究、讨论
课时安排
1课时
三维目标
知识与技能
1.了解伽利略相对论原理，知道时空观与参考系的联系.
2.了解经典时空观及其基本推论，知道牛顿引入绝对时空观的原因.
3.了解狭义相对论的理论基础与狭义相对论时空观的几个推论，知道相对论时空观对人们认识世界的影响.
4.知道经典时空观与相对论时空观的主要区别.
过程与方法
1.通过对参考系和运动的“讨论与交流”，认识惯性系的概念与伽利略相对性原理.
2.了解绝对时空观与实验事实的矛盾.
3.通过了解爱因斯坦创立狭义相对论的过程，学习创立科学理论的基本方法——“提出假设”.
4.通过“讨论与交流”理解同时的相对性.
5.对比经典时空观的推论与相对论时空观的推论，认识经典时空观与相对论时空观的区别.
情感态度与价值观
1.通过“讨论与交流”活动，培养学生的独立思考能力、逻辑分析能力、口头表达能力和合作学习的精神.
2.通过了解时空观的变革，从中认识物理学的发展和变革，体会相对论对人类认识世界的影响，感受物理学的发展对推动社会的作用.
3.感受科学家客观求实、理性追求、批判创新的精神和富有创造性的想象力，启发学生勇于质疑、富于想象，培养思维的多向性和发散性.
4.通过了解时空观的变革，使学生认识到自然界是可以被人认识的，科学是认识自然最有效的途径，科学对自然界有解释和预见的功能，科学知识具有想对的稳定性并不断发展和进步，从过程的意义来看，科学的本质就是探究，是不断地追求真理和不断地修正错误，不断地创新.
教学过程
导入新课
通过自己的生活经验，我们对周围世界的观察，最容易接受的时空观是牛顿的绝对时空观（它体现在伽利略变换中）.一般容易认为空间是容纳各种物体的容器，物体可以在空间中运动，空间与物质的分布和运动没有关系；时间均匀流逝，与物质无关；空间、时间脱离物质而独立存在，总是一成不变的.我们认为长度是绝对的，存在某种理想的直尺，在所有参考系中它的长度不变.我们认为时间是绝对的，存在某种理想的时钟，对所有参考系显示相同的时间.
时间、空间的本质不仅是物理学的基本问题，也是深刻的哲学问题，不断有人对它们进行研究.20世纪初，爱因斯坦揭示了同时性的相对性，用相对性原理和光速不变原理两个基本假设，建立了狭义相对论的时空观，明确指出时间和空间都与物质的运动有关，时间和空间是相互联系的，应统一为四维时空.爱因斯坦又进一步在广义相对论中揭露了时空与物质是相互作用的，物质的分布及其运动使周围的时空发生弯曲，而弯曲的时空又反过来影响物质的运动.可以认为，广义相对论的基本思想是：物质决定了时空的弯曲，而时空又决定了物质的运动.
相对论的时空观与我们习惯接受的经典时空观是格格不入的.一般说，我们只能通过自己的经验和积累的知识去认识新事物.我们周围各种物体的运动、变化都是低速情形，v?c，它们基本上都可以用经典的绝对时空观去解释.换句话，经典的时空观对我们生活和活动的广大领域是适用的，但经典力学也具有一定的局限性.
推进新课
一、经典时空观
师
要描述一个物体的运动，必须选择一个参考系，然后确定这一物体相对于参考系是如何运动的.同一物体的运动，我们所选择的参考系不同，对它的运动的描述就会不同；而太阳也是运动的，所以要想选择一个具体事物作为绝对不动的参考系，变得越来越困难了.牛顿是怎样解决这一问题的？他提出了怎样的时空观？
师
牛顿在前人大量工作的基础上，以其缜密的理论思维和深厚的数学功底，定量地、完整地建立了经典力学的理论体系，为整个经典物理学打下了坚实的基础.
牛顿继承了伽利略相对性原理及伽利略变换的思想，并完整地叙述了绝对时空观.在开普勒行星运动三定律的基础上（已正确地观察到行星运动的椭圆轨道），发现了万有引力定律.在伽利略惯性定律的基础上，又建立了动力学的牛顿三定律.
按伽利略变换，牛顿定律完全满足伽利略相对性原理的要求,即三者完全协同一致.因此伽利略变换反映的时空观，集中体现了经典物理学的时空观.
在匀速前进的车厢中的物体自由下落，相对于车厢中静止的观察者做竖直向下初速度为零的匀加速直线运动，相对于地面上静止的观察者做平抛运动.
（1）惯性系：凡是牛顿运动定律成立的参考系，称为惯性参考系.而牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性参考系.并且观察到的现象和理论都表明：所有相对于惯性系做匀速直线运动的参考系都是惯性系，而对于惯性系做变速运动的参考系不是惯性系.
（2）我们所说的匀速运动实际上是以地面为参考系，物体不受外力或者所受合外力为零时的惯性运动.
（3）一个物体的运动对两个相互做匀速直线运动的惯性系来说，速度、加速度以及所遵循的力学规律都是相同的.
1.伽利略相对性原理
伽利略相对性原理：对于所有的惯性系，力学规律都是相同的，或者说一切惯性系都是等效的，即在惯性运动的范围内不存在绝对空间和绝对运动.
2.经典力学时空观
（1）内容：绝对的真实的数学时间，就其本质而言，是永远均匀地流逝，与任何外界无关，绝对空间就其本质而言是与任何外界事物无关的，它从不运动，并且永远不变.
（2）经典力学的几个具体的结论：
同时的绝对性；时间间隔的绝对性；空间距离的绝对性.
①同时的绝对性
绝对时空观中的同时是绝对的.就是说，在两个不同地点发生的两个事件，只要对一个惯性参考系来说是同时，那无论对什么惯性参考系来说都是同时的.例如，有一辆做匀速直线运动的火车，车厢内观察者看到两个事件是同时发生的，那站在站台上的观察者也必定看到两个事件是同时发生的，反过来说也如此.在这点上，经典时空观与日常生活经验似乎是一致的.
经典时空观已经抛弃了旧时空观的“宇宙中心论”，这是很大的进步.伽利略相对性原理已经明确指出，对力学规律惯性系之间都是等价的，没有特殊的时空存在（“宇宙中心”就是一种特殊的时空）.由于惯性系概念是理想的，所以在某种研究的场合，有惯性系近似程度的选择优劣问题.因为惯性系选择得好，才能使经典理论适用.在地球附近的实验室内，地球为惯性系已足够好；研究太阳系内的运动，地球已不能看为惯性系，应选择太阳为惯性系；在更大尺度上，惯性系近似程度还须提高，如过渡到银河系中心.这些并非意味“宇宙中心”的转移，而只是惯性系选择的转移，时、空的均匀性，空间的各向同性并不改变.
②时间间隔的绝对性
时间间隔也同样是绝对的.例如，一个人看到自己的手表走过一分钟，往往以为世界上所有的钟和表也都同样地走过一分钟，而不管是在哪一种运动状态的钟，这就是事件间隔的绝对性.
③空间距离的绝对性
例如，一把直尺的长度，如果从某一个参考系测量它是一尺，那么，我们的日常经验会以为从任何参考系来测量它，它仍旧是一尺，而与参考系的运动状态无关.
值得提出的是，在牛顿的头脑中仍坚信绝对静止的空间——一种特殊的惯性系、特殊的空间存在.有人提出宇宙中存在着“以太”，将它作为绝对静止空间的物质基础.然而，这些想法不但不能为经典物理理论证明，而且后来为近代物理的发展所推翻（如“以太”的否定，“相对性原理”的推广等）.
经典时空观的近似性，是与经典物理理论的适用范围有关的.它是在物质平均密度小（或引力场弱）的区域（注：这是惯性系条件的要求），宏观物体做低速运动时（指运动速度远小于光速c）的时空特征的反映，它是近代时空观在这一物质层次的近似反映，具有相对真理性.
二、相对论时空观
讨论与交流
究竟何为“相对性”?
交流1：有人曾问爱因斯坦：“请问何谓相对，可否赐教？”他回答道：“如果你和一个漂亮的女孩子在一起坐了一个小时，感觉上似乎只过了一分钟.而如果坐在一个过分热的炉子旁边一分钟，就好像过了一个多小时，这就是相对.”
交流2：“横看成岭侧成峰，远近高低各不同”——苏轼《题西林壁》
我们所看到的现象或者对事物的描述，往往随观测的角度而异.在物理学中描述一个物理过程，离不开参考系，这就是事物的相对性.如：
古时代球形大地是不可思议的，因为按当时的“习惯”想法会认为，若大地是球形的，那些居住在我们对面的人不就要“掉下”去了吗？在那时看来“上”和“下”的观念是绝对的.（正如现在对狭义相对论和广义相对论较难理解一样）
从时空观上看，树立球形大地的概念，就得承认，我们的“上”就是对面的“上”，也就是把“上”和“下”的概念相对化.当然这个问题早在亚里士多德时代就已经解决了.
交流3：寻求相对性中的不变性
在物理学中，若能超越以不同角度（参考系）来认识问题的局限性，转而来寻求不同参考系内各观测量之间的变换关系，以及变换过程中的那些不变性，那么观察或描述问题的角度（参考系）已变得不那么重要，重要的是那些“不变性”.
不变性是什么？是物理定律，是自然界中与观测者无关的客观规律.如地球表面上各点并没有统一的“上”和“下”的方向，但所谓“下”应是指地心的，这才是从地球的一处到另一处的不变性，其中蕴含了深刻的物理规律——万有引力定律.
交流总结：现在物理学已不是被动地去协调不同参考系中的观测数据，而是自觉地去探索不同参考系中物理量、物理规律之间的变换关系（相对性原理），和变换中的不变量（对称性），以便超越自我认识上的局限性，去把握物理世界中更深层次的奥秘.
这是现代物理学方法论的精髓，物理学本身存在的依据.爱因斯坦创立相对论，是这方面的杰出典范.
狭义相对论是爱因斯坦（A.Einstein.1879～1955）创立的，是在19世纪末经典物理学理论与实验发生尖锐矛盾时，爱因斯坦对经典理论进行变革产生的.首先是狭义相对论，而后又推广为广义相对论，这是一种全新的关于宏观物质的物理理论.而这种变革首先是从否定经典时空观中“同时性的绝对性”入手的.
狭义相对论的适用范围是：在惯性参考系中宏观物质的高速运动.所以其时空观是在物质平均密度小（或引力场弱）的区域，宏观物体做高速运动时时空特征的反映.由于“高速”与“低速”不同，量变会产生质变，所以狭义相对论时空观与经典时空观会有质的不同.又由于“高速”包含“低速”，所以经典时空观不过是狭义相对论时空观在物体速度v狭义相对论理论系统的基本原理是“光速不变原理”和“狭义相对性原理”.
狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的.
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.
从狭义相对论的两个基本假设出发，推导出的不同于经典力学的结论：
1.“同时”是相对的
“同时”概念的相对与绝对.
事例1：如图5-2-1
图5-2-1
事例2：谁先动手？
按照狭义相对论，不仅“同时”是相对的，有时候，甚至事情的先后也都是相对的.举一个例子，如图5-2-2，一节长为10 m的列车，A在车后部，B在车前部.当列车以0.6c的高速度通过一个站台的时候,突然站台上的人看到A先向B开枪,过了12.5×10-9 s,B又向A发射.因而站台上的人作证：这场枪战是由A挑起的.但是，车上的乘客却提供相反的情况，他们说，是B先开枪，过了10×10-9 s，A才动手，事件是由B发起的.
图5-2-2
到底是谁先动手呢？没有绝对的答案.在这个具体事件中，谁先谁后是有相对性的.在列车参考系中，B先A后，而在车站参考系中则是A先B后.
在十几个毫微秒时间内，光信号走不到十米远，所以A和B开枪动作的先后是相对的.
光速不变性保证了因果关系的成立，保证我们不会看到任何倒因为果的现象，是相对性中的不变性.（这涉及洛伦兹变换、闵可夫斯基空间及“一切物质和信息的速度都不能超过c”）
概念
经典力学
狭义相对论
光速
相对的
绝对的
同时
绝对的
相对的
不可能有物理联系的两事件的次序
绝对的
相对的
可能有物理联系的两事件的次序
绝对的
绝对的
经典力学和狭义相对论的比较：
所谓两个事件是同时的，意思是说：两个事件的空间位置可以不同，但发生的时间是一样的.举一个例子，每当广播电台在播送对钟信号的时候，在不同地点的许多人都要对一下自己的钟或表.我们可以说，不同地点的人对钟动作是同时的.仔细分析，这个说法并不严格.因为电台发射的信号要经过一定的时间才能传到收音机那里.距离越大，传播时间越长，不同地点收到信号的时间，实际上并不完全一样.当然，由于电波速度很大，这种对钟方法产生的差别相当小，在日常生活中这种不严格性不会带来任何麻烦.
不过，当我们在讨论原则性问题时，哪怕再小的不严格性也是不允许的.严格地说，只有当两个钟与电台的距离相等时，它们才会同时收到信号.
两个钟分别放在A和B两点，它们与广播电台的距离都等于L.如果电台在t=0时发出信号，则在t=时信号将同时到达A和B.或者说，信号到达A和到达B这两件事是同时发生的.通过这种手续，我们利用电台可以把同一惯性系中所有各点上的钟全部对准.这样，就在这个惯性系中有了共同的时间标准.
现在，我们站在另一个惯性参考系K′上，它以速度v，相对于K向左运动,在他看来，电台和A、B三者都以速度v向右运动.这时，电台到A及B两钟的距离仍然相等，假定为L′.因为光速是不变的，相对于K′，信号的速度还是c.然而由于A具有向右的速度v，所以，在K′看来，A和射向A的信号之间的相对速度是c+v.同样的道理B和射向B的信号之间的相对速度是c-v.因此，假如电台发信号的时间是t′=0，则A和B收到信号的时间分别是ta′=，tb′= .
显然ta′≠tb′.也就是说，在K′看来，信号到A和到B这两件事不是同时发生的.这就证明了“同时”是相对的，它决定于选用哪一个参考系.当参考系变化时，不同时的事可能变成同时，同时的事件也可能变成不同时.
2.时间间隔的相对性（时缓效应、钟慢效应、时间膨胀）
图5-2-3
Δt==γΔt′
如图5-2-3，从地面上看，火车上的时间进程变慢了，可车上的人自已没有这种感觉，反而认为地面上的时间进程比火车上慢，因为他看到，地面正以同样的速度朝相反方向运动！
两种情况到底谁对呢？都对.他们的结论表面上相反其实并不矛盾，是一致的.这个结论就是：在一个惯性系中，运动的钟要变慢.在地上人看来火车在运动，在火车上人看来地面在运动，所以，他们都是看到对方的钟变慢了.
时钟相对于观察者静止时，走得快；相对于观察者运动时，观察者会看到它变慢了.运动速度越快，效果越明显，即运动着的时钟要变慢.
讨论与交流
事例：我们设想甲、乙是一对孪生弟兄.他们计划做一次高速飞船旅行，来检验一下狭义相对论.甲留在发射基地，乙周游天外.当飞船再度回到基地时，是甲比乙年轻，还是乙比甲年轻？这里有两种答案：（1）甲看乙船上的钟变慢了，所以，甲说乙应该比他更年轻一些.（2）乙也看到基地的钟变慢了，所以乙说甲应该比他更年轻些.
在这个两难的境地，运动钟变慢的结论，到底应当怎么办？这是个有名的疑难，叫“双生子佯谬”.
问题的关键是乙要回到出发点.倘使乙的飞船仅仅做匀速直线运动，是办不到这一点的.乙的飞行路线必然是有来有去，或者是转一个圈子.因此，在甲看来，乙是在做有速度变化的运动，当然，在乙看来，甲相对于他也在做变速运动.
按照运动钟变慢的理论，甲看乙钟变慢，乙看甲钟变慢这种对称性，只有当甲和乙的相对运动速度不变时，才能保持.或者说，只有互相做匀速直线运动的两个惯性参考系，互相之间才是等价的，一旦出现了变速的相对运动，就不能使用这种对称性了.
甲和乙都生活在宇宙间，他们周围还有大量天体.因此，双生子问题中有三个因素：甲、乙和他们周围的宇宙，如果甲留在基地上，他相对于大量天体并没有做变速运动.在甲看来，只有乙在做变速运动.在乙看来，情况与甲不同.他不但看到甲在做变速运动,而且整个宇宙都在做变速运动.一边是整个周围的宇宙，一边只是一个飞船，这是明显的不对称性.所以由对称性引起的两难是不存在的.
那么，到底谁年轻呢？
实验与探究
实验一：
1966年，真的做了一次双生子旅游实验，用来判断到底哪个寿命长，同时也结束了纯理论的争论.不过旅游的不是人，仍然是μ子.旅途也不在天外，而是一个直径大约为14 m的圆环.μ子从一点出发沿着圆轨道运动再回到出发点，这同乙的旅行方式是一样的.实验的结果是，旅行后的μ子的确比未经旅行的同类年轻了.
我们似乎可以这样作结论了：谁相对于整个宇宙做更多的变速运动，谁就会活得更长久，佯谬也就不存在了.
实验二：1971年铯原子钟实验（如图5-2-4）
图5-2-4
将铯原子钟放在飞机上，沿赤道向东和向西绕地球一周，回到原处后，分别比静止在地面上的钟慢59 ns和快273 ns.
地球以一定的角速度向东转，地面不是惯性系，而从地心指向太阳的参考系是惯性系（忽略地球公转）.飞机的速度总小于地球自转速度，所以无论飞机向东还是向西，它相对于惯性系都是向东，只是前者速度大，后者小.而地面上的钟的转速介于二者之间.
上述实验表明，相对于惯性系转速越大的钟走得越慢.这和孪生子问题所预期的效应是一致的.所以不应再说：“孪生子佯谬”，而应是孪生子效应了.这暗示着，人要活得更长久，应该不断地向东飞去，使得地球的转动速度叠加上飞机的速度.
著名的物理学者霍金曾在他的著作《时间简史》中如是说：“然而人们所获得的比一秒还短得多的生命延长，远远不及劣质飞机餐对健康的残害！”
3.空间的相对性（洛伦兹收缩、尺缩效应）
1893年，为了解释麦克尔逊-莫雷实验，斐兹杰诺和洛伦兹先后都提出过一种假说，即一切物体都要在它的运动方向上收缩.后来就称为洛伦兹—斐兹杰诺收缩.
按照斐兹杰诺所给出的定量关系，以11 km/h速度飞行的火箭，在运动方向只收缩十亿分之二左右.但是，在高速运动时，尺的收缩量很可观.当速度达到光速的一半时，收缩百分之十五.当光速达到2.6×105 km/h时，收缩百分之五十，也就是说原来1 m长的尺，现在只有50 cm了.
在狭义相对论中，尺长也是相对的（决定于参考系）.尺长的变化方式和当初洛伦兹—斐兹杰诺所假定的完全一样.
图5-2-5
地面上的人认为同时测得了杆两端的坐标，车上的人却认为是不同时的，所以两个参考系中的测量值有了差异.
尺缩也和钟慢一样，是对称的.即如果甲、乙之间有相对运动，那甲看乙的尺缩短了，乙看甲的尺缩短了（如图5-2-5）.这个结论表示空间大小并不是绝对的，而是相对的，“动尺缩短”.
4.物体质量随速度的增大而增大
爱因斯坦在时空观的彻底变革的基础上建立了相对论力学，指出质量随着速度的增大而增大，当速度接近光速时，质量趋于无穷大.他给出了著名的质能关系式：E=mc2，质能关系式对于后来的原子能事业起到了指导作用.严格的论证证实，物体以速度v运动时的质量m和它静止时的质量m0之间的关系为：m=.
爱因斯坦的诺贝尔物理学奖章 爱因斯坦的诺贝尔物理学奖证书
图5-2-6 图5-2-7 图5-2-8
课堂小结
1.经典力学作为物理学的主要部分，仍有其局限性和适用范围，要一分为二地分析；
2.“事件”的概念是理解同时的相对性的基础；
3.“地面上认为同时的两个事件，对于沿着两个事件发生地的连线运动的观察者来说，更靠前面的那个事件先发生.”
板书设计
第二节 经典时空观与相对论时空观
经典时空观
相对论时空观
同时的绝对性
同时的相对性
时间间隔的绝对性
运动时钟变慢
空间距离的绝对性
运动的尺子缩短
质量不变
物体质量随速度的增大而增大
备课资料
1.爱因斯坦与相对论
关于光的性质，还有很多谜，直到现在也无法用科学解释.光是怎样产生的？在空间如何传播？光怎样以物质出现？光是什么，是物质、振动，还是纯能？颜色是否为光必不可少？对于这许许多多的问题，科学已经作出了部分解释，但归根结底，这些问题尚未解答.不过，20世纪初，在人们了解光、研究光的过程中，带来了物理学的两场革命，这就是相对论和量子论.为建立这两个理论体系，许多科学家都作出了重要贡献，他们都是一些杰出的物理学大师，其中最为突出的是爱因斯坦.
2.爱因斯坦的学生时代
艾伯特·爱因斯坦于1879年3月14日在德国小城乌尔姆出生，他的父母都是犹太人.爱因斯坦有一个幸福的童年，他的父亲是位平静、温顺的好心人，爱好文学和数学.他的母亲个性较强，喜爱音乐，并影响了爱因斯坦.爱因斯坦从六岁起学小提琴，从此小提琴成为他的终身伴侣.爱因斯坦的父母对他有着良好的影响和家庭教育，家中弥漫着自由的精神和祥和的气氛.
和牛顿一样，爱因斯坦年幼时也未显出智力超群，相反，到了四岁多还不会说话，家里人甚至担心他是个低能儿.六岁时他进入了国民学校，是一个十分沉静的孩子，喜欢玩一些需要耐心和坚韧的游戏，例如用纸片搭房子.1888年进入了中学后，学业也不突出，除了数学很好以外，其他功课都不怎么样，尤其是拉丁文和希腊文，他对古典语言毫无兴趣.当时的德国学校必须接受宗教教育，开始时爱因斯坦非常认真，但当他读了通俗的科学书籍后，认识到宗教里有许多故事是不真实的.12岁时他放弃了对宗教的信仰，并对所有权威和社会环境中的信念产生了怀疑，并发展成一种自由的思想.爱因斯坦发现周围有一个巨大的自然世界，它离开人类独立存在，就像一个永恒的谜.他看到，许多他非常尊敬和钦佩的人在专心从事这项事业时，找到了内心的自由和安宁.于是，少年时代的爱因斯坦就选择了科学事业，希望掌握这个自然世界的奥秘，而一旦选择了这一道路，就坚持不懈地走了下去，从来没有后悔过.
1895年，爱因斯坦来到瑞士苏黎世，准备投考苏黎世的联邦工业大学，虽然他的数学和物理考得很不错，但其他科目没有考好，学校校长推荐他去瑞士的阿劳州立中学学习一年，以补齐功课.在阿劳州立中学的这段时光中使爱因斯坦感到快乐，他尝到了瑞士自由的空气和阳光，并决心放弃德国国籍.
1896年，爱因斯坦正式成为一个无国籍的人，并考进了联邦工业大学.大学期间，爱因斯坦迷上了物理学，一方面，他阅读了德国著名物理学家基尔霍夫、赫兹等人的著作，钻研了麦克斯韦的电磁理论和马赫的力学，并经常去理论物理学教授的家中请教.另一方面，他的大部分时间是去物理实验室去做实验，迷恋于直接观察和测量.1900年，爱因斯坦大学毕业.1901年，他获得了瑞士国籍.1902年，在他的朋友格罗斯曼的帮助下，爱因斯坦终于在伯尔尼的瑞士联邦专利局找到了一份稳定的工作——当技术员.
3.狭义相对论的创立
早在16岁时，爱因斯坦就从书本上了解到光是以很大速度前进的电磁波，他产生了一个想法，如果一个人以光的速度运动，他将看到一幅什么样的世界景象呢？他将看不到前进的光，只能看到在空间里振荡着却停滞不前的电磁场.这种事可能发生吗？
与此相联系，他非常想探讨与光波有关的所谓以太的问题.以太这个名词源于希腊，用以代表组成天上物体的基本元素.17世纪，笛卡儿首次将它引入科学，作为传播光的媒质.其后，惠更斯进一步发展了以太学说，认为荷载光波的媒介物是以太，它应该充满包括真空在内的全部空间，并能渗透到通常的物质中.与惠更斯的看法不同，牛顿提出了光的微粒说.牛顿认为，发光体发射出的是以直线运动的微粒粒子流，粒子流冲击视网膜就引起视觉.18世纪牛顿的微粒说占了上风，然而到了19世纪，却是波动说占了绝对优势，以太的学说也因此大大发展.当时的看法是，波的传播要依赖于媒质，因为光可以在真空中传播，传播光波的媒质是充满整个空间的以太，也叫光以太.与此同时，电磁学得到了蓬勃发展，经过麦克斯韦、赫兹等人的努力，形成了成熟的电磁现象的动力学理论——电动力学，并从理论与实践上将光和电磁现象统一起来，认为光就是一定频率范围内的电磁波，从而将光的波动理论与电磁理论统一起来.以太不仅是光波的载体，也成了电磁场的载体.直到19世纪末，人们企图寻找以太，然而从未在实验中发现以太.
但是，电动力学遇到了一个重大的问题，就是与牛顿力学所遵从的相对性原理不一致.关于相对性原理的思想，早在伽利略和牛顿时期就已经有了.电磁学的发展最初也是纳入牛顿力学的框架，但在解释运动物体的电磁过程时却遇到了困难.按照麦克斯韦理论，真空中电磁波的速度，也就是光的速度是一个恒量，然而按照牛顿力学的速度加法原理，不同惯性系的光速不同，这就出现了一个问题：适用于力学的相对性原理是否适用于电磁学？例如，有两辆汽车，一辆向你驶近，一辆驶离.你看到前一辆车的灯光向你靠近，后一辆车的灯光远离.按照麦克斯韦的理论，这两种光的速度相同，汽车的速度在其中不起作用.但根据伽利略理论，这两项的测量结果不同.向你驶来的车将发出的光加速，即前车的光速=光速+车速；而驶离车的光速较慢，因为后车的光速=光速-车速.麦克斯韦与伽利略关于速度的说法明显相悖.我们如何解决这一分歧呢？
19世纪理论物理学达到了巅峰状态，但其中也隐含着巨大的危机.海王星的发现显示出牛顿力学无比强大的理论威力，电磁学与力学的统一使物理学显示出一种形式上的完整，并被誉为“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂”.在人们的心目中，古典物理学已经达到了近乎完美的程度.德国著名的物理学家普朗克年轻时曾向他的老师表示要献身于理论物理学，老师劝他说：“年轻人，物理学是一门已经完成了的科学，不会再有多大的发展了，将一生献给这门学科，太可惜了.”
爱因斯坦似乎就是那个将构建崭新的物理学大厦的人.在伯尔尼专利局的日子里，爱因斯坦广泛关注物理学界的前沿动态，在许多问题上深入思考，并形成了自己独特的见解.在十年的探索过程中，爱因斯坦认真研究了麦克斯韦电磁理论，特别是经过赫兹和洛伦兹发展和阐述的电动力学.爱因斯坦坚信电磁理论是完全正确的，但是有一个问题使他不安，这就是绝对参考系以太的存在.他阅读了许多著作发现，所有人试图证明以太存在的试验都是失败的.经过研究爱因斯坦发现，除了作为绝对参考系和电磁场的荷载物外，以太在洛伦兹理论中已经没有实际意义.于是他想到：绝对参考系是必要的吗？电磁场一定要有荷载物吗？
爱因斯坦喜欢阅读哲学著作，并从哲学中吸收思想营养，他相信世界的统一性和逻辑的一致性.相对性原理已经在力学中被广泛证明，但在电动力学中却无法成立，对于物理学这两个理论体系在逻辑上的不一致，爱因斯坦提出了怀疑.他认为，相对论原理应该普遍成立，因此电磁理论对于各个惯性系应该具有同样的形式，但在这里出现了光速的问题.光速是不变的量还是可变的量，成为相对性原理是否普遍成立的首要问题.当时的物理学家一般都相信以太，也就是相信存在着绝对参考系，这是受到牛顿的绝对空间概念的影响.19世纪末，马赫在所著的《发展中的力学》中，批判了牛顿的绝对时空观，这给爱因斯坦留下了深刻的印象.1905年5月的一天，爱因斯坦与一个朋友贝索讨论这个已探索了十年的问题，贝索按照马赫主义的观点阐述了自己的看法，两人讨论了很久.突然，爱因斯坦领悟到了什么，回到家经过反复思考，终于想明白了问题.第二天，他又来到贝索家，说：谢谢你，我的问题解决了.原来爱因斯坦想清楚了一件事：时间没有绝对的定义，时间与光信号的速度有一种不可分割的联系.他找到了开锁的钥匙，经过五个星期的努力工作，爱因斯坦把狭义相对论呈现在人们面前.
4.广义相对论的建立
1905年，爱因斯坦发表了关于狭义相对论的第一篇文章后，并没有立即引起很大的反响.但是德国物理学的权威人士普朗克注意到了他的文章，认为爱因斯坦的工作可以与哥白尼相媲美.正是由于普朗克的推动，相对论很快成为人们研究和讨论的课题，爱因斯坦也受到了学术界的注意.
1907年，爱因斯坦听从友人的建议，提交了那篇著名的论文申请联邦工业大学的编外讲师职位，但得到的答复是论文无法理解.虽然在德国物理学界爱因斯坦已经很有名气，但在瑞士，他却得不到一个大学的教职，许多有名望的人开始为他鸣不平.1908年，爱因斯坦终于得到了编外讲师的职位，并在第二年当上了副教授.1912年，爱因斯坦当上了教授，1913年，应普朗克之邀担任新成立的威廉皇帝物理研究所所长和柏林大学教授.
在此期间，爱因斯坦在考虑将已经建立的相对论推广，对于他来说，有两个问题使他不安.第一个是引力问题，狭义相对论对于力学、热力学和电动力学的物理规律是正确的，但是它不能解释引力问题.牛顿的引力理论是超距的，两个物体之间的引力作用在瞬间传递，即以无穷大的速度传递，这与相对论依据的场的观点和极限的光速冲突.第二个是非惯性系问题，狭义相对论与以前的物理学规律一样，都只适用于惯性系，但事实上却很难找到真正的惯性系.从逻辑上说，一切自然规律不应该局限于惯性系，必须考虑非惯性系.狭义相对论很难解释所谓的双生子佯谬，该佯谬说的是，有一对孪生兄弟，哥在宇宙飞船上以接近光速的速度做宇宙航行，根据相对论效应，高速运动的时钟变慢，等哥哥回来，弟弟已经变得很老了，因为地球上已经经历了几十年.而按照相对性原理，飞船相对于地球高速运动，地球相对于飞船也高速运动，弟弟看哥哥变年轻了，哥哥看弟弟也应该年轻了.这个问题简直没法回答.实际上，狭义相对论只处理匀速直线运动，而哥哥要回来必须经过一个变速运动过程，这是相对论无法处理的.正在人们忙于理解狭义相对论时，爱因斯坦正在完成广义相对论.
1907年，爱因斯坦撰写了关于狭义相对论的长篇文章《关于相对性原理和由此得出的结论》，在这篇文章中爱因斯坦第一次提到了等效原理，此后，爱因斯坦关于等效原理的思想又不断发展.他以惯性质量和引力质量成正比的自然规律作为等效原理的根据，提出在无限小的体积中均匀的引力场完全可以代替加速运动的参考系.爱因斯坦还提出了封闭箱的说法：在一封闭箱中的观察者，不管用什么方法也无法确定他究竟是静止于一个引力场中，还是处在没有引力场却在做加速运动的空间中，这是解释等效原理最常用的说法，而惯性质量与引力质量相等是等效原理一个自然的推论.
1915年11月，爱因斯坦先后向普鲁士科学院提交了四篇论文，在这四篇论文中，他提出了新的看法，证明了水星近日点的进动，并给出了正确的引力场方程.至此，广义相对论的基本问题都解决了，广义相对论诞生了.1916年，爱因斯坦完成了长篇论文《广义相对论的基础》，在这篇文章中，爱因斯坦首先将以前适用于惯性系的相对论称为狭义相对论，将只对于惯性系物理规律同样成立的原理称为狭义相对性原理，并进一步表述了广义相对性原理：物理学的定律必须对于无论哪种方式运动着的参考系都成立.
爱因斯坦的广义相对论认为，由于有物质的存在，空间和时间会发生弯曲，而引力场实际上是一个弯曲的时空.爱因斯坦用太阳引力使空间弯曲的理论，很好地解释了水星近日点进动中一直无法解释的43 s.广义相对论的第二大预言是引力红移，即在强引力场中光谱向红端移动，20年代，天文学家在天文观测中证实了这一点.广义相对论的第三大预言是引力场使光线偏转，最靠近地球的大引力场是太阳引力场，爱因斯坦预言，遥远的星光如果掠过太阳表面将会发生1.7″的偏转.1919年，在英国天文学家爱丁顿的鼓动下，英国派出了两支远征队分赴两地观察日全食，经过认真的研究得出最后的结论是：星光在太阳附近的确发生了1.7″的偏转.英国皇家学会和皇家天文学会正式宣读了观测报告，确认广义相对论的结论是正确的.会上，著名物理学家、皇家学会会长汤姆孙说：“这是自从牛顿时代以来所取得的关于万有引力理论的最重大的成果”“爱因斯坦的相对论是人类思想最伟大的成果之一”.爱因斯坦成了新闻人物，他在1916年写的一本通俗介绍相对论的书《狭义相对论与广义相对论浅说》，到1922年已经再版了40次，还被译成了十几种文字，广为流传.
课件37张PPT。第五章 经典力学与物理学革命
