(共15张PPT)
6.1量子世界
通过上节课的学习，我们知道在19世纪与20世纪之交（1900年前后），许多人认为物理学这座庄严雄伟、动人心弦的科学殿堂已经基本建成了。只是“物理学晴朗天空的远处，漂浮着两朵小小的令人不安的乌云。”
两朵乌云：
迈克尔孙—莫雷实验 热辐射实验
相对论
经典力学 狭义相对论
光速
时间与空间
质量
使用范围
光速是相对的，在不同的参照系上测量，光速可能不同。
在任何惯性系中，测量的光速都相等。
绝对的时间与绝对的空间，时间与空间和物体的运动无关
时间与空间是相对的与物体的运动有关，（时间延缓效应、长度收缩效应）
物体的质量是恒定的。
物体的质量与运动有关，运动时质量变大。
低速世界（我们所生活的这个世界）
高速世界（速度接近或达到光速）
通过前面的学习，我们知道在19世纪与20世纪之交（1900年前后），许多人认为物理学这座庄严雄伟、动人心弦的科学殿堂已经基本建成了。只是“物理学晴朗天空的远处，漂浮着两朵小小的令人不安的乌云。”
两朵乌云：
迈克尔孙—莫雷实验 热辐射实验
相对论
量子论
我们知道，燃烧的物体都会发光，后来人们发现那是因为燃烧使物体温度升高的缘故。
为什么？？？？
光有很多种颜色：
可见光：红橙黄绿青蓝紫
光是一种电磁波，
波长不同光的颜色就不一样。
可见光：红橙黄绿青蓝紫
波长：780nm~380nm
燃烧与光到底有什么关系？？
热辐射：任何物体在任何温度下都会发射各种波长的电磁波。
当温度达到一定值时，使发射电磁波的波长在可见光波长范围内，就可以看到光。
任何物体都可以发射热辐射，也可以吸收吸收热辐射。
黑体：一个能完全吸收热辐射而不反射热辐射的物体。（即光射进去之后完全不反射出来）
科学家们通过实验得出：黑体辐射的波长与温度的关系。
T/K
λ/μm
物理学家想通过经典物理学理论推导出实验曲线。
瑞利—金斯曲线
实验曲线
普朗克从1894年起投入对黑体辐射的研究，奋斗了6年。在用经典理论无法解释实验结果的情况下，提出了崭新的量子假说，成功的解决了“紫外灾难”的问题。
普朗克的量子假说认为：物质辐射的能量是一份一份的，就像物体是由一个一个原子构成的一样。
一份能量就是一个量子，大小取决于波长，与频率成正比：
是普适常数6.63×10-34J·S， 是频率。
经典物理学认为，能量是连续的。
人们认为光有两种属性，波动性和粒子性。光是电磁波，具有波动性。什么是粒子性？
1、牛顿是光的微粒说的创始人，认为光是高速运动的粒子流。
可以解释光的反射、光的颜色等。18世纪被大多数人说认可。
但却不能解释光的干涉、衍射等。
二、光是什么？？
2、荷兰物理学家惠更斯认为，光像水波一样，是一种波，称为光波。
19世纪60年代，英国物理学家麦克斯韦又提出光是一种电磁波。即光的波动说。
可以解释光的干涉、衍射等
到19世纪，波动说就取代了微粒说，得到大多数人的认可。
3、但20世纪初，光电效应的出现，人们发现电磁波又没办法解释这一现象。
这时爱因斯坦意识到普朗克量子假设的意义，即能量是量子化的。提出了光量子假设。
爱因斯坦认为：光是不连续的、分成许多单元，具有一定的能量，这些单元就称为光量子。即光也是一份一份的。
光量子即光子。
4、光具有波粒二象性：光在一定条件下，突出地表现为微粒性，实质是不连续的。而在另一些条件下，又突出地表现为波动性。
5、法国物理学家德布罗意通过研究，意识到既然光具有波粒二象性，那么质量不为零的物质粒子（如电子）也应具有波动性。
提出了物质波理论：每个物质的粒子都伴随着波，这种波就叫做物质波，又称为概率波。
德布罗意物质波理论揭示了物质（包括光和电子）的统一性。(共14张PPT)
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！(共14张PPT)
高速世界
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△t ′ ，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△t
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：
△E= △mc2
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？(共19张PPT)
第二节 量子世界
教学目标
1.了解热辐射的能力与波长和温度有关，进而了解黑体辐射；知道普朗克“量子假说”的主要内容
2.知道宏观物体和微观粒子的能量变化特点
3.知道光具有波粒二象性和物质波的假设及验证
一、“紫外灾难”
观察现象：一只“220V、60W”的白炽灯，由220V交流电经0～250V自藕变压器降压后供电，用示教电表监测电灯两端的电压。引导学生观察电灯分别在50V、100V、150V、200V等电压下的发光情况。
思考问题：灯丝温度、发光情况有什么变化？这种变化蕴藏着什么规律？
结论：温度越高，辐射越强，辐射的波长越短。
阅读课本，体会“紫外灾难”的含义
二、不连续的能量
问题：物理学家根据经典理论得出的黑体辐射强度与辐射波长、温度关系的曲线和实验得到的曲线不吻合，说明研究所遇到的极大困难，提出普朗克的量子假说。
阅读教材：学生阅读课本知识点二：“不连续的能量”。并回答“量子假说”的要点。
量子假说：
辐射是不连续的，是一份一份地进行，每一份能量称为一个量子，辐射的总能量E为量子的整数倍，量子的能量 与频率 成正比， 与波长成反比。
式中c为真空中的光速，h是普朗克常数，值为6.626×10-34J·s，是物理普适常数。
由于量子的能量 相对于宏观物体的动能或势能来说，是非常微小的，完全可以被忽略。所以宏观物体（如铅球沿斜面滚下时）的动能或势能都是连续变化的。
可是在微观世界中，能量是量子化的。显然量子理论与经典力学的连续观念是不同的，这极大地深化了人类对物质世界的认识。
三、物质的波粒二象性
阅读课本上关于光的波粒二象性的内容
光是不连续的、是一份一份的、具有一定能量的物质，每一份为一个单元叫做光量子，又叫光子。
光既有波动性又具有粒子性的事实，不得不使人们承认光具有波粒二象性。不过，这里所说的粒子已不再是牛顿时代所说的微粒了。人们现在认识到：光在一定条件下，表现为粒子性，即不连续性；而在另一定条件下，表现为波动性。
②物质波
阅读教材、讨论交流：
a、德布罗意把光的波粒二象性推广到实物粒子，得出了什么新理论？
b、德布罗意的新理论得到什么事实验证？
课堂小结 ：
不连续的能量
物质的波粒二象性(共21张PPT)
第六章
相对论与量子论初步
前面我们所学的主要是以牛顿力学为基础的力学体系（包括物体运动的描述、力与运动的关系，功和能的关系等），这些都是以牛顿三大定律为基础，称之为经典力学。
牛顿力学是声学、光学、热学、电磁学赖以存在的基础
在十七世纪牛顿力学形成之后，它对科学技术的发展起了巨大的推动作用。
经典的力学与经典物理学“已经结合成一座具有庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽庙堂”
德国物理学家劳厄
“在已经建立的科学大厦中，后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。”
“未来的物理学，其真理不得不在小数点后第六位去寻找。”
英国物理学家开尔文
但是，进入二十世纪，物理学研究的领域开始深入到了微观高速领域，
微观：空间尺度<10-10m 如原子、电子等
高速：速度为光速或接近以光速 3×108m/s
这时人们发现牛顿力学在这领域不再适用了
用开尔文的话说：“在物理学晴朗的天空的远处还有两朵小小的令人不安的乌云”
这两朵乌云指的是当时物理学理论无法解释的两个实验
迈克尔孙-莫雷实验、热辐射实验
这两个朵乌云，不久之后酝酿成物理学的一场巨大的变革，这场变革直接导致了二十世纪初相对论和量子论的诞生，是物理学从经典物理向近代物理转化的标志
相对论→高速运动世界
量子论→微观世界
牛顿力学是用绝对空间和绝对时间的概念来描述时间与空间。
1、经典力学的时空观
所谓绝对空间是指长度的量度与参照系无关；
绝对时间是指时间的量度与参照系无关
这就是说，两点之间的距离，
无论在那个参考系中测量都是一样的；
同样，前后发生的两个事件之间的时间，
无论在那个参考系中测量都是一样的
按照这种观点：时间和空间是彼此独立，互不相关并且独立于物质和运动之外的，不受物质和运动的影响。
——绝对时空观
牛顿本人曾说：“绝对空间，就其本性而言
与外界任何事物无关，而永远是相同的和不动的”，
“绝对的、真正的和数学上的时间自己流逝着，
并由于它的本性而均匀地与任何外界对象无关地流逝着。”
2、经典的相对性原理
不同的参考系中观察物体的运动情况可能不同，物体在运动这一概念也是相对．
光速＝
v
光速＝ c-v
v
光速＝ c+v
光速具有相对性！！
一直以来，很多科学家都在努力地想用实验来验证光速的这种相对性。
物理学家迈克尔孙和莫雷合作，做了高精度的光的干涉实验，也就是迈克尔孙-莫雷实验。但都未能得到上述的结论。恰恰相反，实验现象切表明，不论光源和观察者做怎样的相对运动，光速都是恒定的。
光速恒定的现象 ，同运动的相对性原理之间似乎产生了矛盾？
这个时候整个物理学界陷入
困惑 ？？？
爱因斯坦
现代时空的创始人
20世纪最伟大的科学家 爱因斯坦对这个问题进行了深入研究，
并在1905年发表了论文《论动体的电动力学》
在这篇论文里对上述问题作出了对整个物理学界乃至整个科学界都有变革意义的回答
相对论的时空观念与人们固有的时空观念差别很大，很难被普通人所理解。人们都称赞爱因斯坦伟大，但又常常弄不懂这伟大的内容。这使人们想起英国诗人波谱歌颂牛顿的诗句:
自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，
上帝说：“让牛顿去吧，”于是一切都成为光明。
后人续写道: 上帝说完多少年之后，
魔鬼说：“让爱因斯坦去吧，”于是一切又回到黑暗中。
在这篇论文中，爱因斯坦提出了两个假设
并在这两个假设的基础上构筑了狭义相对论力学
二. 爱因斯坦假设
爱因斯坦相对性原理
所有的物理学规律在一切惯性系中都有相同的形式
惯性参照系：
牛顿定律适用的参照系
（静止或匀速直线运动的参照系）
乙
甲
不论是在地面上还是在匀速运动的车上，做平抛运动的物体规律都一样。
光速不变原理
在一切惯性参照系中，测量到真空中的光速c都一样
也就是说，不管光源与观察者的相对运动如何，
在任一惯性系中的观察者所观测到的真空中的
光速都是相等的，
爱因斯坦相对性原理
所有物理规律在一切惯性参照系中都具有相同的形式
光速不变原理
在一切惯性参照系中，测量到的真空中的光速c都一样
就是在这两个假设的基础上
爱因斯坦建立了一套完整的理论——狭义相对论
三、 狭义相对论时空观
v
1、时间延缓效应（时钟变慢）
v
高速运行的列车上，由车厢底部发出的闪光，对于车上的人来说，闪光是在竖直方向反射的，而车厢外的人认为被接收的反射光是沿斜线传播的．
2、长度收缩效应
按照狭义相对论，不仅时间与运动有关，空间也与运动有关，这就是长度收缩效应。
如刻度尺，相对与观察者静止时，测量它的长度是ι，若让它相对与观察者以v的速度沿自身长度方向运动，此时测量的长度为ι′
可以发现： ι′< ι(共22张PPT)
第二节：
量子世界
观察与思考：
1、小实验:为什么能测量人体温度？
2、观察现象、思考问题：
灯丝温度、发光情况有什么变化？这种变化蕴藏着什么规律？
任何物体在任何温度下都要发射各种波长的电磁波，并且其辐射能量的大小及辐射能量按波长的分布都与温度有关。
一、热辐射
1.热辐射现象
这种由于物质中的分子、原子受到热激发而发射电磁波的现象称为热辐射。
人体热辐射的红外线
这是一组家用LED灯，可通过各种新方式来改变灯的颜色和效果
颜色越红表示温度越高，颜色越蓝温度越低
①.物体在任何温度下都会辐射能量。
注意
②.物体既会辐射能量，也会吸收能量。物体在某个频率范围内发射电磁波能力越大，则它吸收该频率范围内电磁波能力也越大。
超高压灯：不同的颜色代表不同的温度，箭头代表气体流动的方向。
二、紫外灾难
阅读教材、讨论交流：学生阅读课本知识点一：“紫外灾难”。小组讨论上述实验现象。
维恩理论值
实验
T=1646k
瑞利-琼斯
三、不连续的能量
物体通过辐射所放出的能量
物理学家根据经典理论得出的黑体辐射强度与辐射波长、温度关系的曲线和实验得到的曲线不吻合，说明研究所遇到的极大困难，提出普朗克的量子假说。
阅读教材：学生阅读课本知识点二：“不连续的能量”。并回答“量子假说”的要点。
①.金属空腔壁中电子的振动可视为一维谐振子。这些振子可以吸收或辐射能量。对频率为 的谐振子，它具有的最小能量是h ，能具有的其它能量值是h 的整数倍。
②.空腔壁上带电谐振子所吸收或发射的能量是 h 的整数倍。
普朗克常数
* 振子只能一份一份地按不连续方式辐射或吸收能量。
*能量是分立的，不是连续的。存在着能量的最小单元（能量子 =h )；
为了能够从理论上推导出这个公式，普朗克提出了一个与经典物理学概念截然不同的“能量子”假设：
普朗克的量子假设
量子假说：辐射是不连续的，是一份一份地进行，每一份能量称为一个量子，辐射的总能量E为量子的整数倍，量子的能量ε与频率 成正比，与波长λ成反比。
由于量子的能量相对于宏观物体的动能或势能来说，是非常微小的，完全可以被忽略。所以宏观物体（如铅球沿斜面滚下时）的动能或势能都是连续变化的。
可是在微观世界中，能量是量子化的。显然量子理论与经典力学的连续观念是不同的，这极大地深化了人类对物质世界的认识。
练习1：红、橙、黄、绿四种光的频率逐渐增大，那么这四种光每份能量最小的是[ ] A、红光；B、橙光；C、黄光；D、绿光。
练习2：氦氖激光器发射波长为6328×10-10m 的单色光，试计算这种光的一个光子的能量为多少？若该激光器的发光功率为18mw，则每秒钟发射多少个光子？
例题：根据量子理论，光子的能量 ，其中c为真空中的光速、 为光的频率、λ为光的波长，普朗克常数取 已知太阳光垂直照射时，每平方米面积上的辐射功率为P=1.35kw。假设太阳辐射的平均波长为 则在垂直于太阳光的S = 1 m2面积上，每秒钟内可以接收到多少个光子？
解析：依题意，太阳光平均一个光子的能量为 在1 m2面积上，1s内得到的阳光总能量为 得到的光子个数
1.测量黑体温度
在实验室或工厂的高温炉子上开一小孔，小孔可看作黑体，由小孔的热辐射特性，就可以确定炉内的温度。
2.光学高温计----光测高温
高温炉
灯丝
目镜
聚焦透镜
四、黑体辐射的应用
调节R，当灯丝温度>炉温时，灯丝在炉孔像的背景上显示出亮线。
当灯丝温度<炉温时，灯丝在炉孔像的背景上显示出暗线。
当灯丝温度=炉温时，灯丝在炉孔像的背景上消失。
由通过灯丝电流强度可算出炉温T。
作业：1、阅读P109类型二
2、P121：3、4(共16张PPT)
高速世界
（一）导入新课
1900年的4月27日，在英国伦敦皇家研究所举行的科学报告会上，一位德高望重的老科学家开尔文作了一个演讲，题目是《在热和光动力理论上空的19世纪乌云》。他的第一段话是这么说的：
“动力学理论断言，热和光都是运动的方式。但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了……”(‘The beauty and clearness of the dynamical theory, which asserts heat and light to be modes of motion, is at present obscured by two clouds.’)
这个“乌云”的比喻后来被反复地引用。联系到当时人们对经典物理学成就的乐观情绪，许多时候这个表述又变成了 “物理学晴朗天空的远处，漂浮着两朵小小的令人不安的乌云。”
这两朵“乌云”是：
1、【板书】迈克尔逊—莫雷实验（1881年—1887年间）：研究光沿不同方向传播速度的差异。
2、【板书】热辐射实验：（1900年左右）：研究热辐射的能量与温度的关系。
这两个实验所观测到的现象用当时已有的物理学理论无法进行合理的解释。正是这两朵的乌云，不久以后酿成了物理学中一场巨大的变革。
我们先来看看物理学的天空中这令人不安的第一朵“乌云”：光沿不同方向传播的速度是否相同？
（二）新课教学
1、高速世界的两个基本原理
经典力学的研究表明所有的机械波都必须通过介质才能传播。麦克斯韦的电磁场理论揭示了光就是电磁波。光既然是波，当时人们自然要想：传播光波的介质是什么呢？
当时的物理学家假定这种介质叫做“以太”，整个宇宙空间都充满了“以太”，认为“以太”是非常稀薄，密度极小的、完全透明的、难以感觉到的介质。按照经典的波动理论，这种介质的弹力又是极其大的，光波才会在里面有如此巨大的传播速度。是一种使人感到奇怪的介质。
思考：如果我们在静止的空气中快速前进，就会感觉到有风迎面吹来，为什么？
因为虽然空气相对于地面是静止的，但空气相对于我们正在前进的人却是运动的。
地球是用30km/s的速度在宇宙中绕太阳运动的，如果“以太”这种介质充满了宇宙，也必然会有30km/s的“以太风”迎着地球吹来，我们能观测到这种“以太”风吗？
问题：宇宙中充满了传播光的介质“以太”，地球又在宇宙中运动，设光在“以太”中的传播速度为c，地球相对于“以太”运动的速度为v，那么当光的传播方向与地球的运动方向相同时，以地球为参照物时，会测得光的速度是多大呢？
u1=（c-v）
当光的传播方向迎着地球的运动方向而来时，以地球为惯性参照物又会测得光速为多大呢？
生：应该是u2=（c+v）
如果以地球做惯性参照物，不同方向的光（电磁波）的速度的确有不同的话，就说明麦克斯韦理论描述的电磁波各个方向速度相同的规律，只有在用“以太”为惯性参照物时才是适用的，在用地球这类相对于“以太”运动的物体做参照物时电磁波各个方向速度相同的规律就不适用了，就会导致“不同的惯性参照系中物理规律是不同的”这样一个结论。
美国物理学工作者迈克尔逊和莫雷在1881至1887年间在不断提高实验精确度的过程中，反复做了同一个实验：把仪器固定在地面上与地球一起运动，在光顺着地球运动方向传播、逆着地球运动方向传播、以及光传播方向与地球运动方向垂直时，不同情况下测量光速的差异。令人惊异的实验结果是：以地球为惯性参照物时测得各个方向的光速没有差异。这个著名的实验后来物理学界把它叫做迈克尔逊—莫雷实验。
【板书】迈克尔逊—莫雷实验结果：以地球为惯性参照物时测得各个方向的光速没有超出实验误差范围的明显差异。
这样的实验结果，与经典的物理学理论产生了难以调和的矛盾，令人感到不安。怎么办？
许多物理学工作者对迈克尔逊—莫雷实验的结果提出了一些使人感到牵强的解释，无法从根本上解决问题。比如 “‘以太’牵引说”、“洛仑兹收缩说”等。
爱因斯坦的办法：于1905年写了一篇论文提出了他的想法：
1、相对性原理：物理规律在一切惯性参照系中都具有相同的形式。
2、光速不变原理：在一切惯性系中，测量到的真空中的光速c都一样。
2、时间延缓效应
问题：静止的观测者、顺着光速方向运动的观测者、逆着光速方向运动的观测者，光相对于他们通过的位移是不同的，测量到的光速却都是一样的，这是为什么呢？
生猜想：可否认为不同的惯性参照系中测得的时间也是不相同的呢？观测者测得光通过的距离较长时，如果他测得的时间也较长，则光速有可能是一样的。
师：爱因斯坦也正是这么想的。
讨论：假定一辆列车以速度v相对于地面匀速运动，静止在车厢里的人手持一个光源，从车厢的地板竖直向上将一束光射向顶部的一面反射镜，然后又反射回车厢的地板。设车厢中的顶部和地板之间的高度为d，则在车厢中以车厢为惯性参照物的观察者看来，“光在空中来回”的过程中，所测得的时间为⊿t 则光速是多大呢？（参看教学资料上的插图）
这个关系式很重要，我们虽然是从“光在空中来回”这一特殊事件中推导出来的，但在爱因斯坦在相对论中作了更复杂、更充分的推导认为它是一个对各种事件都普遍适用的公式。
例题：有一个实验事实：在宇宙射线中会产生一种微观粒子叫做μ子，在实验室中测算出它们静止时的平均寿命（存在时间）是τ =2.2×10-6秒，按照经典的时空观（时间是孤立的，与惯性参照物无关），μ子以接近光的速度运动（v=0.998c）时，在这段时间内μ子能飞过的平均路程只有：s=cτ =3×108×2.2×10-6=660 m ， 然后μ子就会消失，可是对宇宙射线的大量观测却发现，大部分高速μ子能够从约10km的高空大气层到达海平面，这是为什么呢？可以用相对论来解释吗？
分析：假设有一辆列车和μ子一起速度v=0.998c运动，μ子相对于列车是静止的。因此，以列车为惯性参照物，测得μ子的寿命就是μ子静止时的寿命τ =2.2×10-6秒，而以地面做参照物时，μ子是运动的，地面上的钟测得其寿命将是：
在这段时间内μ子能飞过的平均路程有：s=cτ=3×108×3.48×10-5=10.44 km.
相对于光速c而言，通常的运动物体（如飞机、火箭），其速度v都远远小于光速c，时间延缓效应是可以忽略不计的。所以我们认为当物体的速度远远小于光速时，经典物理学的时空观还是有效的，没有必要彻底抛弃。只有在物体高速运动时，经典物理学的时空观才不再适用了。
【板书】经典物理学时空观的局限性：只在低速（与光速相比较）条件下有效。
3、长度收缩效应
爱因斯坦在相对论中通过推导得出了：
运动惯性参照系上尺度缩短效应
注意：其实并不是车上尺子本身的长度真的发生了收缩，这是由于相对论的时空关系导致的结果。
例题：对于前面在时钟延缓效应中讨论过的例题，也可以从相对论的尺缩效应来看这个问题：被μ子穿越的大气层厚度约是10.44km，但如果以μ子为惯性参照物，则μ子是静止的，大气层在以v=0.998c的速度向μ子运动，所以以静止的μ子测得运动的大气层厚度只有：
所以，μ子可以穿过大气层到达海平面。
（三）小结：
经典物理的时空观 相对论时空观
真空中光速 在不同的惯性参照系中测得光速不同 在任何惯性参照系
中测得的光速都相同
介质 宇宙中传播光的介质叫“以太” 宇宙中不存在“以太”介质
时间 时间是独立的，
与参照系无关 同一事件在不同的参照系中测得时间不同
长度 同一物体的长度
与参照系无关 同一物体在不同的参照系中测得长度不同
物体的速度 可以任意大 真空中光速是速度的极限，任何物体的速度不可能超过真空中的光速(共31张PPT)
第1节：高速世界
前面几章介绍了经典力学（牛顿力学）最基本的内容。
牛顿力学的基础就是以牛顿命名的那三条定律，
这一理论形成于十七世纪，在以后的两个多世纪里，
牛顿力学对科学和技术的发展起了巨大的推动作用，
同时自身也得到了很大发展。
但是，进入二十世纪，
物理学研究的领域开始深入到了微观高速领域，
微观
高速
如原子、电子粒子，
光、电磁波及粒子衰变，速度为光速或接近光速
空间尺度
这时人们发现牛顿力学在这些领域不再适用
物理学的发展要求对牛顿力学以及某些长期
认为是不言自明的基本观念作出根本性的变革，
物理学需要一场革命！
二十世纪初诞生的相对论和量子力学就是这场
从经典物理向近代物理变革的标志
本节介绍相对论的基础知识
. 伽利略相对性原理
对于第一个问题，牛顿力学的回答是干脆的：
第一个问题
对于不同的参照系，
基本力学定律的形式是完全一样吗？
对于任何惯性参照系，牛顿定律都成立，
这也就是说，对于不同的惯性参照系，
力学的基本定律——牛顿定律的形式是一样的。
这一结论称作伽利略相对性原理或力学相对性原理
一、 经典力学时空观
甲
乙
惯性参照系
牛顿定律适用的参照系
相对惯性系作匀速直线运动的参照系
例
甲
乙
站台
选择的参考系不同，对运动的描述就不同：
例如：让两小球从同一高度同时自由下落。
符合牛顿运动定律
不符合牛顿运动定律
惯性系
非惯性系
第二个问题
相对于不同的参照系长度和时间的测量是一样的吗？
对于空间和时间测量的问题，
牛顿力学是用绝对空间和绝对时间的概念来回答。
. 绝对时空观
所谓绝对空间是指长度的量度与参照系无关；
绝对时间是指时间的量度与参照系无关
这就是说，两点之间的距离，
无论在那个惯性系中测量都是一样的；
同样，前后发生的两个事件之间的时间，
无论在那个惯性系中测量都是一样的
如果甲测的小球下落时间为
如果乙测的小球下落时间为
例
甲
乙
站台
牛顿本人曾说：“绝对空间，就其本性而言
与外界任何事物无关，而永远是相同的和不动的”，
“绝对的、真正的和数学上的时间自己流逝着，
并由于它的本性而均匀地与任何外界对象无关地流逝着。”
按照这种观点：时间和空间是彼此独立，
互不相关并且独立于物质和运动之外的，
不受物质和运动的影响。
——绝对时空观
根据绝对时空观，得出几个结论
同时绝对性
时间间隔的绝对性
空间距离的绝对性
质量恒定不变
牛顿的伽利略相对性原理和绝对时空观
是作为两个基本假设提出来的，
它之所以为人们接受承认
一方面是牛顿力学在解决力学问题获得的巨大功；
另一方面观察结果与人们的经验相符。
但是十九世纪中叶，
人们在研究与物体运动有关的电磁现象时，
发现在电磁现象的规律不符合相对性原理
其中最典型的就是光速的问题
这一结论还特别为后来的很多精确的实验所证实，
最著名的是1887年迈克尔逊和莫雷所做的实验。
它们都明确无误地证明光速的测量结果与光源和
测量者的相对运动无关，亦即与参照系无关。
可见光和电磁波的运动不服从伽利略相对原理.
任何参照系中测得的光在真空的
速率都应该是这一数值
伽利略相对原理和电磁规律的矛盾
促使人们思考下述问题：
绝对时空观的观念是不是需要修正？
困惑 ？？？
这个时候整个物理学界陷入
爱因斯坦: Einstein
现代时空的创始人
20世纪最伟大的科学家 爱因斯坦对这个问题进行了深入研究，
并在1905年发表了论文《论动体的电动力学》
在这篇论文里对上述问题作出了对整个物理学界乃至整个科学界都有变革意义的回答
相对论的时空观念与人们固有的时空观念差别很大，很难被普通人所理解。人们都称赞爱因斯坦伟大，但又常常弄不懂这伟大的内容。这使人们想起英国诗人波谱歌颂牛顿的诗句:
自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，
上帝说：“让牛顿去吧，”于是一切都成为光明。
后人续写道: 上帝说完多少年之后，
魔鬼说：“让爱因斯坦去吧，”于是一切又回到黑暗中。
在这篇论文中，爱因斯坦提出了两个假设
并在这两个假设的基础上构筑了狭义相对论力学
二、狭义相对论时空观
. 爱因斯坦假设
爱因斯坦相对性原理
物理学定律在所有的惯性系中都是一样的，
也就是说，物理学定律与惯性系的选择无关
爱因斯坦相对性原理和牛顿相对性原理比较，
前者是后者的推广
这就使得相对性原理不仅适用于力学现象，
而且适用于所有物理现象，包括电磁现象在内。
光速不变原理
在任何惯性系中，
自由空间（真空）中的光速具有相同的量值
也就是说，不管光源与观察者的相对运动如何，
在任一惯性系中的观察者所观测到的真空中的
光速都是相等的，
就是在看来如此简单且最一般的两个假设的基础上
爱因斯坦建立了一套完整的理论——狭义相对论
爱因斯坦相对性原理
物理学定律在所有的惯性系中都是一样的，也就是说，物理学定律与惯性系的选择无关
光速不变原理
在任何惯性系中，自由空间（真空）中的光速具有相同的量值
Einstein 的相对性理论 是 Newton理论的发展
讨论
一切物理规律
力学规律
观念上的变革
革命性
(相对性)
光速
同时
时间与空间
质量
经典时空观
狭义相对论时空观
相对的
绝对的（不变）
绝对的
与运动无关，绝对的
与运动无关，不变的
相对的
与运动有关，相对的
随速度增加而增大
、 狭义相对论时空观
、同时相对性
设想一列火车以速度v匀速向右运动，火车中央有一信号灯，在经过地面O点时发出一光信号.
、同时相对性
1) 沿两惯性系相对运动方向发生的两个事件，在其中一个惯性系中表现同时，在另一惯性系中观察总是在前一惯性系运动的后方那一事件先发生。
2) 对不同参考系，同样两事件之间的时间间隔是不同的。
结论
即：时间量度是相对的，并且与相对运动速度有关。
S'相对S 系的速度越大，在S系测两事件的时间间隔就越长。
时间延缓（动钟变慢）
爱因斯坦曾经言，两个校准好的钟，当一个沿闭合路线运动返回原地时，它记录的时间比原地不动的钟会慢一些。这已被高精度的铯原子钟超音速环球飞行实验所证实。
相对论预言 慢 ( 184 ±23 ) ×10 - 9 s
实 测
慢 ( 203 ±10 ) ×10 - 9 s
2
2
1
c
u
t
t
-
=
D
D
双生子佯谬
是一对双生子。 乘高速飞船到太空
和
遨游一段
比自己老了，根据运动的相对性 ，
和
运动的时钟变慢了，
但运动是相对的，
都认为对方的钟在运动，这将会导致
双方都认为对方的钟变慢了的矛盾结论。这就是时钟佯谬。
若
时间后返回地球 ， 发现对方
将会得出
也发现 对方比自己老了的矛盾结论。称为双生子佯谬。
实际上这种谬误是不会发生的，由于两个时钟或两个双生子的运动状态并不对称（ 例如， 飞离、返回要经历加、减速运动过程），其结果一定是 的时钟变慢了，
双生子 一定比 年轻。
附：
S′
O′
X ′
Y′
O
S
X
Y
●
特别注意：
长度缩短效应只发生在相对运动的方向上
如上例中的 X 轴方向上，
在Y 轴方向上无长度缩短效应
动尺变短（空间收缩效应）
斐克小伙剑术精，
出刺迅捷如流星，
由于空间收缩性，
长剑变成小铁钉.
检测题
有关科学家和涉及的事实，正确的说法是
A．哥白尼创立了日心说
B．伽利略发现了行星运动规律
C. 惠更斯解决了弹性碰撞问题
D．爱因斯坦提出了量子论
( A C )
检测题
一列火车以速度v相对地面运动．如果地面上的人测得，某光源发出的闪光同时到达车厢的前壁和后壁，以下说法中正确的是
A．火车上的人测得，闪光先到达前壁
B．火车上的人测得，闪光先到达后壁
C．火车上的人测得，闪光同时到达车厢 的前壁 和后壁
D．条件不足，无法确定
( A )
检测题
有三个完全相同的时钟，时钟A放在地面上，时钟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＜vC． 对于地面上的观察者来说，则以下说法中正确的是
A．时钟A走得最慢 B．时钟B走得最慢
C．时钟C走得最慢 D．时钟C走得最快
( C )
检测题
如果有一支静止时长30 m的火箭，以光速的二分之一的速度从观察者的身边掠过，以下说法中正确的是
A．地面上的观察者测得的火箭长为30 m
B．地面上的观察者测得的火箭长小于30 m
C．地面上的观察者测得的火箭长大于30 m
D．火箭上的观察者测得的火箭长为30 m
( BD )
