第6章相相对论与量与量子子论初步初步第第1讲高速世界高速世界目目标定位定位1.初步了解爱因斯坦相对论建立的背景.2.了解高速世界的两个基本原理，知道时间延缓、长度缩短、质速关系、质能关系和时空弯曲，能应用相对论知识解释简单的现象.3.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.1 预习导学学梳理识记点拨2 课堂堂讲义理解深化探究3对点点练习巩固应用反馈栏目索引目索引CONTENTS PAGE 一、高速世界的两个基本原理一、高速世界的两个基本原理1.相对性原理：所有物理规律在一切惯性参照系中都具有 .2.光速不变原理：在一切惯性参照系中，测量到的 中的光速c .相同的形式真空都一样二、二、时间延延缓效效应1.内容：将一只高速运动的时钟与另一系列静止的同步钟相比较，发现 变慢了，这个效应叫做时间延缓效应，时间延缓效应也称作时间膨胀.运动的钟三、三、长度收度收缩效效应1.内容：一个一维物体相对另一惯性系沿自身长度方向匀速运动时，长度变短了，称这种效应为.长度收缩想一想想一想我们平时为何观察不到这种长度收缩效应呢？答案答案由长度收缩效应表达式四、四、质速关系速关系在经典力学中，物体的质量与物体的 无关.但在相对论中，运动物体的质量随其 的变化而变化.运动运动速度其中m为物体的 ，m0为 ，v为物体相对惯性系的运动速度.运动质量静止质量想想一一想想一个物体被加速、加速、再加速，它的速度会增大到等于甚至大于光速c吗？为什么？答答案案由质速关系可知，物体的质量随着速度的增大而增大，当速度接近光速时，物体的质量趋于无穷大，物体的加速度趋于零，因此物体被加速时，其速度不可能等于甚至大于光速. 五、五、质能关系能关系按照相对论及基本力学定律可得质量和能量的关系为E ，称为质能关系式.物质的质量减少(或增加)时，必然伴随 的减少(或增加)，其关系为E .mc2能量mc2六、六、时空弯曲空弯曲爱因斯坦的理想实验：1.科学预言： 能使光线弯曲， 也能使光线弯曲.在宇宙中，物质 大、 高的区域时空弯曲大；物质的地方，时空弯曲小.2.实验验证：恒星的光线在太阳附近弯曲数据与广义相对论预言相当吻合.3.进一步推理：光线在引力场中的弯曲可等效为空间本身被引力弯曲.引力不但影响 ，而且影响 即时空弯曲.加速运动引力能量密度稀少空间时间一、一、对“两个基本原理两个基本原理”和和“两个效两个效应”的理解的理解1.两个基本原理(1)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.也就是说，物理学定律与惯性系的选择无关.(2)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.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.2.两个效应(1)时间延缓效应：爱因斯坦曾预言，两个校准过的钟，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高速环球飞行实验证实.在相对论时空观中，运动时钟时间与静止时钟时间的关系：例例1关于狭义相对论的基本假设，下列说法正确的是()A.在不同惯性系中，力学规律都是相同的B.在不同的惯性系中，真空中的光速是不同的C.在不同参照系中，一切物理规律都是相同的D.对任何惯性系，真空中的光速都是相同的解解析析狭义相对论的基本假设均建立在惯性参考系的基础上，故A、D正确.AD针对训练1一列很长的火车在沿平直车道飞快地匀速行驶，车厢中央有一个光源发出了一个闪光，闪光照到车厢的前壁和后壁.对这两个事件说法正确的是()A.车上的观察者认为两个事件是同时的B.车上的观察者认为光先到达后壁C.地面上的观察者认为两个事件是同时的D.地面上的观察者认为光到达前壁的时刻晚些解解析析因为车厢是个惯性系，光向前、后传播的速度相同，光源又在车厢的中央，闪光当然会同时到达前后两壁，A对.地面上的观察者认为地面是一个惯性系，闪光向前、后传播的速度对地面也是相同的，但闪光飞向两壁的过程中，车厢向前行进了一段距离，所以向前的光传播的路程长些，到达前壁的时间也就晚些，故D也对.答案答案AD二、二、对质速关系和速关系和质能关系的理解能关系的理解1.相对论的质速关系(1)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之间有如下关系：(2)物体运动时的质量总要大于静止时的质量m0.2.相对论质能关系用m表示物体的质量，E表示它具有的能量，则爱因斯坦质能方程为：Emc2.例例2太阳内部不停地发生着剧烈的热核反应，太阳每秒钟向外释放的能量约为1026 J，则太阳的质量每秒钟减少多少？解解析析太阳向外释放出巨大的能量必然伴随着自身质量的减少，由Emc2得太阳每秒减少的质量为答案答案109 kg针对训练2一被加速器加速的电子，其能量为109 eV，试问：(1)此时电子的质量是其静质量的多少倍？解析解析由爱因斯坦质能方程Emc2有答案答案5 857倍(2)此时电子的速率为多少？(电子的静质量为1030 kg)答案答案0.999 999 985c1.如图1所示，强强乘坐速度为c(c为光速)的宇宙飞船追赶正前方的壮壮，壮壮的飞行速度为c.强强向壮壮发出一束光进行联络，则壮壮观测到该光速的传播速度为()高速世界的两个基本原理高速世界的两个基本原理图1cccc解解析析根据光速不变原理，在任何参照系中测量的光速都是c，D正确.答案答案D2.如果飞船以c的速度从你身边飞过，飞船上的人看飞船上的一个灯亮了10 min，你观测到这个灯亮的时间约为多少？时间延延缓效效应和和长度收度收缩效效应解析解析设观测灯亮的时间为t，则答案答案约15 min3.惯性系S中有一边长为l的正方形(如下图所示)，从相对S系沿x方向以接近光速匀速飞行的飞行器上测得该正方形的图象是()答案答案C质速关系和速关系和质能关系能关系4.为了直接验证爱因斯坦狭义相对论中著名的质能方程Emc2，科学家用中子轰击铀原子，分别测出原子捕获中子前后质量的变化以及核反应过程中放出的能量，然后进行比较，精确验证了质能方程的正确性.设捕获中子前的原子质量为m1，捕获中子后的原子质量为m2，被捕获的中子质量为m3，核反应过程放出的能量为E，则这一实验需验证的关系式是()E(m1m2m3)c2E(m1m3m2)c2E(m2m1m3)c2E(m2m1m3)c2解析解析答案答案B