1、第6章 相对论与量子论初步,1 高速世界,前面我们学习了经典力学（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
2、经典物理向近代物理变革的标志,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.,目标定位,展示目标,1.两个基本原理 (1)相对性原理：所有物理规律在一切 中都具有 的形式. (2)光速不变原理：在一切 中，测量到的真空中的 都一样(c3108 m/s).,答案,惯性参照系,相同,惯性参照系,光速c,一、高速世界的“两个基本原理”和“两个效应”,自主学习,2.两个效应 (1)时间延缓效应 在相对论时空观中， 的时钟比
3、的时钟走得慢.关系式：t ，t为运动时间，t为静止时间. (2)长度收缩效应 在相对于物体运动着的惯性系中沿运动方向测出的物体长度，比在相对静止的惯性系中测出的长度 .关系式：l .,高速运动,静止,短,答案,答案,1.质速关系 当物体在所处的惯性参考系静止时，质量m0最小，称为 .当物体相对于某惯性系以速度v运动时，在此惯性系内观测它的质量m ，物体的质量随 的增大而 .在低速运动中，质量的变化可以 .,静止质量,增大,速度,忽略不计,二、质速关系 质能关系 时空弯曲,2.质能关系 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，必然伴随着 的减少
4、或增加，其关系为E . 3.时空弯曲 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的数值，与广义相对论的理论预言相当吻合. (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.,答案,mc2,mc2,加速运动,引力,质量,密度,能量,稀少,空间,时间,我们平时为何观察不到这种长度收缩效应呢？,答案,一、高速世界的“两个基本原理”和“两个效应”,合作探究,解析答案,例1 一列很长的火车在沿平直车道飞快地匀速行
5、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、后传播的速度相对地面也是相同的，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 AD,返回,解析答案,例2 半人马星座星是
6、太阳系最近的恒星，它距地球为4.31016 m.设有一宇宙飞船自地球往返于半人马星座星之间.若宇宙飞船的速度为0.999c，按地球上的时钟计算，飞船往返一次需多长时间？如以飞船上的时钟计算，往返一次的时间又为多长？,解析 以地球上的时钟计算：,若以飞船上的时钟计算(原时)：因为,答案 9年 0.4年,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.,答案,二、质速关系 质能关系 时空弯曲,解析答案,总结提
7、升,例3 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3.81026 J，则太阳的质量每秒钟减少多少？,解析 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 4.2109 kg,总结提升,质量和能量的两点注意 (1)质量和能量是物质不可分离的属性. (2)任何静止质量不为零的物体都贮存着巨大的能量.,解析答案,针对训练 一被加速器加速的电子，其能量为3.0109 eV，试问： (1)此时电子的质量是其静止质量的多少倍？,解析 由爱因斯坦质能方程Emc2有,答案 5 857倍,返回,解析答案,(2)此时电子的速率为多少？(电子的静止质
8、量为9.11031 kg),答案 0.999 999 985c,1,2,3,4,解析答案,1.(高速世界的两个基本原理)如图1所示，强强乘坐速度为0.9c(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0.5c.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( )A.0.4c B.0.5c C.0.9c D.c,图1,课堂检测,1,2,3,4,解析 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 D,1,2,3,4,解析答案,2.(长度收缩效应)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
9、是( ),解析 由l 可知沿速度方向即x轴方向的长度变短了，而垂直于速度方向，即y轴上的边长不变，故C对.,C,1,2,3,4,3.(质能关系)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( ) A.E(m1m2m3)c2 B.E(m1m3m2)c2 C.E(m2m1m3)c2 D.E(m2m1m3)c2,解析答案,1,2,3,4,解析,答案 B,1,2,3,4,返回,解析答案,4.(时间延缓效应)如果飞船以0.75c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？,解析 设观测灯亮的时间为t，,答案 约15 min,相对论时空观,狭义相对论的两个基本假设 相对性原理所有的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都是一样的,小结作业, 时间延缓效应：运动的时钟变慢 长度收缩效应：运动的尺子缩短 质速关系：物体质量随着速度的增大而增大 质能关系：质量和能量是物质不可分离的属性,狭义相对论的基本结论,
