第六章第一节：相对论与量子论初步

物体的同一个空间广延性进行观测，测得的
结果不相同，并不是物体本身发生了收缩。
例如：现代高能物理研究 常用的粒子加速器中，粒子可 以加速到0.998c的高速，这时 从加速器中高速运动的粒子的 角度来观测，原长1m的管道， 沿它运动方向测量仅有约2cm.
反之如果让静止在地面上长度为1m的
物体沿其长度方向以0.998c的高速运动，
如一个物体相对它静止的观测者测得其长度 为L（静止长度，又称为固有长度），该物体相对 另一惯性系沿自身长度方向以匀速υ运动，则在 此惯性系中的观测者测该物体的长度为L/ ,那么
l/ l
1
v2 c2
因为υ<c，所以L/ <L。这种观测效应称为
长度收缩。该效应仍是狭义相对论时空观的
一种体现，即在不同惯性系中的观测者对同
第一朵乌云——迈克尔逊-莫雷实验
对该实验的解释及一系列有关的工作，把人 们带入了一个以相对论为标志的高速运动世界。
第二朵乌云——黑体辐射的“紫外灾难”。对该 实验的解释及一系列有关的工作，把人们带入了 一个以量子论为标志的微观世界。
经典时空观运动的合成
球 =25m/s
=？
=？
球 =25m/s
非惯 性参 考系
设在遥广远的义宇相对论 当宙观空察间有者一做间加速光运线动由或于者房非子加速而发生
惯房性子系，这中间，房情况弯又曲怎.样就呢像地？面附近平抛出
子里有一切必 去的物体，在重力作用下
要的实验用具 运动轨迹会向下弯曲一样
（一）新课学习 在3宇．光宙质线中速在，关引系力场中 的物4弯质．曲质可 量能等 大关效、系为空间
第六章 相对论与量子论初步 第1节 高速世界
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（一）引入新课 在19世纪20世纪之交，许多人陶醉于经典物 理学的巨大成功之中，近乎完美的经典理论及其 广泛应用使人们产生这样一种感觉：物理学这座 庄严雄伟、动人心弦的美丽殿堂已经建成了。
1900年，英国物理学家开尔文 踌躇满志地宣告：在已经基本建成的 科学大夏中，后辈物理学家只要做一 些零碎的修补工作就行了。但在这尽 善尽美之中，也还有一点小小的遗憾。 用开尔文的话说，在物理学睛朗天空 开尔文 的远处，还有两朵小小的令人不安的 乌云。
问题2：时钟（计时器）真的走快了或是走慢了？
由于是标准的时钟，钟并没有走快或走慢， 也不是被观测过程的节奏变化了，只是一种观测 效应。
（2）长度收缩效应
经典时空观认为：三维空间与运动无关。即 一个物体的长、宽、高在静止时观测，与它运动 时的观测完全一样
狭义相对论的时空观认为：物体的长、宽、高 在静止时观测与它运动时观测的结果是不相同的。
2h
1
c
2 2
t
t /
1
v2 c2
在此过程中，车上的钟走过的时间为△t/，
称固有时间.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。
问题1：对同一个物理过程经历的时间，在不 同的惯性参考系中观测，相同吗？
不相同，这就是相对论时空的体现。
因为υ<c，所以△t>△t/。即：运动的钟比静 止的钟走得慢。这种效应称为时间延缓效应。
2.四维空间 经典时空观认为：时间与空间是独
立的，并且与物质的存在与运动无关， 世界是三维的。
相对论认为：时间与空间是相互联 系相互影响的，并且与物质的存在及运 动密切相关，即空间三维加时间一维， 即世界是四维空间。
（1）时间延缓效应
爱因斯坦从上面两个基本原理出发，设计了 一个理想实验：
假定列车以速度υ匀速行驶，静止在车厢内
本密5身 度．被高时引的空力 区弯弯曲曲，引 光力域束不时轨但空迹影 弯弯响 曲曲空的间原，因而—— 由于房子加速运动 抛且大体影 ；运响物动时质弯间 稀曲，的这原种因影—T乙— 由于引力的作用 基响少于方的以式地这上一就 方两点称 ，点为，，可时你称空有加弯何速预和言引？力是等效的 。曲时即空。加较速“能平使光线弯曲，那么，引力也 能直爱因使”斯将光。坦引线太基力弯阳于场曲、广作。恒义用这星相纳是等对论一处1时9个，1空惊时9年观人空5和的等月经2预效典9言的日的，。弯牛 入曲顿引到 较力四显场维著理时 ，论空 我,最的们终几就提何说出经广爱过义丁此相顿对而对论日过引食的力的光场观束方测 称也程,只为至能黎此广走曼义曲几相线何对。论的框架结也果就示建意立图起来了。
即：在地面上观测物体上抛运动遵循动 能定理，那么在高速运动的飞机上观测上抛 物体的运动同样遵循相同形式的动能定理。 这就是相对性原理。 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。
即：在真空环境中，静止于地面上的人观测 的光速是3×108m/s，静止在匀速运行列车中（ 车速为1×108m/s）的观测者观测的光速仍然是 3×108m/s
人手持一个光源，从车厢的地板上竖直向上将一
束光射向顶部的一面反射镜，光束来回往返过程
如图所示，在此过程中，车上的钟走过的时间为
△t/，称为固有时。
甲：车上的人 认为闪光沿竖
h
直方向到达小
O
O/
镜又沿竖直方
向反射
乙：车下站在地面的人认为接
收后的闪光是沿斜线传播的
（1）时间延缓效应
t / 2h
t
c
（一）新课学习 3．质速关系 4．质能关系
的离时系物与也测E表着种1一的质的爱种这某9=经相个轰量链因释8概会者示能的 ， 为 体 此 巨m个3静c典对由较击的式斯放年念随测任量属必：质同大2就=质论物重下核反坦方．以m是，性然△量时的之 得 何 的0量理观的，，应的式德c上著它， 伴 的 ， 能增 其 静 有E2为铀会并，质释=国，学点名关们加质质效它 随 减 另 量△m核裂进同能放物记：中的E系0之们着少一。。 量 量 方m的，变而时关的理c为:质质知质间之能，个现为不法2在成形释系能学物。能E量m量，没为。间量会物人m0高两成放得量哈体该=c关T=和乙和当m2有的的释体类零m能个雪出到叫恩，系式00能c能物；中中崩巨了做发联关变放吸已的。2相表，量量质子等式大验核现能系系化一收掌物式对示是称的证能，是的量。中如定能握体它，为物能和。两质为m下 其 的 量 了，静随量实核静质—个量变 能 ， 释都:止着。现能不—能独变化 量 质 放贮的使。的一物量可立化关 ； 量 这存得这发观质个。分
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（一）新课学习
3．质速关系 4．平质行能小孔关系
爱的因狭斯义坦相在对平他论行小孔
5．时空弯曲 中提a出，物理
定律的形式在
惯（静性为 坦参止考）此 又系爱 提因出一都斯了切是T惯相乙 性同系的中。
那么地面上的观测者在它运动方向测量的
长度也仅有约2cm.
想一想：我们平常为什么观察不到这种长度收缩 效应？
（一）新课学习 3．质速关系 质经量典与物理速学度认关为m系：如物体m0受到的重力会随着它 所在图，处任所一的 何示个高情真。度况实由或下图的纬是度 不、可的 会静知变 变1化 化 vc而 的22 变 。化，而它的质量 由止相此质对按可量论这知不认个：为为理在：零论物某的，质个物的只惯T质乙要性量始系是终中变对观化物测的体某。施当个加物物 一匀，体的以体增体性度或动它在质速个并加， 大都，参超时的所量度恒 超速它而不相 考 过，质处mυ运力过的增0对 系 光可这量，的相， 光动质 大个为于 的 速能这惯对那 速，量 。惯m为任 运 。个性某性加么。观质何动达参惯系这这速测量考性惯速到观称个是到会系系测为物可光随静运静止体能速着止时m就的时它质，将吗还运量它一 ？会动1。具m直被速当0有vc保加度22物最0m/s
车 =20m/s
同理：设光从光源发出其速度为c，当地球以一 定的速度υ相对于光源运动时，地球上的人观测 到光的速度为c/，则
①此人测得向他迎面而来的光速：
c/=c+υ
②此人测得向他背面而来的光速：
c/=c-υ
1、高速世界的两个基本原理
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。
两种时空观的对比较
经典时空观
相对论时空观
同时的绝对性
同时的相对性
主 时间间隔的绝对性 运动的时钟变慢 要 结 空间距离的绝对性T乙 运动的尺子变短
论 质量不变
质量随速度的增大 而增大
主 要 内 容
时间和空间彼此独立、互 不关联，且不受物质或运 动的影响。
时间和空间相互关联， 质量随物体的运动状态 的改变而改变。