高中物理 第15章《相对论简介》课件 新人教版选修3-4
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站台上的观察者认为光先到车厢后壁后到前壁
课本P108 思考与讨论
结论： 1、对于运动的火车上同时发生的两个事件， 对于地面就不是同时的 关键：在各个参考系中光速都为c 2、地面上同时发生的两个事件，对于运动 的火车也不是同时的 关键：相对运动
二、长度的相对性
l0
v
l
车上的人看到的车厢的长度： 车外的人看到的车厢的长度：
四、时空相对性的实验验证
根据相对论，时间 在运动中会进行的比 较缓慢，也就是说， 在空间中高速移动的 时钟，比固定于地面 上的时钟走得慢．
1971年，科学家将铯原子钟放在喷气式飞机中作环 球飞行，然后与地面的基准钟对照．实验结果与理论预 言符合的很好．这是相对论的第一次宏观验证．
早在1941年，科学家通过对宇宙线的 观测证实了相对论的结论，美国科学家罗 西和霍尔在不同高度统计了宇宙线中μ 子 的数量，结果与相对论预言完全一致．
牛顿运动定律成立的参考系，称为惯性参考系， 简称惯性系．牛顿运动定律不成立的参考系， 称为非惯性系．
• 综上所述，相对任何惯性系，力 学规律都具有相同的形式。换言 之，在描述力学的规律上，一切 惯性系都是等价的。这一原理称 为伽利略相对性原理，或经典力 学的相对性原理。
（2）知道狭义相对论的两个基本假设 狭义相对论的两个基本原理： ①相对性原理 一切物理定律，在不同的惯性系中是 相同的 ②光速不变原理 光在真空中的传播速度在不同的惯性 系中测得的数值都是相同的
小 结
一、“同时”是相对的 二、长度的相对性
v l l0 1 c
t t0
2
三、时间间隔的相对性
v 1 c
2
15.3《狭义相对论的 其他结论》
教学目标
• • • • • • • • • • • 知识与技能： （1）运动速度的相对论变换 （2）相对论质量 （3）质能方程 过程与方法： 让学生体会到自洽性检验是科学理论研究的一个基本方法。 情感态度和价值观： 体会物理学中蕴含的简单与和谐之美（质能方程） 教学重点、难点 ： 重点：三个公式 难点：运动速度的相对性变换
Ek
m0 c 2 v 1 c
2
2
m0 c 2
E0 m0 c 2
v 1 c
v 1 c 1v 1 2c
2
2
Ek
1 v m0 c 2 m0 c 2 m0 c 2 2 c 1v 1 2c
在经典物理家的头脑中，如果两个事件在一个 参考系中看来是同时的，在另一个参考系中看来也 一定是同时的，但是如果接受爱因斯坦的两个假设， 我们会得出“同时是相对的”这样一个结论．
一、“同时”的相对性
车厢上的人和地面上的人看到车厢中间灯光到 达前后车厢的先后是不一样的．
车上的观察者认为光同时到达车厢的前后两壁
t 0
3、动钟变慢
t
v 1 c
2
4、速度变换公式
u v u u v 1 2 c
5、相对论质量
高中物理新人教版 选修３- 4系列课件
第十五章
《相对论简介》
15.1《相对论诞生》
教学目标
• 知识与技能： • （1）了解相对论诞生的历史背景，知道麦克耳孙一莫雷 实验 • （2）了解经典的相对性原理 • （3）知道相对性原理与电磁规律之间的矛盾 • （4）知道狭义相对论的两个基本假设 • 过程与方法： （1）了解对经典物理学内部矛盾的探索过程 • （2）理解爱因斯坦建立相对论的科学探究思想和逻辑推 理方法 • 情感态度价值观： • （1）明确物理理论的发展的基础——实验 • 教学重点、难点 ：狭义相对论的两点假设 • 教 学 方 法 ：阅读小结
2
1 m0 v 2 2
1 2 Ek m0 v 2
这就是我们过去熟悉的动能表达式，这也
能让我们看出，牛顿力学是相对论力学在低速 情况下的特例．
课本P116 思考与讨论
15.4《广义相对论简介》
教学目标
• 知识与技能： • （1）了解广义相对论基本原理 广义相对性原理和等效 原理 • （2）广义相对论主要结论 物质的引力使光线弯曲和强 引力场附近的时间进程会变慢 • （3）介绍广义相对论的实验验证 • 过程与方法： • （1）了解爱因斯坦思考和推演广义相对论思维过程 • 情感态度和价值观： • （1）体会在宇宙中人类的渺小和科学的巨大力量 • 教学重点、难点 ： • 1、广义相对性原理和等效原理2、广义相对论的主要结论： 引力使光线弯曲和强引力场附近的时间进程会变慢
质能方程表达了物体的质量和它所具有的 能量之间的关系.
Ek E E0
物体的动能
m0 v 1 c
2
运动时的能量
静止时的能量
m
Ek
1 m0 v 2 2
在v ＜ ＜ c时的一种近似 这就是动能表达式．
E mc2
具体推导过程如下：
Ek E E0
E mc
2
也无关。
15.2《时间和空间 的相对性》
教学目标
• 知识与技能： • （1）同时的相对性；（2）运动长度的收缩；（3）时间 间隔的相对；（4）了解时空相对性的验证；（5）了解相 对论时空观与经典物理时空观的主要区别 • 过程与方法： • （1）理解同时相对性的推演过程男；（2）理解从“同时 相对性”出发得出“运动长度和时间间隔的相对性”的过 程 • 情感态度和价值观： • （1）体会相对论崭新的时空观，体会相对论的建立对人 类认识世界的影响。（2）辩证地看待经典物理理论 • 教学重点、难点 ： • 从“同时”的相对性得出运动长度和时间间隔的相对性
﹥ m0为静止质量
微观粒子的速度很高，它的质量明显 的大于静止质量．在研究制造回旋加速器 时必须考虑相对论效应的影响．
1988年，中
国第一座高能粒 子加速器——北 京正负电子对撞 机首次对撞成功
三、质能方程
物体的能量和质量之间 存在密切的联系，他们的关 系是：
E mc
2
这就是著名的爱因斯坦质能方程
一、相对论的速度变换公式
v
u
车对地的速度为v，人对车的速度为u/
u v u 地面上的人看到车上 u v 人相对地面的速度为： 1 c2
u v u u v 1 2 c
如果车上人运动方向与火车运动方向相 反，则u’取负值
课本P115思考与讨论
二、相对论质量
物体的运动速度不能无限增加，那么物 体的质量是否随着速度而变化？ 严格的论证表明，物体高速（与光速相 比）运动时的质量与它静止时的质量之间有 下面的关系： m0 m 2 v 1 c m为运动质量
• 爱因斯坦分析了物理学的发展，特别是电 磁理论，于1905年提出了狭义相对论。狭 义相对论的基本原理可表述于下： • 1.相对性原理 相对任何惯性系，包括电 磁理论在内的物理规律具有相同的形式。 也就是说，没有任何物理实验能确定一个 惯性系的运动状态。 • 2.光速不变原理 相对任何惯性系，真空 中的光速都是一个常量，c＝3.0×108米/ 秒，与传播的方向无关，与光源的速度
复
习
一、狭义相对论的两点假设： 1、狭义相对性原理 在不同的惯性参考系，一切物理规律都是 相同的 2、光速不变原理 真空中的光速在不同的惯性参考系中是相 同的，光速与光源、观察者间的相对运动没有 关系。
二、由狭义相对论推出的几个结论 1、“同时”的相对性 2 2、动尺变短 v
l l0 1 c
③迈克尔逊-莫雷实验
实验干涉条纹
实验原理图
• 电磁理论与经典的运动学理论的矛盾 19世纪中叶， 麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上，建立了完 整的电磁理论，又称麦克斯韦电磁场方程组。麦克斯韦 电磁理论不但能够解释当时已知的电磁现象，而且预言 了电磁波的存在，确认光是波长较短的电磁波，电磁波 在真空中的传播速度为一常数，c＝3.0×108米/秒，并 很快为实验所证实。 • 从麦氏方程组中解出的光在真空中的传播速度与光源的 速度无关。如果光波也和声波一样，是靠一种媒质(以 太)传播的，那么光速相对于绝对静止的以太就应该是 不变的。科学家们为了寻找以太做了大量的实验，其中 以美国物理学家迈克耳孙和莫雷实验最为著名。这个实 验不但没能证明以太的存在，相反却宣判了以太的死刑， 证明光速相对于地球是各向同性的。但是这却与经典的 运动学理论相矛盾。
三、时间间隔的相对性
在站台上看运 动火车上的钟
在火车上看运 动站台上的钟
由光速不变原理便 得到不同的时间间隔 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．
h
对于车厢内的人： t0 2h c 对于车厢外的人： t
l0
l
l l0
v 1 c
2
动尺变短（空间收缩效应）
S
O
Y
S′ Y′
O′
u
B
X X ′
A l
x1
●
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
结论
一条沿自身长度方向运动的杆， 其长度总比杆静止时的长度小
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.
t
t0 v 1 c
2Hale Waihona Puke Baidu
l l0
v 1 c
2
当两个参考系的 相对速度可与光速相 比时，时间与空间的 相对性才比较明显．
狭义相对论的结论已经完全得到证实，实际 上它已经成为微观粒子研究的基础之一．
五、相对论的时空观
牛顿物理学的绝对时空观：物理学的空间 与时间是绝对分离没有联系的，脱离物质而 单独存在，与物质的运动无关。 而相对论认为：有物质才有时间和空间， 空间和时间与物体的运动状态有关。 人类对于空间、时间更进一步的认识而形 成的新的时空观，是建立在新的实验事实和 相关结论与传统观念不一致的矛盾基础上， 不断发展、不断完善起来的。
世界物理年徽标
（1）了解经典的相对性原理 ①运动的相对性 中国古代研究：《尚书纬．考灵曜》 “地恒动而人不知，譬如闭舟而行不觉舟之运 也。” ②伽里略相对性原理 《关于两种世界体系的对话》： “理想船实验” 伽里略速度变换公式 ：
v' v u
③牛顿力学的不变性：
a' a
• 伽利略相对性原理 1632年，伽利略发表了《关于 两种世界体系的对话》一书，其中对船舱里观察 到的现象有一段生动的描述：“……船停着不动 时，你留神观察，小虫都以等速向各方向飞行， 鱼向各个方向随意游动，水滴滴进下面的罐中； 你把任何东西扔给你的朋友时，只要距离相等， 向这一方向不必比向另一方向用更多的力，你双 脚齐跳，无论向哪个方向跳过的距离都相同。当 你仔细观察这些事情之后，再使船以任何速度前 进，只要运动是匀速的，也不忽左忽右地摆动， 你将发现，所有上述现象丝毫没有变化。你也无 法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是 停着不动……”
伽利略这段描述说明：在相对于地面做匀速直线运动
的船舱里所进行的力学实验和观测，其结果与地面上的 力学实验和观测结果没有差异。不能根据在船舱内的力 学实验和观测，来判断船相对于地面是静止还是运动。 正如地球以30千米/秒的速度相对太阳而运动，我们却丝 毫没有感觉地球在运动一样，也不能根据地面上的力学 实验来直接判断地球的公转。这是因为地面上和船舱里 的力学规律具有相同的形式。牛顿第二定律的形式F＝ ma，在静止的船上和做匀速直线运动的船上是相同的。 牛顿运动定律是经典力学的基础，凡是牛顿运动定律成 立的参照系，称为惯性参照系，或简称惯性系。地面参 照系是惯性系，相对地面做匀速直线运动的船也是惯性 系。一般而言，相对惯性系做匀速直线运动的任何参照 系，都是惯性系。
t
t0 v 1 c
2
4h 2 c2 v2
相对速度与动钟延缓效应 (τ =1s）
• • • • • • • • V（米/秒） 0.1c=3×107 0.5c 0.8c 0.9c 0.99c 0.999c 0.9998c • • • • • • • • T(秒) 1.01 1.15 1.67 2.29 7.1 22.4 50
课本P108 思考与讨论
结论： 1、对于运动的火车上同时发生的两个事件， 对于地面就不是同时的 关键：在各个参考系中光速都为c 2、地面上同时发生的两个事件，对于运动 的火车也不是同时的 关键：相对运动
二、长度的相对性
l0
v
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车上的人看到的车厢的长度： 车外的人看到的车厢的长度：
四、时空相对性的实验验证
根据相对论，时间 在运动中会进行的比 较缓慢，也就是说， 在空间中高速移动的 时钟，比固定于地面 上的时钟走得慢．
1971年，科学家将铯原子钟放在喷气式飞机中作环 球飞行，然后与地面的基准钟对照．实验结果与理论预 言符合的很好．这是相对论的第一次宏观验证．
早在1941年，科学家通过对宇宙线的 观测证实了相对论的结论，美国科学家罗 西和霍尔在不同高度统计了宇宙线中μ 子 的数量，结果与相对论预言完全一致．
牛顿运动定律成立的参考系，称为惯性参考系， 简称惯性系．牛顿运动定律不成立的参考系， 称为非惯性系．
• 综上所述，相对任何惯性系，力 学规律都具有相同的形式。换言 之，在描述力学的规律上，一切 惯性系都是等价的。这一原理称 为伽利略相对性原理，或经典力 学的相对性原理。
（2）知道狭义相对论的两个基本假设 狭义相对论的两个基本原理： ①相对性原理 一切物理定律，在不同的惯性系中是 相同的 ②光速不变原理 光在真空中的传播速度在不同的惯性 系中测得的数值都是相同的
小 结
一、“同时”是相对的 二、长度的相对性
v l l0 1 c
t t0
2
三、时间间隔的相对性
v 1 c
2
15.3《狭义相对论的 其他结论》
教学目标
• • • • • • • • • • • 知识与技能： （1）运动速度的相对论变换 （2）相对论质量 （3）质能方程 过程与方法： 让学生体会到自洽性检验是科学理论研究的一个基本方法。 情感态度和价值观： 体会物理学中蕴含的简单与和谐之美（质能方程） 教学重点、难点 ： 重点：三个公式 难点：运动速度的相对性变换
Ek
m0 c 2 v 1 c
2
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在经典物理家的头脑中，如果两个事件在一个 参考系中看来是同时的，在另一个参考系中看来也 一定是同时的，但是如果接受爱因斯坦的两个假设， 我们会得出“同时是相对的”这样一个结论．
一、“同时”的相对性
车厢上的人和地面上的人看到车厢中间灯光到 达前后车厢的先后是不一样的．
车上的观察者认为光同时到达车厢的前后两壁
t 0
3、动钟变慢
t
v 1 c
2
4、速度变换公式
u v u u v 1 2 c
5、相对论质量
高中物理新人教版 选修３- 4系列课件
第十五章
《相对论简介》
15.1《相对论诞生》
教学目标
• 知识与技能： • （1）了解相对论诞生的历史背景，知道麦克耳孙一莫雷 实验 • （2）了解经典的相对性原理 • （3）知道相对性原理与电磁规律之间的矛盾 • （4）知道狭义相对论的两个基本假设 • 过程与方法： （1）了解对经典物理学内部矛盾的探索过程 • （2）理解爱因斯坦建立相对论的科学探究思想和逻辑推 理方法 • 情感态度价值观： • （1）明确物理理论的发展的基础——实验 • 教学重点、难点 ：狭义相对论的两点假设 • 教 学 方 法 ：阅读小结
2
1 m0 v 2 2
1 2 Ek m0 v 2
这就是我们过去熟悉的动能表达式，这也
能让我们看出，牛顿力学是相对论力学在低速 情况下的特例．
课本P116 思考与讨论
15.4《广义相对论简介》
教学目标
• 知识与技能： • （1）了解广义相对论基本原理 广义相对性原理和等效 原理 • （2）广义相对论主要结论 物质的引力使光线弯曲和强 引力场附近的时间进程会变慢 • （3）介绍广义相对论的实验验证 • 过程与方法： • （1）了解爱因斯坦思考和推演广义相对论思维过程 • 情感态度和价值观： • （1）体会在宇宙中人类的渺小和科学的巨大力量 • 教学重点、难点 ： • 1、广义相对性原理和等效原理2、广义相对论的主要结论： 引力使光线弯曲和强引力场附近的时间进程会变慢
质能方程表达了物体的质量和它所具有的 能量之间的关系.
Ek E E0
物体的动能
m0 v 1 c
2
运动时的能量
静止时的能量
m
Ek
1 m0 v 2 2
在v ＜ ＜ c时的一种近似 这就是动能表达式．
E mc2
具体推导过程如下：
Ek E E0
E mc
2
也无关。
15.2《时间和空间 的相对性》
教学目标
• 知识与技能： • （1）同时的相对性；（2）运动长度的收缩；（3）时间 间隔的相对；（4）了解时空相对性的验证；（5）了解相 对论时空观与经典物理时空观的主要区别 • 过程与方法： • （1）理解同时相对性的推演过程男；（2）理解从“同时 相对性”出发得出“运动长度和时间间隔的相对性”的过 程 • 情感态度和价值观： • （1）体会相对论崭新的时空观，体会相对论的建立对人 类认识世界的影响。（2）辩证地看待经典物理理论 • 教学重点、难点 ： • 从“同时”的相对性得出运动长度和时间间隔的相对性
﹥ m0为静止质量
微观粒子的速度很高，它的质量明显 的大于静止质量．在研究制造回旋加速器 时必须考虑相对论效应的影响．
1988年，中
国第一座高能粒 子加速器——北 京正负电子对撞 机首次对撞成功
三、质能方程
物体的能量和质量之间 存在密切的联系，他们的关 系是：
E mc
2
这就是著名的爱因斯坦质能方程
一、相对论的速度变换公式
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车对地的速度为v，人对车的速度为u/
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u v u u v 1 2 c
如果车上人运动方向与火车运动方向相 反，则u’取负值
课本P115思考与讨论
二、相对论质量
物体的运动速度不能无限增加，那么物 体的质量是否随着速度而变化？ 严格的论证表明，物体高速（与光速相 比）运动时的质量与它静止时的质量之间有 下面的关系： m0 m 2 v 1 c m为运动质量
• 爱因斯坦分析了物理学的发展，特别是电 磁理论，于1905年提出了狭义相对论。狭 义相对论的基本原理可表述于下： • 1.相对性原理 相对任何惯性系，包括电 磁理论在内的物理规律具有相同的形式。 也就是说，没有任何物理实验能确定一个 惯性系的运动状态。 • 2.光速不变原理 相对任何惯性系，真空 中的光速都是一个常量，c＝3.0×108米/ 秒，与传播的方向无关，与光源的速度
复
习
一、狭义相对论的两点假设： 1、狭义相对性原理 在不同的惯性参考系，一切物理规律都是 相同的 2、光速不变原理 真空中的光速在不同的惯性参考系中是相 同的，光速与光源、观察者间的相对运动没有 关系。
二、由狭义相对论推出的几个结论 1、“同时”的相对性 2 2、动尺变短 v
l l0 1 c
③迈克尔逊-莫雷实验
实验干涉条纹
实验原理图
• 电磁理论与经典的运动学理论的矛盾 19世纪中叶， 麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上，建立了完 整的电磁理论，又称麦克斯韦电磁场方程组。麦克斯韦 电磁理论不但能够解释当时已知的电磁现象，而且预言 了电磁波的存在，确认光是波长较短的电磁波，电磁波 在真空中的传播速度为一常数，c＝3.0×108米/秒，并 很快为实验所证实。 • 从麦氏方程组中解出的光在真空中的传播速度与光源的 速度无关。如果光波也和声波一样，是靠一种媒质(以 太)传播的，那么光速相对于绝对静止的以太就应该是 不变的。科学家们为了寻找以太做了大量的实验，其中 以美国物理学家迈克耳孙和莫雷实验最为著名。这个实 验不但没能证明以太的存在，相反却宣判了以太的死刑， 证明光速相对于地球是各向同性的。但是这却与经典的 运动学理论相矛盾。
三、时间间隔的相对性
在站台上看运 动火车上的钟
在火车上看运 动站台上的钟
由光速不变原理便 得到不同的时间间隔 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．
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对于车厢内的人： t0 2h c 对于车厢外的人： t
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动尺变短（空间收缩效应）
S
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Y
S′ Y′
O′
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x1
●
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
结论
一条沿自身长度方向运动的杆， 其长度总比杆静止时的长度小
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.
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2Hale Waihona Puke Baidu
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2
当两个参考系的 相对速度可与光速相 比时，时间与空间的 相对性才比较明显．
狭义相对论的结论已经完全得到证实，实际 上它已经成为微观粒子研究的基础之一．
五、相对论的时空观
牛顿物理学的绝对时空观：物理学的空间 与时间是绝对分离没有联系的，脱离物质而 单独存在，与物质的运动无关。 而相对论认为：有物质才有时间和空间， 空间和时间与物体的运动状态有关。 人类对于空间、时间更进一步的认识而形 成的新的时空观，是建立在新的实验事实和 相关结论与传统观念不一致的矛盾基础上， 不断发展、不断完善起来的。
世界物理年徽标
（1）了解经典的相对性原理 ①运动的相对性 中国古代研究：《尚书纬．考灵曜》 “地恒动而人不知，譬如闭舟而行不觉舟之运 也。” ②伽里略相对性原理 《关于两种世界体系的对话》： “理想船实验” 伽里略速度变换公式 ：
v' v u
③牛顿力学的不变性：
a' a
• 伽利略相对性原理 1632年，伽利略发表了《关于 两种世界体系的对话》一书，其中对船舱里观察 到的现象有一段生动的描述：“……船停着不动 时，你留神观察，小虫都以等速向各方向飞行， 鱼向各个方向随意游动，水滴滴进下面的罐中； 你把任何东西扔给你的朋友时，只要距离相等， 向这一方向不必比向另一方向用更多的力，你双 脚齐跳，无论向哪个方向跳过的距离都相同。当 你仔细观察这些事情之后，再使船以任何速度前 进，只要运动是匀速的，也不忽左忽右地摆动， 你将发现，所有上述现象丝毫没有变化。你也无 法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是 停着不动……”
伽利略这段描述说明：在相对于地面做匀速直线运动
的船舱里所进行的力学实验和观测，其结果与地面上的 力学实验和观测结果没有差异。不能根据在船舱内的力 学实验和观测，来判断船相对于地面是静止还是运动。 正如地球以30千米/秒的速度相对太阳而运动，我们却丝 毫没有感觉地球在运动一样，也不能根据地面上的力学 实验来直接判断地球的公转。这是因为地面上和船舱里 的力学规律具有相同的形式。牛顿第二定律的形式F＝ ma，在静止的船上和做匀速直线运动的船上是相同的。 牛顿运动定律是经典力学的基础，凡是牛顿运动定律成 立的参照系，称为惯性参照系，或简称惯性系。地面参 照系是惯性系，相对地面做匀速直线运动的船也是惯性 系。一般而言，相对惯性系做匀速直线运动的任何参照 系，都是惯性系。
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4h 2 c2 v2
相对速度与动钟延缓效应 (τ =1s）
• • • • • • • • V（米/秒） 0.1c=3×107 0.5c 0.8c 0.9c 0.99c 0.999c 0.9998c • • • • • • • • T(秒) 1.01 1.15 1.67 2.29 7.1 22.4 50