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LOGO第六章相对论与量子论初步第1节高速世界在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。（一）引入新课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，在物理学睛朗天空的远处，还有两朵小小的令人不安的乌云。开尔文第一朵乌云——迈克尔逊-莫雷实验第二朵乌云——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。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。经典时空观运动的合成同理：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：②此人测得向他背面而来的光速：c/=c+υc/=c-υ=20m/s车=25m/s球=？=20m/s车=25m/s球=？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。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/s2.四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。O/Oh甲：车上的人认为闪光沿竖直方向到达小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。/22221htchtc/221ttvc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υc，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。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。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2/21vllc因为υc，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，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？T乙（一）新课学习3．质速关系经典物理学认为：物体受到的重力会随着它所处的高度或纬度的变化而变化，而它的质量在任何情况下是不会变化的。按这个理论，只要始终对物体施加一个恒力，那么这个物体就将一直保持匀加速运动，加速到光速时还会被加速，并超过光速。这是可能的吗？相对论认为：物质的质量是变化的。当物体在所处的惯性参考系静止时，它具有最小的质量m0，这个质量称为静止质量。当物体以速度υ相对某惯性系运动时，这个惯性系观测它的质量为m0221mmvc由此可知：在某个惯性系中观测某个物体，它的质量观测会随着它运动速度的增大而增大。0221mmvc质量与速度关系如图所示。由图可知，一个真实的、静止质量不为零的物体，相对于任何惯性参考系的运动速度都不可能为达到或超过光速。T乙（一）新课学习3．质速关系4．质能关系经典物理学中:质量和能量是两个独立的概念，它们之间没有联系。相对论观点：质量和能量是物质不可分离的属性，它们之间的关系如下:2Emc这个就是著名的质能关系。式中m——物质的量，单位——kg;c——光速，大小3×108m/s，E——能量，单位:J由以上关系知，当物质的质量变化时，必然伴随着能量的变化。其变化关系为：△E=△mc2。该式表示，随着一个物体质量的减少，会释放一定的能量；与此同时，另一个物体吸收能量，质量也会随之增加。某静质量为m0的物体，相对它静止的观测者测得其质量为m=m0；能量为E=mc2=m0c2，记为E0=m0c2，称为静能量。表示任何静质量不为零的物体，都贮存着巨大的能量。现人类已掌握了释放这种能量的有效方法。1983年．德国物理学哈恩发现，一个较重的铀核，在高能中子的轰击下，会裂变成两个中等质量的核，并进而形成雪崩式的链式反应，同时释放出巨大的能量。使得爱因斯坦的质能关系得到了验证和实现。这种释放方式释放的能量叫做核能。核能的发现带来了原子弹等毁灭性武器，但也给人类带来了似乎用之不竭的新能源——核电。T乙（一）新课学习3．质速关系4．质能关系5．时空弯曲爱因斯坦在他的狭义相对论中提出，物理定律的形式在一切惯性系中都是相同的。当观察者做加速运动或者非惯性系中，情况又怎样呢？为此爱因斯坦又提出了广义相对论设在遥远的宇宙空间有一间房子，这间房子里有一切必要的实验用具平行小孔平行小孔惯性参考系（静止）a非惯性参考系平行小孔平行小孔光线由于房子加速而发生弯曲.就像地面附近平抛出去的物体，在重力作用下运动轨迹会向下弯曲一样。T乙（一）新课学习3．质速关系4．质能关系5．时空弯曲光束轨迹弯曲的原因——由于房子加速运动抛体运动弯曲的原因——由于引力的作用基于以上两点，你有何预言？基于这一点，可称加速和引力是等效的。即加速能使光线弯曲，那么，引力也能使光线弯曲。这是一个惊人的预言。光线在引力场中的弯曲可等效为空间本身被引力弯曲，引力不但影响空间，而且影响时间，这种影响方式就称为时空弯曲。将引力场作用纳入到四维时空的几何称为黎曼几何。1919年5月29日，爱丁顿对日食的观测结果示意图在宇宙中，物质质量大、密度高的区域时空弯曲大；物质稀少的地方，时空较“平直”。太阳、恒星等处，时空等效的弯曲较显著，我们就说经过此而过的光束也只能走曲线。爱因斯坦基于广义相对论时空观和经典的牛顿引力场理论,最终提出广义相对论引力场方程,至此广义相对论的框架也就建立起来了。T乙两种时空观的对比较经典时空观相对论时空观主要结论同时的绝对性同时的相对性时间间隔的绝对性运动的时钟变慢空间距离的绝对性运动的尺子变短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。LOGO