1、高速世界要点精讲一、高速世界的两个基本原理1、以太物质与迈克尔逊莫雷实验经典物理学认为，宇宙空间充满着能传递万有引力和电磁相互作用的物质以太，它具有绝对静止、密度较小、硬度极大、安全透明等特点，并充斥于空间，渗透于一切物体。以太物质是牛顿力学及其基础绝对时空观的产物，但被迈克尔逊莫雷所设计的精妙的光干涉法实验（1887年所否定）。说明：经典时空观（绝对时空观）的基本内容是：时间和空间是分别独立、不相联系的，空间距离和时间间隔都不随参考系的运动状态而改变，独立于物质和物质运动之外的时间均匀流逝，由绝对刚体保证的空间两点长度，在任何参考系中都是绝对相等的，即存在不受运动状态影响的时钟和直尺。2、爱
2、因斯坦的两个基本假设（高速世界的两个基本原理）（1）相对性原理：物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式。（2）光速不变原理：在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速C都一样。说明：本章所述的低速与高速都是相对光速而言，速度远低于光速的称为低速，一般的宏观物体的速度都远低于光速，因此，通常说宏观世界是低速世界，而微观粒子（如电子、质一、中子、宇宙高能射线等），其运动的速度常能接近于光速，这样的速度称之为高速，因此微观世界往往与高速世界相联系。3、四维时空相对论时空观认为，时间和空间是相互联系、相互影响的，并且与物质的存在及运动密切相关。在相对论里，空间三维加是时间一维成统为一体的四维时空。在
3、四维时空中的一个点被称为一个事件。4、相对论效应（1）时间延缓效应一个十分重要的相对论效应，即在某个惯性参考系中测得的A、B两件事件（如两道闪电）的时间间隔t，与在另一个相对于该惯性参考系的速度v，运动的惯性参考系中测得的A、B两个事件的时间间隔t不等，且满足： t=（2）长度收缩效应另一个重要的相对论效应，即物体沿运动方向的长度比静止时长度发生因子的收缩。可以表达为。其中l为相对物体静止的观测者测得的该物体的长度，则是该物体沿其长度方向以速度v运动时，静止的观测者测得的该物体的长度。注意：不管是时间延缓效应还是长度收缩效应，都是相对论时空观的体现，是一种观测效应，时间延缓并不是时钟走得快或慢
4、（或者被观测过程的节奏变化了），长度收缩也不是物体本身发生了收缩。5、质速关系质速关系可表达为m=，其中m0是物体在其自身静止的参考系中测得的质量，m称为相对论质量，上式表明，相对论质量是随v的增大而增大，当vc时，m 时，可见量度惯性的是相对论质量而非静止质量，对静止质量不为零的物体，是不能加速到光速的，即用任何动力学的方法都不能获得超光速的运动，光速是物体运动的极限速度，对于静质量，应明确，在自然界所有基本粒子中，唯独光子的静质量为零。式中的m是物质的质量，c为真空中的光速，E是物质的能量。质能关系表明，质量和能量是物质不可分离的属性，当物质的质量减少或增大时，必然会伴随着能量的释放或吸收
5、，且有下列关系 E=mc2 由于c2为巨大的物理常数，因此当某物体受到高能量的作用而发生静质量的转化m0时，会释放出巨大的能量 E0=m0c2。原子弹等核武器及当今遍布世界各地的核电站，都是这一物理规律的应用。7、时空弯曲爱因斯坦的广义相对论指出：作加速运动的参考系在时间、空间的小范围内与引力场等效，并进一步得到，引力场是由于物质的存在及其一定的分布状况，使空间和时间变得不均匀（时空弯曲）所产生，时空结构随引力场而变化。在物理学中，相对论第一个体现了物质和时空结构的不可分性，爱因斯坦认为，光线在引力场中的弯曲可得效为空间本身被引力弯曲了。引力不但影响空间，而且影响时间，对影响方式的最佳描述就是
6、时空弯曲。上述理论被英国天文学家爱丁顿对日食的观测所验证。典型题解析例1 相对论中运动物体长度缩短与物体线度的热胀冷缩是否一回事？解析 相对论中物体长度缩短，指的是相对于物体高速运动的坐标系中，测得沿运动方向的物体的长度，比在相对于物体静止的坐标系中，测得的长度短。这里的长度缩短，是发生在一切运动着的物体上的物理过程，是一 种时空属性，与过程的物理机制无关，仅与物体以及参照系之间的相对运动状态有关，纯粹是一种相对论效应。物体运动速度愈大，长度缩短也愈大。物体线度的热用冷缩，是一种具体的物质过程。指的是物体温度变化时，组成物质的分子原子运动状态的不同，导致了分子原子间电磁力的变化，使它们之间的距
7、离增大或减小。显然，这种伸长缩短对不同惯性系都是一样的，与物体的运动速度无关。跟相对论中运动物体长度缩短是完全不同的两回事。例2 设地球是一惯性系，并设北京和上海直线相距1000千米，且从这两地同时开出一列列车（这里的“同时”是指对地球这一惯性而言）。现有一艘飞船沿北京到上海方向直线飞行，速度恒为v0 。若：（1）v=9千米/秒；（2）v=0.999c（c=3108千米/秒，这样高速的飞船，目前仍是一种幻想），问飞船中的观察者测得两列车开出时刻的间隔多少？解析 取S系与地面相连结，坐标原点取在北京，以北京到上海的方向为x轴的正方向；取S系与飞船相连结。现已知x=x上海-x北京=106米，t=0
8、。（1）v=9千米/秒，这时v与c之比值。由式（10-20） 因1，1，于是t=t上海- t北京x=10-7秒，t上海= t北京-10-7秒。这就是说，飞船上的观察者将发现上海开出列车的时间比北京早10-7秒（0.1微秒）。（2）v=0.999c，这时v与c之比值。因 =22.3，所以 -22.3-7.410-2秒即飞船中的观察者发现上海的列车比北京的早7.410-2秒（74毫秒）开出。基础演练与综合应用1、设某列车的本身长度（与之相对静止的观测者测得的长度）为100m，当以（1）v=30m/s，（2）v=2.7108m/s的速度相对观测者沿列车长度方向作匀速直线运动时，对地面的观察者来说，它的长度是多少？（提示当x1时，有）2、原子核由核子（质子和中子组成），人们发现一些稳定原子的原子核，其质量明显地比所含核子的质量之和小，例如氘核由一个中子与一个质了组成，它们的质量分别是氘核：mD=3.3436510-27kg质子：mP=1.6726510-27kg中子：mn=1.6749610-27kg试求：一个质子与一个中子组成氘核时释放出多少能量？
