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
2、运动状态影响的时钟和直尺。 2、爱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
3、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= 21cvt （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21cv 的收缩。可以表达为 。l21cv 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l 速度 v 运动时
4、，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（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，201cv 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
5、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，且有下列关系 E=mc 2 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 E 0=m 0c2。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
6、 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
7、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
8、=9 千米/秒；（2）v=0.999c（c=310 8千米/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。 （1）v=9 千米/秒，这时 v 与 c 之比值 。58 3109 由式（10-20） 21)/(xct 因 1， 1，于是2 t= t 上海 - t 北京 x= =10-7秒，c8 65103 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
9、比北京早 10-7秒（0.1 微秒） 。 （2）v=0.999c，这时 v 与 c 之比值 9.0 因 = 22.3，212).(1 所以 -22.3 -7.410 -2秒2/xct 861039. 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=2.710 8m/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 221 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：m D=3.3436510-27kg 质子：m P=1.6726510-27kg 中子：m n=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？
