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第五章 科学进步无止境
第2节 相对论中的神奇时空
1.经典时空观：时间是绝对时间，与运动无关。
2.相对论时空观：
当时钟相对于观测者静止时，时钟走得快些；
当时钟相对于观测者高速运动时，观测者则认为时钟变慢了。
知识点一：时间延缓效应
在一列以速度 v 做匀速直线运动的火车中，做一个物理实验的时间是 15 min，站台上的观察者测得该实验花费的时间会更长 。
同一个物理过程，乘客测得的时间为τ0，站台上的观察者测得的时间为τ，则：
显然， τ > τ0。这种时间观测效应被称为时间延缓
3.时间延缓效应
我们把时间延缓效应形象地表述为运动的“时钟变慢”。
时间延缓效应表明：
一个物理过程经历的时间，在不同的参考系中测量不一定相同。与之相对静止的参考系测得的时间最短，称为固有时（ ） ；与之有相对运动的参考系测得的时间变长。相对速度越大，时间延缓效应越明显。
1.经典时空观：空间是绝对的，与运动无关。
2.相对论时空观：空间与运动密切相关。
若一把刻度尺，相对它静止的观测者测量其长度为l0 （静止长度，又称固有长度），沿它长度方向相对运动的观测者测量其长度则是l，它们的关系为
一把刻度尺，相对它静止的观测者测量其长度为 1 m，相对它运动的观测者测量其长度仍是 1 m。
知识点二：长度收缩效应
lO′
X ′
Y′
O
X
Y
●
特别注意：
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。
v
思考：为什么我们平时观察不到这种长度收缩效应？
因为我们生活在比光速低很多的低速世界里，长度收缩效应可忽略不计。
经典物理学：质量和能量是两个独立的概念 。
相对论：质量和能量是物质不可分离的属性。
这就是著名的质能关系式
m 是质量， c 是真空中光速， E 是能量。
知识点三：质能关系
如果用Δm 表示物体质量的变化量，ΔE 表示能量的变化量，则有：
损失的质量会转化为能量
1938 年，德国物理学家哈恩的重核裂变反应使爱因斯坦的质能关系得到了验证。从此，人类进入核能时代。
当物体相对于某惯性参考系静止时，它具有最小的质量 m0，当物体以速度 v 相对该惯性参考系运动时，则在该惯性参考系观测它的质量
物体的质量会随着它运动速度的增大而增大。这便是相对论的质速关系。
知识点四：奇妙的时空弯曲
在非惯性参考系中看到的光线是弯曲的！
匀加速参考系等效于均匀引力场
引力使光线弯曲
惯性参考系
在惯性参考系中，光沿直线传播。
非惯性参考系
爱因斯坦的广义相对论认为，由于物质的存在，空间和时间会发生弯曲。天体之间的引力作用是时空弯曲的结果。万有引力是广义相对论的时空弯曲理论在弱引力场的近似表述。
当遥远的恒星发出的光经过太阳表面时，太阳周围的空间弯曲，致使光线发生弯曲。理论计算星光经过太阳周围空间射向地球后的偏角为 1.75″。
1919 年发生日全食时，英国派出科考队分赴西非和巴西两地观测，得到的结果与理论值相当吻合。正是由于这个事件，相对论才受到人们的重视。
1. 在日常生活中，我们并没有发现物体的质量随着物体运动速度的变化而变化，其原因是(　　)
A．运动中的物体无法称量质量
B．物体的速度远小于光速，质量变化极小
C．物体的质量太小
D．物体的质量不随速度的变化而变化
A
2.(多选)一列很长的火车在沿平直车道飞快地匀速行驶，车厢中央有一个光源发出了一个闪光，闪光照到车厢的前壁和后壁。对这两个事件说法正确的是(　　 )
A.车上的观察者认为两个事件是同时的
B.车上的观察者认为光先到达后壁
C.地面上的观察者认为两个事件是同时的
D.地面上的观察者认为光到达前壁的时刻晚些
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3.在一个飞船上测得船的长度为100 m，高度为10 m，当飞船以0.60c的速度从你身边经过时，按你的测量，飞船的高度和长度各为多少？
答案　10 m　80 m
4.如果真空中的光速为c＝3×108 m/s，当一个物体的运动速度为v1＝2.4×108 m/s时，质量为3 kg，当它的速度为v2＝1.8×108 m/s时，质量为多少？
思路探究
(1)在高速运动问题中，物体的质量还是恒定不变的吗？
(2)相对论中，物体的质量与速度的关系式：m＝______。
相对论中的神奇时空
一.时间延缓效应
二、长度收缩效应
三.质能关系
四、奇妙的时光弯曲

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