高中物理选修3-4教学设计2：15.1 相对论的诞生教案
15.1相对论的诞生
教学目标
一、知识与技能：
（1）了解相对论诞生的历史背景，知道麦克耳逊——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
二、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
三、情感态度价值观：
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
教学手段
多媒体课件
教学活动
介绍相对论诞生的历史背景:
①以太的研究
以太透明；以太的密度很小（光速很大）；以太很硬（电磁波为横波）；以太无所不在，充满整个空间。
②光速的测量
斐索光速测定
③迈克尔逊-莫雷实验
实验原理图实验干涉条纹
实验意义：
以太不存在；暗示真空中光速在任何参考系都不变；复习光的干涉现象
一、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》（约东汉时代）
“地有四游，冬至地上行北而西三万里，夏至地下行南而东三万里，春秋两分是其中矣。
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》：“把你和朋友关在一条大船下的主舱里，让你们带着几只苍蝇、蝴蝶和其他小飞虫，舱内放一只大水碗，其中有几条鱼，然后挂上一个水瓶，让水一滴一滴地滴到下面的一个宽口罐里，船停着不动时，你留神观察，小虫都以等速向舱内各方向飞行；鱼向各个方向随便游动；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，向这一方向不必比另一方向施更多的力。
当船以任何速度前进，只要是匀速的，你将发现，上述观察的现象依旧，你无法用任何现象判定船是运动还是不动……”
伽里略坐标变换公式
伽里略速度变换公式
③牛顿力学的不变性m′=m
F′＝F
F ＝ma F′＝m′a′
力学规律在任何惯性参考系中都是相同的。
还可以表述为：
在任何惯性参考系中无法用任何力学实验判断该参考系相当于另一个参考系是静止的还是做匀速直线运动，即任何惯性参考系都是平权的。
二、相对性原理与电磁规律之间的矛盾
麦克斯韦电磁理论的困难：
光是电磁波；由于真空介电常数和磁导率是与参考系无关的常量，因此c 也应是与参考系无关。
这就是说在任何参考系中测得的光在真空中的速度都应该是同一数值。
但是，根据相对性原理，若以c 表示某一参考系K 中测得的真空中光的速度，c ′为以u 运动的K′系中测得的光在真空中的速度，根据伽利略变换，就应有：c ′= c-u
矛盾激发：“在不同的惯性系中光速不同”——“任何参考系中光速度都应该是同一数值”说明相对性原理涉及到接近光速的高速领域产生了明显的困难。
当时人们为了解决这个困难，提出了三种可能：
（1）麦克斯韦电磁理论有错，正确的电磁方程组应满足伽利略不变性。
（2）牛顿力学与麦克斯韦电磁理论都对，但麦克斯韦电磁理论只在某一特殊的惯性系成立。
t t z
z y
y ut
x x ===-='''
'u v v -=∴'a a =∴'
（3）牛顿力学与伽利略变换不对，应存在某种变换，麦克斯韦电磁理论在这种新的变换下具有不变性。
这意味着经典牛顿力学要作修改，修改后的力学方程在新的变换下具有不变性。
三、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爱因斯坦相对性原理———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，与光源、观察者是否相对运动无关
对2个基本原理的正确理解：
①自然规律不仅包括力学规律，还包括电磁学规律等其他所有的物理学规律；
②强调真空中的光速光速不变指大小既不依赖于光源或观察者的运动，也不依赖于光的
传播方向
③几十年来科学家采用各种先进的物理技术测量光速，结果都不违背光速不变原理。
四、小结：
五、练习
1、课本P107 1、
2、3
2、完成《第二教材》相关练习
板书设计
§15-1 相对论的诞生
一、经典的相对性原理
力学规律在任何惯性系中都是相同的
二、电磁理论与伽利略的相对性原理发生矛盾
三、狭义相对论的两点假设
（1）狭义相对性原理
一切物理规律在惯性系中都是相同的
（2）光速不变
光在真空中的向各个方向的速度都相同，即光的速度与光源、观察者的运动情况无关。
高中物理第十五章1相对论的诞生2时间和空间的相对性教材梳理教案新人教版选修3_4
1 相对论的诞生2 时间和空间的相对性疱丁巧解牛知识·巧学一、经典的相对性原理1.惯性系如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系叫做惯性系，相对一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系.2.伽利略相对性原理力学规律在任何惯性系中都是相同的.二、相对性原理与电磁规律1.经典力学遇到的困难在经典力学中如果某一惯性系相对另一惯性系的速度为v ，在此惯性系中有一物体速度为c ，那么，此物体相对于另一惯性系的速度是c+v 吗？根据经典力学理论是肯定的，但是这种答案被迈克尔逊的实验否定了.迈克尔逊实验证明了光速是不变的.这和传统的速度合成法是矛盾的.2.迈克尔逊—莫雷实验的结论光的传播速度与参考系（地球）运动的方向和大小无关.三、狭义相对论的两个基本假设1.爱因斯坦相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的. 辨析比较 两个相对性原理的区别对于伽利略的相对性原理来说，参考系中的坐标单位与参考系的运动无关；参考系中的时间与参考系的运动无关.其速度合成规律应满足v=v′+u.v′是某个惯性系相对另一个惯性系的速度，u 是物体相对某个惯性系的速度，那么，物体相对另一个惯性系的速度为v=v′+u.以此类推，若u 是光速c ，则在某个惯性系的光速相对于另一个惯性系的速度为v=v′+c .那么，光速是可以变大或变小的（在真空中）.对于狭义相对论的相对性原理来说，力学规律对惯性系来说都是相同的，但是光速是不变的.由于光速是不变的，造成了与经典理论一些不同的结论.这些结论在低速的世界里不易搞清，但从天体的物理现象中却得到了证实.2.光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都相同.深化升华 还要大量的实验来证明，还要经过逻辑推理的大量结论来验证才能成为真正的原理.四、“同时”的相对性由于光速不变，即光速在任何惯性系中都是相同的，那么当另一惯性系的速度能够和光速相比时，同时性就是相对的，即在一个惯性系中同时发生的两事件，在另一惯性系中就不一定是同时发生的.深化升华 光速不变原理是判断同时相对性的主要依据.可以通过判断某一事件从发生到接收地点所经过的路程来判断接收时间的先后.五、长度的相对性如果在匀速直线运动的火车上沿着运动的方向放着一根木杆，坐在火车上的人测得的木杆头尾坐标之差是木杆的长，但地面上的人则认为他不是同时测得木杆头尾的坐标，因为由于车在运动、杆在运动，他们的同时有相对性，同样，地面上的人认为是同时测量的，火车上的人认为是不同时的，经过严格的推导可得l=l′2)(1c v，其中l′为车上人测得的长度，l 为地面上的人测得的长度，由于1-(cv )2＜1，所以l ＜l′.其意义是：相对地面以速度v 运动的物体，从地面上看，沿着运动方向上的长度变短了，速度越大，变短得越多，但是高度却没有什么变化.对于车上的人来说，车上一切和往常一样，只是地面上的物体和距离都变窄了、变短了.学法一得 由于两个参考系相对速度很大，从一个参考系看另一个参考系里的长度，而且是顺着速度方向的长度会变短，这也是严格推算出来的.这可以从两列车高速对开时笛声频率发生变化受到启发，也可以从速度较快的汽车上看到外面的树木感到似乎有某种变化等，可以理解长度变短.误区提示 虽然观测结果不同，物体本身并未收缩，长度收缩效应是一种观测结果.在垂直于速度方向的长度基本不变，这一点在学习时要注意.六、时间间隔的相对性在一匀速前进的车厢顶上有一平面镜，正下方有一光源（闪光源），车顶到光源距离为h ，对火车上的人来说，光从光源经平面镜回到光源所经过的时间为Δt′=ch 2.对于地面上的人看到的光通过的路程为(2v t ∙∆)2=(2t c ∆∙)2-h 2可得Δt=2)(1'cv t -∆，可知Δt ＞Δt′.上面的式子具有普遍意义，当从地面观察以速度v 前进的火车时，车上的时间进程变慢了，不仅时间变慢了，物理、化学过程和生命的过程都变慢了.但车上的人都没有这种感觉，他们反而认为地面上的时间进程变慢了.深化升华 时间进程对于同一个参考系（惯性系）是没有变化的，而从另一个参考系来看这个参考系才会有变化.时间进程要能感觉出来必须是两个参考系的相对速度很大，大到能和光速相比.这时在光传播的很短的时间内，相对位移就很大.时间进程变慢在低速世界只能从推算中得知，需要从科技实验中找例证.由于运动是相对的，故在某一个参考系中观察另一个不同参考系里发生的物理事件时，总有时间延缓效应.牛顿的绝对时空观是相对论时空观在低速情况下的近似.七、时空相对性的验证μ子的寿命不长，只有3.0 μs ，其速度为0.99 c ，在100 km 的高空，其运动距离只有890 m ，要到达地面是不可能的，但实际上从地面是可以测到的.原因是它的速度很大，达到0.99 c ，这时大气层的厚度不再是100 km ，而是很短的，这样在3.0 μs 的时间内可以到达地面，从而证明了相对论时空观的正确性.八、相对论的时空观时间和空间不能脱离物质和物质的运动状态.时间变慢，空间的长度会变短，这都与物质的运动速度有关.深化升华 在速度较低的时候，长度、时间是感觉不出变化的，所以容易理解为长度、时间与物质之间没有什么关系，尤其是时间会认为是流逝的均匀的坐标.当速度很大时，长度和时间都跟着变化了，这时对宇宙的看法也必然要变化，长度和时间与物质是紧密相关的，长度和时间是不能离开物质而独立存在的.典题·热题知识点一 经典力学的相对性原理例1如图15-1-2所示，在列车车厢的光滑水平面上有一个质量为m=5 kg 的小球，正随车厢一起以20 m/s 的速度匀速前进，现在给小球一个水平向前的F=5 N 的拉力作用，求经10 s 时，车厢里的观察者和地面上的观察者看到小球的速度分别是多少？图15-1-2解析：利用经典力学的相对性原理进行计算.答案：对车上的观察者：物体的初速度v 0=0,加速度a=m F =1 m/s 2,10 s 时速度v 1=at=10 m/s. 对地面上的观察者：物体初速度v 0=20 m/s加速度相同a=mF =1 m/s 2 10 s 末速度v 2=v 0 +at=30 m/s.方法归纳 在两个惯性系中，虽然观察到的结果并不相同，一个是10 m/s ，另一个是30 m/s ，但我们却应用了同样的运动定律和速度合成法则，也就是说，力学规律在任何惯性系中都是相同的.知识点二 光速不变原理例2考虑以下几个问题：（1）如图15-1-3所示，参考系O′相对于参考系O 静止时，人看到的光速应是多少？（2）参考系O′相对于参考系O 以速度v 向右运动，人看到的光速应是多少？（3）参考系O 相对于参考系O′以速度v 向左运动，人看到的光速又是多少？图15-1-3解析：根据速度合成法则，第一种情况人看到的光速应是c ，第二种情况应是c+v ，第三种情况应是（c-v ）.而根据狭义相对理论，光速是不变的，都应是c.答案：三种情况都是c.知识点三 时间空间的相对性例3地面上A 、B 两个事件同时发生.对于坐在火箭中沿两个事件发生地点连线飞行的人来说（如图15-1-4所示），哪个事件先发生？图15-1-4解析：可以设想，在事件A 发生时A 处发出一个闪光.事件B 发生时B 处发生一个闪光.“两闪光相遇”作为一个事件，发生在线段AB 的中点，这在不同参考系中看都是一样的.“相遇在中点”这个现象在地面系中很容易解释.火箭上的人则有如下推理：地面在向火箭的方向运动，从闪光发生到两闪光相遇，线段中点向火箭的方向运动了一段距离，因此闪光B 传播的距离比闪光A 长些，既然两个闪光的光速相同，一定是闪光B 发出得早一些.答案：B 事件先发生巧解提示 根据运动的相对性，可以认为火箭不动，地面系向火箭运动.设A 、B 发出闪光，由于地面系中的观察者随地面一起运动，在运动的地面系中观察到A 、B 同时发光，说明观察者位置离B 近些.由于光速是不变的，对火箭上飞行的人来说，应当先接收到B 处闪光，即B 事件先发生.例4一支静止时长30 m 的火箭以3 km/s 的速度从观察者的身边掠过.观察者测得火箭的长度应为多少？火箭上的人测得火箭的长度应为多少？如果火箭的速度为光的二分之一呢？ 解析：根据长度的相对性，利用公式l=l′2)(1c v -可得.答案：火箭相对于火箭上的人是静止的，所以不管火箭的速度是多少，火箭上测得的火箭与静止时相同，为l′=30 m.如果火箭的速度为v=3×103 m/s ，地面观察者测得的火箭长l 为 l=l′2)(1c v -=30×283)103103(1⨯⨯- m=30×10101-- m. 如果火箭的速度为v=c/2，地面观察者测得的火箭长l 为 l=l′2)(1c v-=30×2)2/(1cc - m≈26 m. 误区警示 当相对运动速度很小时，相对性效应很微弱，因此在低速运动中牛顿运动定律仍然成立，牛顿运动定律仍是解题的主要依据.全盘否定经典力学的做法是错误的.例5π+介子是一不稳定粒子，平均寿命是2.6×10-8 s （在它自己参考系中测得）（1）如果此粒子相对于实验室以0.8 c 的速度运动，那么在实验室坐标系中测量的π+介子寿命多长？（2）π+介子在衰变前运动了多长距离？解析：Δt′是π+介子在自己参考系中的寿命，在实验中的寿命用Δt=2)(1'c v t -∆来求，衰变前运动的距离可用s=v·Δt 来求得.答案：π+在实验室中的寿命为Δt=282)8.0(1106.2)(1'-⨯=-∆-c v t s=4.3×10-8 s. 该粒子在衰变前，运动的距离s=v Δt=0.8×4.3×10-8×3×108 m=10.32 m方法归纳 π+介子的寿命很短，我们可以通过增大其相对速度的方法“延长”其寿命，以便于观测和研究.例6A 、B 、C 是三个完全相同的时钟，A 放在地面上，B 、C 分别放在两个火箭上，以速度v B 和v C 朝同一方向飞行，v B ＜v C ，地面上的观察者认为哪个时钟走得最慢？哪个走得最快？ 解析：地面上的观察者认为C 钟走得最慢，因为它相对于观察者的速度最大.根据公式Δt=2)(1'c v t -∆可知，相对于观察者的速度v 越大，其上的时间进程越慢.地面钟v=0，它记录的两事件的时间间隔最大，即地面钟走得最快.答案：地面上的观察者认为C 钟走得最慢，地面钟走得最快.方法归纳 时间间隔具有相对性，对于不同的参考系，时间间隔是不相同的.例7一飞船以u=9×103 m/s 的速率相对于地面飞行，飞船上的钟走了5 s ，用地面上的钟测量经过了多长时间？解析：利用时间间隔的相对性计算.答案：此问题就是在不同参考系中测量时间的问题.u=9×103 m/s Δt′=5 s由时间膨胀效应Δt=221'c ut -∆≈5.000 000 002 s.方法归纳 由此可见，即使在这么高的速度下，时间膨胀还是非常微弱的，所以在一般的速度下，可完全不考虑相对论效应，使用牛顿力学处理.问题·探究交流讨论探究问题 如何理解钟慢效应和尺缩效应？探究过程:刘小露：有一宇宙火箭相对于地球飞行，在地球上的观察者将看到火箭上的物体长度缩短，时钟变慢.张海：火箭上的观察者看到地球上的物体将比火箭上同类物体更长，时间更短.王小刚：根据相对性原理，运动的描述只有相对意义，因此，长度的缩短，时钟的变慢都是相对的，而不是绝对的.在火箭上观察，地球也以同样大的速率向相反方向运动，因此，观察者看到地球上的物体，同样是长度缩短，时钟变慢.李兵：按这样推理，一对孪生兄弟，一个在地球上，一个在高速运动的火箭上，地球上人看到火箭上的人时钟延缓，新陈代谢变缓，若干年后，应当火箭上的人显得年轻.同样，在火箭上的人看地球上的人，也应当显得年轻.其真实情况应如何？王丹丹：根据l=l 02)(1c v -可以看出：v 越大，l 越短，长度收缩效应越明显；当v<<c ，l≈l 0，这时又回到了经典时空观；空间的量度与参考系无关.这也说明，牛顿的绝对时空观是相对论时空观在低速情形下的近似.探究结论:时钟变慢效应和尺缩效应是相对的，只是观察的结果.实际上，对于观察者本人来说，钟慢效应没有实际意义.相对本人所处的惯性系而言，相对速度始终为零，其新陈代谢快慢和时间的长短是不会变化的.思维发散探究问题 根据本节的学习，认识正确的时空观？探究过程:观点一：什么是时间？什么是空间？时间和空间有什么性质？经典物理学对这些问题并没有正面回答.但是从它对问题的处理上，我们体会到，经典物理学认为空间好像一个大盒子（一个没有边界的盒子），它是物质运动的场所.至于某一时刻在某一空间区域是否有物质存在，物质在做什么样的运动，这些对于空间本身没有影响，就像盒子里是否装了东西对于盒子的性质没有影响一样，时间与此相似，它在一分一秒地流逝，与物质的运动无关.换句话说，经典物理学认为空间和时间是脱离物质而存在的，是绝对的，空间和时间之间也是没有联系的.观点二：相对论则认为有物质才有空间和时间，空间和时间与物质的运动状态有关.在一个确定的参考系中观察，运动物体的长度（空间距离）和它物理过程的快慢（时间进程）都跟物体的运动状态有关.观点三：我们生活在低速运动的世界里，因此自然而然地接受了经典的时空观.使用经典的时空观，处理低速问题是正确的，没有必要有意识地考虑空间和时间的性质.但在处理高速问题时，新的实验事实与传统观念不一致时，我们必须摒弃经典的时空观，应用相对论的时空观来处理和认识我们周围的世界.探究结论:经典的时空观是相对论时空观在低速情况下的近似.。
人教版选修3-4 15.1 相对论的诞生 时间和空间的相对性 教案
图示是目前世界上最为豪华的游轮之一。
如果游轮在平静的海面上匀速前行,而你在游轮最底部的船舱内,看不到外面的大海和任何游轮之外的物体,你有什么方法能够得知轮船是在海面上匀速前进还是静止?是的,在轮船没有加速度时,由于我们没有参考系(在船舱底部),所以无法判断轮船到底是匀速前进还是静止,只有具有加速度时我们才能够判断。
对于惯性参考系来讲,一切物理规律都是等价的,只是它们的初始状态不同,这就是相对论的开始。
怎么样?相对论没有你想象的那么难吧!课时15.1相对论的诞生时间和空间的相对性1.了解经典相对性的原理。
2.知道狭义相对论的实验基础,知道狭义相对论关于时空相对性的主要结论。
3.了解狭义相对论的两个基本假设。
通过实例,了解时间和空间的相对性,体会相对论时空观与低速世界情景的差异。
4.了解经典时空观与相对论时空观的主要区别,体会相对论时空观的建立对人类认识世界的影响。
重点难点:狭义相对论的基本假设,长度与时间间隔的相对性。
教学建议:通过本节的学习,了解面对迈克耳孙—莫雷实验的结果,爱因斯坦通过否定以太的存在,同时否定了牛顿力学的绝对空间和绝对时间。
了解狭义相对论的两个基本假设,同时以这两个原理为基础,通过对一些简单现象的分析和逻辑推理,得到“同时”的相对性与时间间隔的相对性。
导入新课:1994年初,一架意大利客机在非洲河岸上空飞行,突然,客机从地面控制室的雷达屏幕上消失了。
正当机场工作人员焦急万分之际,客机又在原来的空域出现,雷达又追踪到了客机的信号,最后,这架客机安全降落在意大利内地机场。
对此现象专家们认为,唯一的解释是在“失踪”的一刹那,时间“静止”不动了,或者说出现了时光倒流。
同学们,时光真的会倒流吗?1.相对论的诞生(1)经典相对性的原理:力学规律在任何①惯性系中都是相同的。
(2)狭义相对论的两个基本假设狭义相对性原理:在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是②相同的。
光速不变原理:真空中的光速在不同的惯性参考系中都是③相同的,光速与光源、观察者间的④相对运动没有关系。
物理：15.1《相对论诞生》课件(新人教版选修3-4)
③几十年来科学家采用各种先进的物理技术 测量光速，结果都不违背光速不变原理。
小结
一、伽利略相对性原理 力学规律在任何惯性系中都是相同的
二、相对性原理与电磁规律发生矛盾 三、狭义相对论的两个基本假设
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
麦克尔逊莫 雷实验
上述的矛盾使物理学家面临两个选择，一 是修正现有的理论，去迎合实验结果（这 相对比较容易，但常常无效）； 另一种主 张彻底摆脱“麦克斯韦电磁理论只适用于 某一特殊的惯性系”，创立全新的理论。 爱因斯坦、庞加莱等人选择了后者．并提 出了两个假设：
三、狭义相对论的两个基本假 设
1、狭义相对性原理
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。
相对论的时空观念与人们固有的 时空观念差别很大，很难被普通人
所Hale Waihona Puke 解。人们都称赞爱因斯坦伟大， 但又常常弄不懂这伟大的内容。这 使人们想起英国诗人波谱歌颂牛顿 的诗句:
自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中， 上帝说：“让牛顿去吧，” 于是一切都成为光明。 后人续写道: 上帝说完多少年之后， 魔鬼说：“让爱因斯坦去吧，” 于是一切又回到黑暗中。
二十世纪初诞生的相对论和量子力学就是 这场从经典物理向近代物理变革的标志
20世纪最伟大的科学家 爱因斯坦
一、经典的相对性原理
1、惯性系： 牛顿运动定律成立的参考系 相对于一个惯性参考系做匀速直线运动的
另一个参考系也是惯性系 2、伽利略相对性原理
力学规律在任何惯性系中都是相同的 还可表述为：在一个惯性参考系内进行的 任何力学实验都不能判断这个惯性系是否 相对于另一个惯性系做匀速直线运动；或 者说，任何惯性系都是平权的。
1相对论的诞生-人教版选修3-4教案
相对论的诞生-人教版选修3-4教案一、教学目标1. 知识与技能•理解相对论的概念、内容和物理意义；•掌握质能关系式的概念、推导和使用；•能根据特定条件分析相对论效应、解决相关物理问题。
2. 过程与方法•知道寻求解决问题的方法和策略；•能够在课堂上积极主动地参与讨论、实验和探究；•学会运用逻辑推理和思维方法探究物理问题。
3. 情感态度和价值观•了解相对论的科学性、艰深性和实践意义；•培养对科学的探究精神和思辨能力；•建立科学的人生观、世界观和价值观。
二、教学重点•相对论的概念、内容和物理意义；•质能关系式的概念、推导和使用。
三、教学难点•相对论效应的分析和相关物理问题的解决。
四、教学方法1. 课前导学通过授课和引导学生们预习相对论的相关内容，理解相对论的历史背景和思想发展的必然性，使学生们在课堂上更好地理解概念和实践意义。
2. 案例分析引导学生们探究相对论效应的相关物理问题，通过探讨速度、加速度、能量和质量的变化等概念，自主探索物理现象并且推导出相应的结论。
3. 实验探究引导学生们通过现实观测相对论效应的实验，进一步感受并深入理解相对论科学的深刻内涵和思想方法，培养类比、推理的科学思维能力。
五、课程设计时间教学过程第1-2课时导入和预习第3-4课时相对论效应的描述和分析第5-6课时相对论效应相关问题的解决1第7-8课时相对论效应相关问题的解决2第9-10课时实验探究第11-12课时质能关系式的推导和使用第13课时讨论和总结六、课后作业1. 阅读相关文献，进一步了解相对论和质能关系式的研究现状和最新成果。
2. 了解并探究相关的物理现象和问题，进一步加深对相对论的理解和应用。
七、评价方式通过课堂参与、个人任务和小组合作评价等形式进行考核，以身体力行的课外探究作为评价的重要参考依据，做到科学、公平、公正的标准。
八、教学反思通过课堂实践和科学探究，我深切体会到了“教学相长”的道理，不但加深了对知识的理解和应用，更实现了对教学方法和策略的探究和创新。
高中物理选修3-4优质学案：1 相对论的诞生2 时间和空间的相对性
1相对论的诞生2时间和空间的相对性[学科素养与目标要求]科学观念：1.知道经典的相对性原理，知道狭义相对论的实验基础和它的两个基本假设.2.知道狭义相对论的几个主要结论.3.了解经典时空观与相对论时空观的主要区别．科学思维：会应用相对论的几个主要结论进行简单的计算．科学态度与责任：体会相对论的建立对人类认识世界的影响．一、相对论的诞生1．经典的相对性原理(1)惯性系：牛顿运动定律能够成立的参考系．相对一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系．(2)伽利略相对性原理：力学规律在任何惯性系中都是相同的．2．相对性原理与电磁规律迈克耳孙—莫雷实验证明了光速是不变的，这与传统的速度合成法则是矛盾的．3．狭义相对论的两个基本假设(1)狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的．(2)光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的．二、时间和空间的相对性1．“同时”的相对性(1)经典的时空观：在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察也是同时的．(2)相对论的时空观：“同时”具有相对性，即在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察不一定是同时的．2．长度的相对性(1)经典的时空观：一条杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同．(2)狭义相对论认为“动尺变短”：狭义相对论中的长度公式为l ＝l 01－(v c)2，但垂直于杆的运动方向上，杆的长度不变． 3．时间间隔的相对性(1)经典的时空观：某两个事件，在不同的惯性系中观察，它们的时间间隔总是相同的．(2)狭义相对论认为“动钟变慢”：时间间隔的相对性公式为Δt ＝Δτ1－(v c )2. 4．经典时空观和狭义相对论时空观(1)经典时空观：空间和时间脱离物质而存在，是绝对的，空间和时间没有联系，即与物质的运动状态无关．(2)狭义相对论时空观：有物质才有时间和空间，空间和时间与物质运动状态有关．判断下列说法的正误．(1)一根杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同，这是经典物理学的观点．(√)(2)一根杆的长度静止时为l0，不管杆如何运动，杆的长度均小于l0.(×)(3)“动钟变慢”是时钟的精度因运动而发生了变化．(×)(4)高速运动的飞船中的宇航员发现地面的时钟变慢了．(√)一、经典的相对性原理与狭义相对论1．如图所示，小球相对于参考系O以速度v0向右抛出，人相对于参考系O′静止，当参考系O′相对于参考系O静止、以速度v向右运动和以速度v向左运动时，人观察到小球的速度分别为多大？[答案]分别为v0、v0－v、v0＋v2．如图所示，光源相对于参考系O静止，人相对于参考系O′静止，当参考系O′相对于参考系O静止、以速度v向右运动和以速度v向左运动时，人观察到的光源发出光的传播速度分别为多大？[答案]人观察到的光速都是c1．惯性系与非惯性系的确定：我们通常选取大地为惯性系，相对于地面静止或做匀速运动的物体都是惯性系，相对于地面做变速运动的物体都是非惯性系．2．光的传播速度与惯性系的选取无关．在任何情况下，真空中的光速都是c.例1关于狭义相对论，下列说法不正确的是()A．狭义相对论认为在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的B．狭义相对论认为在一切惯性系中，光在真空中的速度都等于c，与光源的运动无关C．狭义相对论只涉及无加速运动的惯性系D．狭义相对论任何情况下都适用[答案] D[解析]根据狭义相对论的基本假设可知，选项A、B正确；狭义相对论只涉及惯性参考系，不涉及非惯性参考系，选项D错误，C正确．针对训练(2017·攀枝花高二检测)关于爱因斯坦认为的空间和时间关系，下列说法中正确的是()A．时间和空间是分离的，即绝对时间和绝对空间B．时间和空间与物体的运动无关C．时间和空间在本质上是统一的D．时间是相对的，空间是绝对的[答案] C[解析]爱因斯坦认为时间和空间在本质上是统一的，时间和空间不是分离的，它们都是相对的，故C项正确．二、时间和空间的相对性如图所示，一列车以速度v经过站台，站台中部的观察者C看到列车车头正好到达站台最右端的A人时，车尾正好到达站台最左端的B人．(1)若此时站台上的观察者C看到A、B两人同时面向列车举起手中的小红旗，那么站在列车中点的观察者C′看到A、B两人是同时举旗的吗？如果不是同时举旗，他会看到哪个人先举旗？(2)站台上的观察者C看到列车长度刚好和站台长度相同，列车上的观察者C′认为列车长度和站台长度相同吗？如果不相同，他认为列车长还是站台长？(3)假定列车上的观察者C′举起小红旗向站台上的A、B两人挥动致意，他认为自己从举起小红旗到放下小红旗的时间为t，站台上的观察者C观察到他举旗的时间也为t吗？如果不是t，他认为这个时间比t长还是短？[答案](1)不是同时举旗，他看到A人先举旗(2)列车长度和站台长度不相同，他认为列车长(3)不是t，他认为这个时间比t长1．“动尺变短”：狭义相对论中的长度公式l ＝l 01－(v c )2中，l 0是相对于杆静止的观察者测出的杆的长度，而l 可以认为是杆沿自己的长度方向以速度v 高速运动时，静止的观察者测量的长度．2．“动钟变慢”：时间间隔的相对性公式Δt ＝Δτ1－(v c )2中，Δτ是相对事件发生地静止的观察者测量同一地点的两个事件发生的时间间隔，而Δt 是相对于事件发生地以速度v 高速运动的观察者测量同一地点的同样两个事件发生的时间间隔．3．分析时间间隔和长度变化时应注意的问题：(1)时间间隔、长度的变化，都是由于物质的相对运动引起的一种观测效应，它与所选取的参考系有关，物质本身的结构并没有变化．(2)两个事件的时间间隔和物体的长度，必须与所选取的参考系相联系，在没有选取参考系的情况下讨论时间的长短及空间的尺寸，是没有任何意义的．例2(多选)(2017·江苏卷)接近光速飞行的飞船和地球上各有一只相同的铯原子钟，飞船和地球上的人观测这两只钟的快慢，下列说法正确的有()A．飞船上的人观测到飞船上的钟较快B．飞船上的人观测到飞船上的钟较慢C．地球上的人观测到地球上的钟较快D．地球上的人观测到地球上的钟较慢[答案]AC[解析]由狭义相对论“动钟变慢”原理可知，飞船上的人认为地球上的钟是运动的，而飞船上的钟是静止的，所以飞船上的人观测到飞船上的钟较快，地球上的钟较慢，A正确，B 错误；地球上的人认为地球上的钟是静止的，而飞船上的钟是运动的，所以地球上的人认为飞船上的钟较慢，地球上的钟较快，C正确，D错误．例3地面上长100km的铁路上空有一火箭沿铁路方向以30km/s的速度掠过，则火箭上的人看到铁路的长度应该为多少？如果火箭的速度达到0.6c，则火箭上的人看到的铁路的长度又是多少？[答案]100km80km[解析]当火箭速度较低时，长度基本不变，还是100 km.当火箭的速度达到0.6c时，由相对论长度公式l＝l01－(v2，代入相应的数据解得l＝100×1－0.62km＝80 km.c)[学科素养]例2、例3考查了学生对时间和空间的相对性的了解程度，体现了“物理观念”的学科素养．又通过题目中的相对论效应，让学生体会到相对论的建立对人类认识世界的影响，体现了“科学态度与责任”的学科素养.1．(经典相对性原理)以下说法中正确的是()A．经典物理中的速度合成公式在任何情况下都是适用的B．经典物理规律也适用于高速运动的物体C．力学规律在一个静止的参考系和一个匀速运动的参考系中是不等价的D．力学规律在任何惯性系里都是等价的[答案] D[解析]在所有惯性系中，一切力学规律都是等价的，故D正确，C错误；经典物理规律是狭义相对论在低速状态下的一个近似，所以经典物理规律只适用于低速运动的物体，而经典物理中的速度合成公式也只适用于低速情况，故A、B均错误．2．(狭义相对论)(多选)下面说法正确的是()A．在以11000c竖直方向升空的火箭上向前发出的光，对地速度一定比c大B．在以11000c竖直方向升空的火箭上向后发出的光，对地速度一定比c小C．在以11000c竖直方向升空的火箭上沿水平方向发出的光对地速度为cD．在以11000c竖直方向升空的火箭上向任一方向发出的光对地速度都为c[答案]CD[解析]根据狭义相对论的基本假设——光速不变原理可知：真空中的光速相对于火箭的速度为c，相对于地面的速度也为c，即对不同的惯性参考系光速是相同的，因此C、D正确，A、B错误．3．(空间的相对性)惯性系S中有一边长为l的正方形(如图1所示)．从相对S系沿x轴方向以接近光速匀速飞行的飞行器上测得此正方形的图形是()图1[答案] C[解析]从相对S系沿x轴方向以接近光速匀速飞行的飞行器上观察S系中的正方形，根据相对论效应可知，沿x轴方向正方形的边长缩短，而沿y轴方向正方形边长没有改变，则其形状变成长方形，故C正确，A、B、D错误．4．(时间的相对性)如图2所示，A、B、C是三个完全相同的时钟，A放在地面上，B、C分别放在以速度v B和v C朝同一方向飞行的两枚火箭上，且v B＜v C.地面上的观察者认为哪个时钟走得最慢？哪个时钟走得最快？图2[答案] C 时钟走得最慢 地面上的时钟走得最快[解析] 根据公式Δt ＝Δτ1－⎝⎛⎭⎫v c 2可知，相对于观察者的速度v 越大，其上的时间进程越慢，地面上的观察者认为C 钟走得最慢，因为它相对于观察者的速度最大；由Δt ＝Δτ1－(v c )2知Δτ<Δt ，故地面上的时钟走得最快.。
高中物理人教版选修3-4第15章第1节教案设计《相对论的诞生》
相对论的诞生知识与技能：（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教学手段多媒体课件教学活动介绍相对论诞生的历史背景①以太的研究（鲁科版较详细）以太透明；以太的密度很小（光速很大）；以太很硬（电磁波为横波）；以太无所不在，充满整个空间。
②光速的测量斐索光速测定③迈克尔逊-莫雷实验实验原理图实验干涉条纹实验意义：以太不存在；暗示真空中光速在任何参考系都不变；复习光的干涉现象一、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》（约东汉时代）“地有四游，冬至地上行北而西三万里，夏至地下行南而东三万里，春秋两分是其中矣。
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》：“把你和朋友关在一条大船下的主舱里，让你们带着几只苍蝇、蝴蝶和其他小飞虫，舱内放一只大水碗，其中有几条鱼，然后挂上一个水瓶，让水一滴一滴地滴到下面的一个宽口罐里，船停着不动时，你留神观察，小虫都以等速向舱内各方向飞行；鱼向各个方向随便游动；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，向这一方向不必比另一方向施更多的力。
当船以任何速度前进，只要是匀速的，你将发现，上述观察的现象依旧，你无法用任何现象判定船是运动还是不动……”伽里略坐标变换公式 t t zz yy ut x x ===-=''''伽里略速度变换公式 u v v -=∴'③牛顿力学的不变性m ′=mF ′＝FF ＝ma F ′＝m ′a ′a a =∴'力学规律在任何惯性参考系中都是相同的。
人教版高中物理选修3-415.1相对论的诞生、15.2时间和空间的相对性教学案
1相对论的诞生2时间和空间的相对性能说出狭义相对论)相对论的诞生[先填空]1．经典的相对性原理(1)表述一：力学规律在任何惯性系中都是相同的．(2)表述二：在一个惯性参考系内进行的任何力学实验都不能判断这个惯性参考系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动．(3)表述三：任何惯性参考系都是平权的．2．狭义相对论的两个基本假设(1)狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的．(2)光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的．[再判断]1．静止或匀速直线运动的参考系是惯性系．(√)2．由于在任何惯性系中力学规律都是相同的，因此，研究力学问题时可以选择任何惯性系．(√)3．在不同的惯性系中，光速是不相同的．(×)[后思考]1．牛顿运动定律的适用条件是什么？【提示】宏观物体、低速运动和惯性参考系．2．伽利略的相对性原理与狭义相对性原理有什么不同？【提示】伽利略的相对性原理认为力学规律在任何惯性系中是相同的；狭义相对性原理认为在不同惯性系中一切物理规律都是相同的．[核心点击]1．惯性系和非惯性系牛顿运动定律能够成立的参考系，相对于这个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系．牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系．2．伽利略相对性原理力学规律在任何惯性系中都是相同的，即任何惯性参考系都是平权的．3．相对性原理与电磁规律根据麦克斯韦的电磁理论，真空中的光速在任何惯性系中都是一个常量，但是按照伽利略的相对性原理，在不同惯性系中的光速应是各不相同的．迈克耳孙—莫雷实验证明：不论光源和观察者做怎样的相对运动，光速都是相同的．4．迈克耳孙—莫雷实验(1)实验背景：根据麦克斯韦的电磁理论可以直接得到真空中电磁波的速度，并不需要初始条件，也就是说，“电磁波的速度是c”，这本身就是电磁规律的一部分，而不是电磁规律应用于某个具体事物的结论．于是，问题出现了：麦克斯韦的电磁理论相对哪个参考系成立？如果它相对参考系S是正确的，另外还有一个参考系S′，S′相对于S以速度v运动，那么光相对于S′的速度应该是(c－v)而不是c，好像电磁规律不是对任何惯性系都一样．(2)实验结论：不论光源与观察者做怎样的相对运动，光速都是一样的．1．假设有一天某人坐在“神舟”号飞船上，以0.5c的速度遨游太空，当他打开一个光源时飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为________，飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为________，在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是________．【解析】根据狭义相对论的假设，真空中的光速相对于不同的惯性参考系是相同的，即在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c.【答案】c c c2．如图15-1-1所示，思考以下几个问题：(光速用c表示)图15-1-1(1)若参考系O ′相对于参考系O 静止，人看到的光速应是多少？(2)若参考系O ′相对于参考系O 以速度v 向右运动，人看到的光速应是多少？(3)若参考系O 相对于参考系O ′以速度v 向左运动，人看到的光速又是多少？【解析】 根据狭义相对论的光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，光速与光源、观察者间的相对运动没有关系．因此三种情况下，人观察到的光速都是c .【答案】 (1)c (2)c (3)c1．爱因斯坦提出的两条基本假设是相对论的基础，对同时的相对性等经典力学所无法解决的问题，应紧紧抓住两条基本假设这一关键点来解决．2．真空中对不同的惯性参考系来说，光速都是相同的．3．经典力学的结论是有一定局限性的，一般只适用于宏观物体的低速运动．时间和空间的相对性[先填空]1．“同时”的相对性(1)经典时空观：在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察也是同时的．(2)相对论时空观：“同时”具有相对性，即在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察可能不是同时的．2．“长度”的相对性(1)经典的时空观：一条杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同．(2)相对论的时空观：“长度”也具有相对性，一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比静止长度小，但在垂直于杆的运动方向上，杆的长度没有变化．(3)相对长度公式：设相对于杆静止的观察者认为杆的长度为l 0，与杆有相对运动的人认为杆的长度为l ，杆相对于观察者的速度为v ，则l 、l 0、v 的关系是：l ＝l 01－⎝⎛⎭⎫v c 2. 3．时间间隔的相对性 (1)经典的时空观：某两个事件，在不同的惯性系中观察，它们的时间间隔总是相同的．(2)相对论的时空观：某两个事件，在不同的惯性参考系中观察，它们的时间间隔是不同的，惯性系速度越大，惯性系中的时间进程进行得越慢．非但如此，惯性系中的一切物理、化学过程和生命过程都变慢了．(3)相对时间间隔公式：设Δτ表示静止的惯性系中观测的时间间隔，Δt 表示以v 高速运动的参考系中观察同样两事件的时间间隔，则它们的关系是：Δt ＝Δ τ1－⎝⎛⎭⎫v c 2.[再判断]1．根据相对论的时空观，“同时”具有相对性．(√)2．相对论时空观认为，运动的杆比静止的杆长度变大．(×)3．高速飞行的火箭中的时钟要变慢．(√)[后思考]1．尺子沿任何方向运动其长度都缩短吗？【提示】 尺子沿其长度方向运动时缩短，在垂直于运动方向长度不变．2．以任何速度运动，时间延缓效应都很显著吗？【提示】 不是．当u →c 时，时间延缓效应显著；当u ≪c 时，时间延缓效应可忽略．[核心点击]1．“动尺缩短”狭义相对论中的长度公式l ＝l 01－⎝⎛⎭⎫v c 2中，l 0是相对于杆静止的观察者测出的杆的长度，而l 可以认为是杆沿自己的长度方向以速度v 运动时，静止的观察者测量的长度．2．“动钟变慢”时间间隔的相对性公式Δ t ＝Δτ1－⎝⎛⎭⎫v c 2中，Δτ是相对事件发生地静止的观察者测量同一地点的两个事件发生的时间间隔，而Δt 是相对于事件发生地以速度v 高速运动的观察者测量同一地点的同样两个事件发生的时间间隔．3．分析时间间隔和长度变化时应注意的问题(1)时间间隔、长度的变化，都是由于物质的相对运动引起的一种观测效应，它与所选取的参考系有关，物质本身的结构并没有变化． (2)两个事件的时间间隔和物体的长度，必须与所选取的参考系相联系，如果在没有选取参考系的情况下讨论时间的长短及空间的尺寸，是没有任何意义的．3．某宇航员要到离地球5光年的星球上去旅行，如果希望把这路程缩短为3光年，则他所乘飞船相对地球的速度为________．【解析】 由l ＝l 01－⎝⎛⎭⎫v c 2得，3＝51－⎝⎛⎭⎫v c 2，解得v ＝0.8c . 【答案】 0.8c 4．用相对论的观点判断，下列说法正确的是( )【导学号：23570153】A ．时间是绝对的，空间是相对的B ．时间和空间都是绝对的，在任何参考系中一个事件发生的时间和一个物体的长度总不会改变C ．在地面上的人看来，高速运动的飞船中的时钟会变慢，但是飞船中的宇航员却看到时钟是准确的D ．在地面上的人看来，高速运动的飞船在运动方向上会变窄，而飞船中的宇航员却感觉到地面上的人看起来比飞船中的人扁一些E ．当物体运动的速度v ≪c 时，“时间膨胀”和“长度收缩”效应可忽略不计【解析】 时间和空间都是相对的，故选项A 、B 的说法错误；根据“时间膨胀”和“长度收缩”效应，选项C 、D 的说法正确；当速度v ≪c 时，1－⎝⎛⎭⎫v c 2≈1，所以“时间膨胀”和“长度收缩”效应可忽略不计，故选项E 说法正确．【答案】 CDE5．地面上长100 km 的铁路上空有一火箭沿铁路方向以30 km/s 的速度掠过，则火箭上的人看到铁路的长度应该为多少？如果火箭的速度达到0.6c ，则火箭上的人看到的铁路的长度又是多少？【解析】 当火箭速度较低时，长度基本不变，还是100 km.当火箭的速度达到0.6c 时，由相对论长度公式l ＝l 01－⎝⎛⎭⎫v c 2代入相应的数据解得：l ＝100×1－0.62 km ＝80 km. 【答案】 100 km 80 km应用相对论“效应”解题的一般步骤1．应该通过审题确定研究对象及研究对象的运动速度．2．明确求解的问题，即明确求解静止参考系中的观察结果，还是运动参考系中的观察结果．3．应用“尺缩效应公式”或“时间延缓效应公式”进行计算．。
15.1 相对论的诞生 优秀教案优秀教学设计高中物理选修3-4新课
1-2 相对论的诞生时间和空间的相对性教学目的：1．了解相对论的诞生及发展历程2．了解时间和空间的相对性3．了解狭义相对论和广义相对论的内容教学重点：时间和空间的相对性、狭义相对论和广义相对论教学难点：时间和空间的相对性教学过程：狭义相对论的基本假设牛顿力学是在研究宏观物体的低速（与光速相比）运动时总结出来的.对于微观粒子，牛顿力学并不适用，在这一章中我们还将看到，对于高速运动，即使是宏观物体，牛顿力学也不适用.19世纪后半叶，关于电磁场的研究不断深入，人们认识到了光的电磁本质.我们已经知道，电磁波是以巨大的速度传播的，因此在电磁场的研究中不断遇到一些矛盾，这些矛盾导致了相对论的出现.相对论不仅给出了物体在高速运动时所遵循的规律，而且改变了我们对于时间和空间的认识，它的建立在物理学和哲学的发展史上树立了一座重要的里程碑.经典的相对性原理如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系叫做惯性系，相对一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系.我们引用伽利略的一段话，生动地描述了一艘平稳行驶的大船里发生的事情.“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”通过这段描述以及日常经验，人们很容易相信这样一个论述：力学规律在任何惯性系中都是相同的.这个论述叫做伽利略相对性原理.相对性原理可以有不同的表述.例如还可以表述为：在一个惯性参考系内进行任何力学实验都不能判断它是否在相对于另一个惯性参考系做匀速直线运动；或者说，任何惯性系都是平权的.在不同的参考系中观察，物体的运动情况可能不同，例如在一个参考系中物体是静止的，在另一个参考系中看，它可能是运动的，在不同的参考系中它们运动的速度和方向也可能不同.但是，它们在不同的惯性系中遵从的力学规律是一样的，例如遵从同样的牛顿运动定律、同样的运动合成法则……光速引起的困难自从麦克斯韦预言了光的电磁本质以及电磁波的速度以后，物理学家们就在思考，这个速度是对哪一个参考系说的？如果存在一个特殊的参考系O，光对这个参考系的速度是c，另一个参考系O′以速度v沿光传播的方向相对参考系O运动，那么在O′中观测到的光速就应该是c-v，如果参考系O′逆着光的传播方向运动，在参考系O′中观测到的光速就应该是c+v.由于一般物体的运动速度比光速小得多，c+v和c-v与光速c的差别很小，在19世纪的技术条件下很难直接测量，于是物理学家们设计了许多巧妙的实验，力图测出不同参考系中光速的差别.最著名的一个实验是美籍物理学家麦克尔逊设计的.他把一束光分成互相垂直的两束，一束的传播方向和地球运动的方向一致，另一束和地球运动的方向垂直，然后使它们发生干涉，如果不同方向上的光速有微小的差别，当两束光互相置换时干涉条纹就会发生变化.由于地球在宇宙中运动的速度很大，希望它对光速能有较大的影响.但是，这个实验和其他实验都表明，不论光源和观察者做怎样的相对运动，光速都是相同的.这些否定的结果使当时的物理学家感到震惊，因为它和传统的观念，例如速度合成的法则，是矛盾的.狭义相对论的两个假设上面的矛盾使我们面临一个困难的选择：要么放弃麦克斯韦的电磁理论，要么否定特殊参考系的存在.爱因斯坦选择了后者.他认为，既然在不同的惯性系中力学规律都一样，我们会很自然地想到，电磁规律在不同的惯性系中也是一样的，也就是说，并不存在某一个特殊参考系（例如地球参考系、太阳参考系，或者所谓的以太……）爱因斯坦把伽利略的相对性原理推广到电磁规律和一切其他物理规律，成为他的第一个假设：不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的.这个假设通常称为爱因斯坦相对性原理.另一条假设是：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，与光源的运动和观察者的运动没有关系.这个假设通常叫做光速不变原理.这两个假设似乎是麦克尔逊实验的直接结论，为什么还要叫做假设？这是因为，虽然实验表明了假设所说的内容，但这终归是有限的几次实验.只有在从这两个假设出发，经过逻辑推理（包括数学推导）所得出的大量结论都与事实相符时，它们才能成为真正意义上的原理.同时的相对性作为相对论的两个假设的直接推论，现在讨论“同时”的相对性，以体会相对论描述的世界和我们日常的经验有多大的差别.我们研究两个“事件”的同时性.在这里，“事件”可以指一个光子与观测仪器的碰撞，也可以指闪电对地面的打击，还可以指一个婴儿的诞生……假设一列很长的火车在沿平直轨道飞快地匀速行驶.车厢中央有一个光源发出了一个闪光，闪光照到了车厢的前壁和后壁，这是两个事件.车上的观察者认为两个事件是同时的.在他看来这很好解释，因为车厢是个惯性系，光向前、后传播的速度相同，光源又在车厢的中央，闪光当然会同时到达前后两壁（见课本99页图甲）.车下的观察者则不以为然.他观测到，闪光先到达后壁，后到达前壁.他的解释是：地面也是一个惯性系，闪光向前、后传播的速度对地面也是相同的，但是在闪光飞向两壁的过程中，车厢向前行进了一段距离，所以向前的光传播的路程长些，到达前壁的时刻也就晚些（见课本99页图乙），这两个事件不同时.在经典物理学家的头脑中，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一定也是同时的，这一点似乎天经地义，无需讨论.但是，如果接受了爱因斯坦的两个假设，我们自然会得出“同时是相对的”这样一个结论.为什么在日常生活中没有人觉察到这种相对性？原来，火车运动的速度远远小于光速，光从车厢中央传播到前后两壁的短暂时间内，火车前进不了多大距离，因此地面观察者不会发现闪光到达前壁、后壁的时间差.时间和空间的相对性时间间隔的相对性经典物理学认为，某两个事件，在不同的惯性系中观察，它们发生的时间差，也就是它们的时间间隔，总是相同的.但是，从狭义相对论的两个基本假设出发，我们会看到，时间间隔是相对的.还以高速火车为例，假设车厢地板上有一个光源，发出一个闪光.对于车上的人来说，闪光到达光源正上方h高处的小镜后被反射，回到光源的位置，往返所用的时间为△t′.对于地面的观察者来说，情况有所不同.从地面上看，在光的传播过程中，火车向前运动了一段距离，因此被小镜反射后又被光源接收的闪光是沿路径AMB传播的光.如果火车的速度为v，地面观察者测得的闪光从出发到返回光源所用时间记为△t，那么应用勾股定理可得这又是一个令人吃惊的结论：关于闪光从光源出发，经小镜反射后又回到光源所经历的时间，地面上的人和车上的人测量的结果不一样，地面上的人认为这个时间长些.更严格的推导表明，（1）式具有普遍意义，它意味着，从地面上观察，火车上的时间进程变慢了，由于火车在运动，车上的一切物理、化学过程和生命过程都变慢了：时钟走得慢了，化学反应慢了，甚至人的新陈代谢也变慢了……可是车上的人自己没有这种感觉，他们反而认为地面上的时间进程比火车上的慢，因为他们看到，地面正以同样的速度朝相反的方向运动！式又一次生动地展示了时间的相对性.长度的相对性在这一小节中我们将要说明，高速火车上的一个杆，当它的方向和运动方向平行时，地面上的人测得的杆长要小于火车上的人测得的杆长！假设一个杆沿着车厢运动的方向固定在火车上，和车一起运动.在火车上的人看来，杆是静止的.他利用固定在火车上的坐标轴，测出杆两端的位置坐标，坐标之差就是他测出的杆长L′.地面上的人要利用固定在地面上的坐标轴，测出杆两端的位置坐标，坐标之差就是他测出的杆长L.可是，对于地面上的人，杆是运动的，要使这种测量有意义，他必须同时测出杆两端的位置坐标；如果在某一时刻测出杆一端的位置坐标，在另一时刻测出另一端的位置坐标，坐标之差就不能代表杆长了.火车上的人和地面上的人各自用上述方法测量随车运动的杆长，结果发现，L′＞L.他们两人的测量都是符合测量要求的，但测量结果不同，这跟同时的相对性有关.地面上的人认s为同时的两个事件（同时对A、B两端读数），火车上的人认为不是同时的.火车上的人认为，地面上的人对B端的读数早些，对A端的读数迟些，在这个时间内杆向前运动了一段距离，因而地面上的人测得的杆长比较短.2t τ=⎛式具有普遍意义，也就是说，一个杆，当它沿着自身的方向相对于测量者运动时，测得的长度比它静止时的长度小，速度越大，差别也越大.这就是我们所说的空间的相对性.当杆沿着垂直于自身的方向运动时，测得的长度和静止时一样.可以想像这样一幅图景：一列火车以接近光的速度从我们身边飞驶而过，我们感到车厢变短了，车窗变窄了……火车越快，这个现象越明显，但是车厢和车窗的高度都没有变化.车上的人有什么感觉呢？他认为车上的一切都和往常一样，因为他和火车是相对静止的.但是，他却认为地面上的景象有些异常：沿线的电线杆的距离变短了，面对铁路线的正方形布告牌由于宽度变小而高度未变竟成了窄而高的矩形……时空相对性的实验验证从l l =1）、2t τ=⎛（2）（两式可以看到，只有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.目前的技术还不能使宏观物体达到这样的速度，但是随着对微观粒子研究的不断深入，人们发现，许多情况下粒子的速度会达到光速的90％以上，时空的相对性应该是不可忽略的.事实正是如此.时至今日，不但狭义相对论的所有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.时空相对性的最早证据跟宇宙线的观测有关（1941年）.宇宙线是来自太阳和宇宙深处的高能粒子流，它和高层大气作用，又产生多种粒子，叫做次级宇宙线，它们统称宇宙线.次级宇宙线中有一种粒子叫做μ子，寿命不长，只有3.0μs ，超过这个时间后大多数μ子就衰变为别的粒子了.宇宙线中μ子的速度约为0.99c ，所以在它的寿命之内，运动的距离只有约890m.μ子生成的高度在100km 以上，这样说来宇宙线中的μ子不可能到达地面.但在实际上，地面观测到的宇宙线中有许多μ子，这只能用相对论来解释.我们说μ子的寿命为3.0μs ，这是在与它相对静止的参考系中说的.从地面参考系看，μ子在以接近光速的速度运动，根据（l ）式，它的寿命比3.0μs 长得多，在这样长的时间内，许多μ子可以飞到地面.如果观察者和μ子一起运动，这个现象也好解释.这位观察者看到，μ子的寿命仍是3.0μs，但是大地正向他扑面而来，因此大气层的厚度不是100km，由于长度的相对性，在他看来大气层比100km薄得多，许多μ子在衰变为其他粒子之前可以飞过这样的距离.相对论的第一次宏观验证是在1971年进行的.当时把铯原子钟放在喷气式飞机上作环球飞行，然后与地面上的基准钟对照.实验结果与理论预言符合得很好.相对论的时空观什么是时间？什么是空间？时间和空间有什么性质？经典物理学对这些问题并没有正面回答.但是从它对问题的处理上，我们体会到，经典物理学认为空间好像一个大盒子（一个没有边界的盒子），它是物质运动的场所.至于某一时刻在某一空间区域是否有物质存在，物质在做什么样的运动，这些对于空间本身没有影响，就像盒子里是否装了东西对于盒子的性质没有影响一样.时间与此相似，它在一分一秒地流逝，与物质的运动无关.换句话说，经典物理学认为空间和时间是脱离物质而存在的，是绝对的，空间与时间之间也是没有联系的.相对论则认为有物质才有空间和时间，空间和时间与物质的运动状态有关.前面已经看到，在一个确定的参考系中观察，运动物体的长度（空间距离）和它上面物理过程的快慢（时间进程）都跟物体的运动状态有关.我们生活在低速运动的世界里，因此自然而然地接受了经典的时空观，过去谁都未曾有意识地考虑过空间与时间的性质.只有当新的实验事实引出的结论与传统观念不一致时，人们才回过头来认真思考过去对于空间和时间的认识.科学的发展和人对于自然界的认识就是这样一步一步地前进的.新科学没有全盘否定经典物理学，经典物理学建立在实验的基础上，它的结论又受到无数次实践的检验.虽然相对论更具有普遍性，但是经典物理学作为它在低速运动时的特例，在自己的适用范围内还将继续发挥作用.仍以高速火车为例.设车对地面的速度为v，车上的人以速度u′沿着火车前进的方向相对火车运动，那么他相对地面的速度u为正值，如果车上人的运动方向与火车的运动方向相反，则u′取负值.这两个速度的方向垂直或成其他角度时，（1）式不适用，这种情况不做讨论.按照经典的时空观，u=u′+v.而从（1）式来看，实际上人对地面的速度u比u′与v之和要小，不过只有在u′和v的大小可以与c相比时才会观察到这个差别.从（1）式还可以看出，如果u′和v都很大，例如十分接近光速，它们的合速度也不会超过光速，也就是说，光速是速度的极限.此外，当u′=c时，不论v取什么值，总有u=c，这表明，从不同参考系中观察，光速都是相同的，这和相对论的第二个假设一致.教学反思。
物理选修3-4课件：15-1、2相对论的诞生
(1)狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规 律都是_相__同__的。
(2)光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都 是_相__同__的。
二、时间和空间的相对性 1．“同时”的相对性 (1)经典的时空观：在同一个惯性系中不同地点同时发生的 两个事件，在另一个惯性系中观察也是同__时___的。
(2)参考系O′相对于参考系O以速度v向右运动时，人看到 的光速应是多少？
(3)参考系O相对于参考系O′以速度v向左运动时，人看到 的光速又是多少？
解析：根据狭义相对论的光速不变原理：真空中的光速在 不同的惯性参考系中都是相同的，光速与光源、观察者间的相 对运动没有关系。因此三种情况下，人观察到的光速都是c。
间隔为
t＝vd＝21.2×4×101－018 s＝4.5×10－10 s
根据时间延缓效应t＝
t0 1－vc22
t0＝t 1－vc22＝4.5×10－10× ＝3.0×10－10 s。
答案：3.0×10－10 s
1－23..204××11008822 s
应用相对论“效应”解题的一般步骤 首先，应该通过审题确定研究对象及研究对象的运动速 度。 其次，明确求解的问题，即明确求解静止参考系中的观察 结果，还是运动参考系中的观察结果。 最后，应用“尺缩效应公式”或“时间延缓效应公式”进 行计算。
答案：(1)c (2)c (3)c
光速不变原理的理解 (1)真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的。 (2)迈克耳孙——莫雷实验证明光速不变原理是正确的。
要点二 时间和空间的相对性
一、时间和空间的相对性 1．“同时”的相对性 (1)经典的时空观：同时是绝对的，即如果两个事件在一个 参考系中被认为是同时的，在另一个参考系中一定也被认为是 同时的。
最新人教版选修(3-4)《课题：相对论简介》教案
最新人教版选修（3-4）《课题：相对论简介》教案教学目的：1．了解相对论的诞生及发展历程2．了解时间和空间的相对性3．了解狭义相对论和广义相对论的内容教学重点：时间和空间的相对性、狭义相对论和广义相对论教学难点：时间和空间的相对性教学过程：一、狭义相对论的基本假设牛顿力学是在研究宏观物体的低速（与光速相比）运动时总结出来的.对于微观粒子,牛顿力学并不适用,在这一章中我们还将看到,对于高速运动,即使是宏观物体,牛顿力学也不适用.19世纪后半叶,关于电磁场的研究不断深入,人们认识到了光的电磁本质.我们已经知道,电磁波是以巨大的速度传播的,因此在电磁场的研究中不断遇到一些矛盾,这些矛盾导致了相对论的出现.相对论不仅给出了物体在高速运动时所遵循的规律,而且改变了我们对于时间和空间的认识,它的建立在物理学和哲学的发展史上树立了一座重要的里程碑.经典的相对性原理如果牛顿运动定律在某个参考系中成立,这个参考系叫做惯性系,相对一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系.我们引用伽利略的一段话,生动地描述了一艘平稳行驶的大船里发生的事情.“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”通过这段描述以及日常经验,人们很容易相信这样一个论述：力学规律在任何惯性系中都是相同的.这个论述叫做伽利略相对性原理.相对性原理可以有不同的表述.例如还可以表述为：在一个惯性参考系内进行任何力学实验都不能判断它是否在相对于另一个惯性参考系做匀速直线运动；或者说,任何惯性系都是平权的.在不同的参考系中观察,物体的运动情况可能不同,例如在一个参考系中物体是静止的,在另一个参考系中看,它可能是运动的,在不同的参考系中它们运动的速度和方向也可能不同.但是,它们在不同的惯性系中遵从的力学规律是一样的,例如遵从同样的牛顿运动定律、同样的运动合成法则……光速引起的困难自从麦克斯韦预言了光的电磁本质以及电磁波的速度以后,物理学家们就在思考,这个速度是对哪一个参考系说的？如果存在一个特殊的参考系O,光对这个参考系的速度是c,另一个参考系O′以速度v沿光传播的方向相对参考系O运动,那么在O′中观测到的光速就应该是c-v,如果参考系O′逆着光的传播方向运动,在参考系O′中观测到的光速就应该是c+v.由于一般物体的运动速度比光速小得多,c+v和c-v与光速c的差别很小,在19世纪的技术条件下很难直接测量,于是物理学家们设计了许多巧妙的实验,力图测出不同参考系中光速的差别.最著名的一个实验是美籍物理学家麦克尔逊设计的.他把一束光分成互相垂直的两束,一束的传播方向和地球运动的方向一致,另一束和地球运动的方向垂直,然后使它们发生干涉,如果不同方向上的光速有微小的差别,当两束光互相置换时干涉条纹就会发生变化.由于地球在宇宙中运动的速度很大,希望它对光速能有较大的影响.但是,这个实验和其他实验都表明,不论光源和观察者做怎样的相对运动,光速都是相同的.这些否定的结果使当时的物理学家感到震惊,因为它和传统的观念,例如速度合成的法则,是矛盾的.狭义相对论的两个假设上面的矛盾使我们面临一个困难的选择：要么放弃麦克斯韦的电磁理论,要么否定特殊参考系的存在.爱因斯坦选择了后者.他认为,既然在不同的惯性系中力学规律都一样,我们会很自然地想到,电磁规律在不同的惯性系中也是一样的,也就是说,并不存在某一个特殊参考系（例如地球参考系、太阳参考系,或者所谓的以太……）爱因斯坦把伽利略的相对性原理推广到电磁规律和一切其他物理规律,成为他的第一个假设：在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的.这个假设通常称为爱因斯坦相对性原理.另一条假设是：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的,与光源的运动和观察者的运动没有关系.这个假设通常叫做光速不变原理.这两个假设似乎是麦克尔逊实验的直接结论,为什么还要叫做假设？这是因为,虽然实验表明了假设所说的内容,但这终归是有限的几次实验.只有在从这两个假设出发,经过逻辑推理（包括数学推导）所得出的大量结论都与事实相符时,它们才能成为真正意义上的原理同时的相对性作为相对论的两个假设的直接推论,现在讨论“同时”的相对性,以体会相对论描述的世界和我们日常的经验有多大的差别.我们研究两个“事件”的同时性.在这里,“事件”可以指一个光子与观测仪器的碰撞,也可以指闪电对地面的打击,还可以指一个婴儿的诞生……假设一列很长的火车在沿平直轨道飞快地匀速行驶.车厢中央有一个光源发出了一个闪光,闪光照到了车厢的前壁和后壁,这是两个事件.车上的观察者认为两个事件是同时的.在他看来这很好解释,因为车厢是个惯性系,光向前、后传播的速度相同,光源又在车厢的中央,闪光当然会同时到达前后两壁（图甲）.车下的观察者则不以为然.他观测到,闪光先到达后壁,后到达前壁.他的解释是：地面也是一个惯性系,闪光向前、后传播的速度对地面也是相同的,但是在闪光飞向两壁的过程中,车厢向前行进了一段距离,所以向前的光传播的路程长些,到达前壁的时刻也就晚些（图乙）,这两个事件不同时. 在经典物理学家的头脑中,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一定也是同时的,这一点似乎天经地义,无需讨论.但是,如果接受了爱因斯坦的两个假设,我们自然会得出“同时是相对的”这样一个结论.为什么在日常生活中没有人觉察到这种相对性？原来,火车运动的速度远远小于光速,光从车厢中央传播到前后两壁的短暂时间内,火车前进不了多大距离,因此地面观察者不会发现闪光到达前壁、后壁的时间差.时间和空间的相对性时间间隔的相对性经典物理学认为,某两个事件,在不同的惯性系中观察,它们发生的时间差,也就是它们的时间间隔,总是相同的.但是,从狭义相对论的两个基本假设出发,我们会看到,时间间隔是相对的.还以高速火车为例,假设车厢地板上有一个光源,发出一个闪光.对于车上的人来说,闪光到达光源正上方h高处的小镜后被反射,回到光源的位置（如图甲）,往返所用的时间为△t′.对于地面的观察者来说,情况有所不同.从地面上看,在光的传播过程中,火车向前运动了一段距离,因此被小镜反射后又被光源接收的闪光是沿路径AMB传播的光（图乙）.如果火车的速度为v,地面观察者测得的闪光从出发到返回光源所用时间记为△t,那么应用勾股定理可得这又是一个令人吃惊的结论：关于闪光从光源出发, 经小镜反射后又回到光源所经历的时间,地面上的人和车上的人测量的结果不一样,地面上的人认为这个时间长些.更严格的推导表明,（1）式具有普遍意义,它意味着,从地面上观察,火车上的时间进程变慢了,由于火车在运动,车上的一切物理、化学过程和生命过程都变慢了：时钟走得慢了,化学反应慢了,甚至人的新陈代谢也变慢了……可是车上的人自己没有这种感觉,他们反而认为地面上的时间进程比火车上的慢,因为他们看到,地面正以同样的速度朝相反的方向运动！（１）式又一次生动地展示了时间的相对性.长度的相对性在这一小节中我们将要说明,高速火车上的一个杆,当它的方向和运动方向平行时,地面上的人测得的杆长要小于火车上的人测得的杆长！假设一个杆沿着车厢运动的方向固定在火车上,和车一起运动.在火车上的人看来,杆是静止的.他利用固定在火车上的坐标轴,测出杆两端的位置坐标,坐标之差就是他测出的杆长L′.地面上的人要利用固定在地面上的坐标轴,测出杆两端的位置坐标,坐标之差就是他测出的杆长L.可是,对于地面上的人,杆是运动的,要使这种测量有意义,他必须同时测出杆两端的位置坐标；如果在某一时刻测出杆一端的位置坐标,在另一时刻测出另一端的位置坐标,坐标之差就不能代表杆长了.火车上的人和地面上的人各自用上述方法测量随车运动的杆长,结果发现,L′＞L.他们两人的测量都是符合测量要求的,但测量结果不同,这跟同时的相对性有关.地面上的人认s为同时的两个事件（同时对A、B两端读数）,火车上的人认为不是同时的.火车上的人认为,地面上的人对B端的读数早些,对A端的读数迟些,在这个时间内杆向前运动了一段距离,因而地面上的人测得的杆长比较短.（2）式具有普遍意义,也就是说,一个杆,当它沿着自身的方向相对于测量者运动时,测得的长度比它静止时的长度小,速度越大,差别也越大.这就是我们所说的空间的相对性.当杆沿着垂直于自身的方向运动时,测得的长度和静止时一样.可以想像这样一幅图景：一列火车以接近光的速度从我们身边飞驶而过,我们感到车厢变短了,车窗变窄了……火车越快,这个现象越明显,但是车厢和车窗的高度都没有变化.车上的人有什么感觉呢？他认为车上的一切都和往常一样,因为他和火车是相对静止的.但是,他却认为地面上的景象有些异常：沿线的电线杆的距离变短了,面对铁路线的正方形布告牌由于宽度变小而高度未变竟成了窄而高的矩形……时空相对性的实验验证从（l）、（2）两式可以看到,只有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.目前的技术还不能使宏观物体达到这样的速度,但是随着对微观粒子研究的不断深入,人们发现,许多情况下粒子的速度会达到光速的90％以上,时空的相对性应该是不可忽略的.事实正是如此.时至今日,不但狭义相对论的所有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.时空相对性的最早证据跟宇宙线的观测有关（1941年）.宇宙线是来自太阳和宇宙深处的高能粒子流,它和高层大气作用,又产生多种粒子,叫做次级宇宙线,它们统称宇宙线.次级宇宙线中有一种粒子叫做μ子,寿命不长,只有 3.0μs,超过这个时间后大多数μ子就衰变为别的粒子了.宇宙线中μ子的速度约为0.99c,所以在它的寿命之内,运动的距离只有约890m.μ子生成的高度在100km以上,这样说来宇宙线中的μ子不可能到达地面.但在实际上,地面观测到的宇宙线中有许多μ子,这只能用相对论来解释.我们说μ子的寿命为 3.0μs,这是在与它相对静止的参考系中说的.从地面参考系看,μ子在以接近光速的速度运动,根据（l）式,它的寿命比3.0μs长得多,在这样长的时间内,许多μ子可以飞到地面.如果观察者和μ子一起运动,这个现象也好解释.这位观察者看到,μ子的寿命仍是 3.0μs,但是大地正向他扑面而来,因此大气层的厚度不是100km,由于长度的相对性,在他看来大气层比100km薄得多,许多μ子在衰变为其他粒子之前可以飞过这样的距离.相对论的第一次宏观验证是在1971年进行的.当时把铯原子钟放在喷气式飞机上作环球飞行,然后与地面上的基准钟对照.实验结果与理论预言符合得很好.相对论的时空观什么是时间？什么是空间？时间和空间有什么性质？经典物理学对这些问题并没有正面回答.但是从它对问题的处理上,我们体会到,经典物理学认为空间好像一个大盒子（一个没有边界的盒子）,它是物质运动的场所.至于某一时刻在某一空间区域是否有物质存在,物质在做什么样的运动,这些对于空间本身没有影响,就像盒子里是否装了东西对于盒子的性质没有影响一样.时间与此相似,它在一分一秒地流逝,与物质的运动无关.换句话说,经典物理学认为空间和时间是脱离物质而存在的,是绝对的,空间与时间之间也是没有联系的.相对论则认为有物质才有空间和时间,空间和时间与物质的运动状态有关.前面已经看到,在一个确定的参考系中观察,运动物体的长度（空间距离）和它上面物理过程的快慢（时间进程）都跟物体的运动状态有关.我们生活在低速运动的世界里,因此自然而然地接受了经典的时空观,过去谁都未曾有意识地考虑过空间与时间的性质.只有当新的实验事实引出的结论与传统观念不一致时,人们才回过头来认真思考过去对于空间和时间的认识.科学的发展和人对于自然界的认识就是这样一步一步地前进的.新科学没有全盘否定经典物理学,经典物理学建立在实验的基础上,它的结论又受到无数次实践的检验.虽然相对论更具有普遍性,但是经典物理学作为它在低速运动时的特例,在自己的适用范围内还将继续发挥作用.狭义相对论的其他三个结论我们不做推导而直接引入狭义相对论的三个重要结论.相对论速度叠加公式仍以高速火车为例.设车对地面的速度为v,车上的人以速度u′沿着火车前进的方向相对火车运动,那么他相对地面的速度u为如果车上人的运动方向与火车的运动方向相反,则u′取负值.这两个速度的方向垂直或成其他角度时,（1）式不适用,这种情况不做讨论按照经典的时空观,u=u′+v.而从（1）式来看,实际上人对地面的速度u比u′与v之和要小,不过只有在u′和v的大小可以与c相比时才会观察到这个差别.从（1）式还可以看出,如果u′和v都很大,例如十分接近光速,它们的合速度也不会超过光速,也就是说,光速是速度的极限.此外,当u′=c时,不论v取什么值,总有u=c,这表明,从不同参考系中观察,光速都是相同的,这和相对论的第二个假设一致.相对论质量按照牛顿力学,物体的质量是不变的,因此一定的力作用在物体上,产生的加速度也是一定的,这样,经过足够长的时间以后物体就可以达到任意大的速度.但是相对论的速度叠加公式告诉我们,物体的运动速度不能无限增加.这个矛盾启发我们思考：物体的质量是否随物体的速度而增大？严格的论证证实了这一点.实际上,物体以速度v运动时的质量m和它静止时的质量m0之间有如下关系：微观粒子的运动速度很高,它的质量明显地大于静止质量,这个现象必须考虑.例如,回旋加速器中被加速的粒子,在速度增大后质量增大,因此做圆周运动的周期变大,它的运动与加在D形盒上的交变电压不再同步,所以回旋加速器中粒子的能量受到了限制.质能方程相对论另一个重要结论就是大家已经学过的爱因斯坦质能方程：E = mc2（3）它表达了物体的质量和它所具有的能量的关系.物体运动时的能量E和静时有以下近似关系于是知道：这就是过去熟悉的动能表达式.这个结果又一次让我们看到,牛顿力学是相对论力学在v<<c时的特例.。