高一物理课件6.1高速世界3(鲁科版必修2).ppt

* 第1节：高速世界 * 前面几章介绍了经典力学（牛顿力学）最基本的内容。 牛顿力学的基础就是以牛顿命名的那三条定律， 这一理论形成于十七世纪，在以后的两个多世纪里， 牛顿力学对科学和技术的发展起了巨大的推动作用， 同时自身也得到了很大发展。 但是，进入二十世纪， 物理学研究的领域开始深入到了微观高速领域， 微观 高速 如原子、电子粒子， 光、电磁波及粒子衰变，速度 为光速或接近光速 空间尺度 * 这时人们发现牛顿力学在这些领域不再适用 物理学的发展要求对牛顿力学以及某些长期 认为是不言自明的基本观念作出根本性的变革， 物理学需要一场革命！ 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 本节介绍相对论的基础知识 * . 伽利略相对性原理 对于第一个问题，牛顿力学的回答是干脆的： 第一个问题 对于不同的参照系， 基本力学定律的形式是完全一样吗？ 对于任何惯性参照系，牛顿定律都成立， 这也就是说，对于不同的惯性参照系， 力学的基本定律牛顿定律的形式是一样的。 这一结论称作伽利略相对性原理或力学相对性原理 一、 经典力学时空观 * 甲 乙 惯性参照系 牛顿定律适用的参照系 相对惯性系作匀速直线运动的参照系 例 甲 乙 站台 * 选择的参考系不同，对运动的描述就不同： 例如：让两小球从同一高度同时自由下落。 符合牛顿运动定律 不符合牛顿运动定律 惯性系非惯性系 * 第二个问题 相对于不同的参照系长度和时间的 测量是一样的吗？ 对于空间和时间测量的问题， 牛顿力学是用绝对空间和绝对时间的概念来回答。 . 绝对时空观 所谓绝对空间是指长度的量度与参照系无关； 绝对时间是指时间的量度与参照系无关 这就是说，两点之间的距离， 无论在那个惯性系中测量都是一样的； 同样，前后发生的两个事件之间的时间， 无论在那个惯性系中测量都是一样的 * 如果甲测的小球 下落时间为 如果乙测的小球下 落时间为 例 甲 乙 站台 * 牛顿本人曾说：“绝对空间，就其本性而言 与外界任何事物无关，而永远是相同的和不动的”， “绝对的、真正的和数学上的时间自己流逝着， 并由于它的本性而均匀地与任何外界对象无关地流逝着。” 按照这种观点：时间和空间是彼此独立， 互不相关并且独立于物质和运动之外的， 不受物质和运动的影响。 绝对时空观 * 根据绝对时空观，得出几个结论 p 同时绝对性 p 时间间隔的绝对性 p 空间距离的绝对性 p 质量恒定不变 * 牛顿的伽利略相对性原理和绝对时空观 是作为两个基本假设提出来的， 它之所以为人们接受承认 一方面是牛顿力学在解决力学问题获得的巨大功； 另一方面观察结果与人们的经验相符。 但是十九世纪中叶， 人们在研究与物体运动有关的电磁现象时， 发现在电磁现象的规律不符合相对性原理 其中最典型的就是光速的问题 * 这一结论还特别为后来的很多精确的实验所证实， 最著名的是1887年迈克尔逊和莫雷所做的实验。 它们都明确无误地证明光速的测量结果与光源和 测量者的相对运动无关，亦即与参照系无关。 可见光和电磁波的运动不服从伽利略相对原理. 任何参照系中测得的光在真空的 速率都应该是这一数值 * 伽利略相对原理和电磁规律的矛盾 促使人们思考下述问题： 绝对时空观的观念是不是需要 修正？ 困惑 ？ 这个时候整个物理学界陷入 * 爱因斯坦: Einstein 现代时空的创始人 20世纪最伟大的科学家 爱因斯坦对这个问题进行 了深入研究， 并在1905年发表了论文 论动体的电动力学 在这篇论文里对上述问题 作出了对整个物理学界乃 至整个科学界都有变革意 义的回答 * 相对论的时空观念与人们固相对论的时空观念与人们固 有的时空观念差别很大，很难被有的时空观念差别很大，很难被 普通人所理解。人们都称赞爱因普通人所理解。人们都称赞爱因 斯坦伟大，但又常常弄不懂这伟斯坦伟大，但又常常弄不懂这伟 大的内容。这使人们想起英国诗大的内容。这使人们想起英国诗 人波谱歌颂牛顿的诗句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，自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中， 上帝说：上帝说：“让牛顿去吧，让牛顿去吧，”于是一切都成为光明。于是一切都成为光明。 后人续写道后人续写道: : 上帝说完多少年之后，上帝说完多少年之后， 魔鬼说：魔鬼说：“让爱因斯坦去吧，让爱因斯坦去吧，”于是一切又回到黑暗中。于是一切又回到黑暗中。 * 在这篇论文中，爱因斯坦提出了两个假设 并在这两个假设的基础上构筑了狭义相对论力学 二、狭义相对论时空观 . 爱因斯坦假设 1. 爱因斯坦相对性原理 物理学定律在所有的惯性系中都是一样的， 也就是说，物理学定律与惯性系的选择无关 爱因斯坦相对性原理和牛顿相对性原理比较， 前者是后者的推广 * 这就使得相对性原理不仅适用于力学现象， 而且适用于所有物理现象，包括电磁现象在内。 2. 光速不变原理 在任何惯性系中， 自由空间（真空）中的光速具有相同的量值 也就是说，不管光源与观察者的相对运动如何， 在任一惯性系中的观察者所观测到的真空中的 光速都是相等的， 就是在看来如此简单且最一般的两个假设的基础上 爱因斯坦建立了一套完整的理论狭义相对论 * 爱因斯坦相对性原理 物理学定律在所有的惯 性系中都是一样的，也 就是说，物理学定律与 惯性系的选择无关 光速不变原理 在任何惯性系中，自由 空间（真空）中的光速 具有相同的量值 Einstein 的相对性理论 是 Newton理论的发展 讨论 一切物 理规律 力学 规律 * 观念上的变革 革命性 (相对性) 光速 同时 时间与空间 质量 经典时空观狭义相对论时空观 相对的绝对的（不变） 绝对的 与运动无关，绝对的 与运动无关，不变的 相对的 与运动有关，相对的 随速度增加而增大 * 、 狭义相对论时空观 1.1.、同时相对性、同时相对性 设想一列火车以速度v匀速向右运动，火车中央 有一信号灯，在经过地面O点时发出一光信号. * 1.1. 、同时相对性、同时相对性 * * 1) 沿两惯性系相对运动方向发生的两个事件，在 其中一个惯性系中表现同时，在另一惯性系中观察 总是在前一惯性系运动的后方那一事件先发生。 2) 对不同参考系，同样两事件之间的时间间隔是不同的。 结论 即：时间量度是相对的，并且与相对运动速度有关。 S相对S 系的速度越大，在S系测两事件的时间间隔就 越长。 * 2. 时间延缓（动钟变慢） 爱因斯坦曾经言， 两个校准好的钟，当一个 沿闭合路线运动返回原地 时，它记录的时间比原地 不动的钟会慢一些。这已 被高精度的铯原子钟超音 速环球飞行实验所证实。 相对论预言 慢 ( 184 23 ) 10 - 9 s 实 测慢 ( 203 10 ) 10 - 9 s 2 2 1 c u t t - = D D * 双生子佯谬 是一对双生子。 乘高速飞船到太空 和遨游一段 比自己老了，根据运动的相对性 ， 和 运动的时钟变慢了，但运动是相对的， 都认为对方的钟在运动，这将会导致 双方都认为对方的钟变慢了的矛盾结论。这就是时钟佯谬。 若 时间后返回地球 ， 发现对方 将会得出也发现 对方比自己老了的矛盾结论。称为双生子佯谬。 实际上这种谬误是不会发生的，由于两个时钟或两个双生子的 运动状态并不对称（ 例如， 飞离、返回要经历加、减速运动过程 ），其结果一定是 的时钟变慢了， 双生子 一定比 年轻 。 附： * S O X Y O S 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 3. 动尺变短（空间收缩效应） 斐克小伙剑术精， 出刺迅捷如流星， 由于空间收缩性， 长剑变成小铁钉. * 检测题 l 有关科学家和涉及的事 实，正确的说法是 l A哥白尼创立了日心 说 l B伽利略发现了行星 运动规律 l C. 惠更斯解决了弹性 碰撞问题 l D爱因斯坦提出了量 子论 ( A C )( A C ) * 检测题 l 一列火车以速度v相对地面运动如果地 面上的人测得，某光源发出的闪光同时到 达车厢的前壁和后壁，以下说法中正确的 是 lA火车上的人测得，闪光先到达前壁 lB火车上的人测得，闪光先到达后壁 lC火车上的人测得，闪光同时到达车厢 的前壁 和后壁 lD条件不足，无法确定 ( A )( A ) * 检测 题 l 有三个完全相同的时钟，时钟A放在 地面上，时钟B、C分别放在两个火 箭上，以速度vB和vC朝同一方向飞 行，vBvC 对于地面上的观察者 来说，则以下说法中正确的是 l A时钟A走得最慢 B时钟B走 得最慢