【公开课】相对论时空观与牛顿力学的局限性+课件高一下学期物理人教版（2019）必修第二册

第节5相对论时空观与

牛顿力学的局限性高中物理必修第二册第七章V水=5m/sv船=5m/s轮船相对河岸的速度是多少？课堂引入V人=0.2倍光速飞船上宇航员发出的激光速度是多少？答案：等于光速！议一议课堂引入绝对的真实的数学时间，就其本质而言，是永远均匀地流逝，与任何外界无关，绝对空间就其本质而言是与任何外界事物无关的，它从不运动，并且永远不变，这就是经典力学的时空观。也称绝对时空观。绝对时空观：牛顿：“如果说我看得远，那是因为我站在巨人们的肩上。”一、经典力学中的速度叠加我们知道，如果河水中的河水以相对河岸的速度v水岸流动，河中的船以相对于水的速度v船水顺流而下，则船相对于岸边的速度为v船岸=v船水+v水岸V水=5m/sV船=5m/s因此，前面问题的答案似乎应为1.2c。然而，事实并非如此。真空中的光速是宇宙中最快的速度。这里怎么出现了1.2倍的光速呢？显然，在哪里出现了问题！思考与讨论一、经典力学中的速度叠加

十九世纪，英国科学家麦克斯韦，提出了电磁场理论，预言了电磁波的存在，并从理论上证明了，电磁波传播的速度等于光速。人们不禁要问：这个速度是相对哪个参考系而言的呢？麦克斯韦（1831—1879）1.牛顿力学与电磁理论的冲突一、经典力学中的速度叠加1887年，美国科学家迈克尔逊和莫雷通过实验证明了，在不同的参考系中，光的传播速度都是一样的！这与牛顿力学中，不同的参考系之间的速度变换关系（伽利略变换）不符！

在实验事实的面前，许多物理学家，仍然立足在牛顿力学时空观的基础上，想通过一些理论上的修补工作，解释实验现象。阿尔伯特·迈克尔逊（1852—1931）但都没有成功！迈克尔—逊莫雷实验二、相对论时空观

以爱因斯坦和庞加莱为代表的另一批物理学家，坚决主张，彻底放弃某些与实验事实不相符的观念，如绝对时间的观念，在实验事实的基础上，大胆提出，能够更好地解释实验现象的假设。儒勒·庞加莱（法）（1854-1912）新思想代表人物二、相对论时空观2.相对论的两个基本假设（1）相对性原理：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的。（2）光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中，大小都是相同的。阿尔伯特·爱因斯坦（1879—1955）

这两个假设看起来平淡无奇，但如果接受了这两个假设的观点，并用它来分析问题，可能会在我们的头脑中引起一场轩然大波！二、相对论时空观

相对论的时空观念与人们固有的时空观念差别很大，很难被普通人所理解。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的诗句:自然和自然的法则在黑暗中隐藏；上帝说，让牛顿去吧！于是一切都被照亮。魔鬼说，让爱因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。世人的疑惑二、相对论时空观爱因斯坦的解读“当你和一个美丽的姑娘在一起坐一小时，你感觉只坐了一分钟，当你坐在火炉旁一分钟，就好象坐了一小时，这就是相对论。”二、相对论时空观同时性是相对的车上的观察者:闪光同时到达车厢的前后两壁（图甲）地面上的观察者:闪光先到达车厢后壁，后到达前壁（图乙）同时的相对性二、相对论时空观

由此可见，时间不再是绝对的，而是相对的，这种情况被称为时间延缓效应。

如果相对地面以v运动的某惯性参考系上的人，观察与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为t0，地面上的人观察该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为t，两者之间的关系为：时间延缓效应二、相对论时空观相对论的思想实验：有一对双胞胎兄弟，其中一个跨上一宇宙飞船作长程太空旅行，而另一个则留在地球。结果当旅行者回到地球后，我们发现他比他留在地球的兄弟更年轻。双生子佯谬二、相对论时空观1971年，两位科学家利用数台铯原子钟，其中四台放到飞机里，地面上留一台作为标准钟，随后让飞机在赤道附近环球飞行，一次往西一次往东，每次耗费的时间大约是三天，最后看飞机上的原子钟和地面原子钟的时间差异。实际值：向东飞行一圈，飞机上的时间比地面慢了59纳秒左右；而向西飞行时，飞机上时间比地面时间快了273纳秒左右。二、相对论时空观

如果有一根杆，与杆相对静止的人测得杆长是l0，沿着杆的方向，以速度v相对杆运动的人测得杆长是l，那么l0与l两者之间的关系是：

由此可见，空间距离也不再是绝对的，而是相对的，这种情况被称为长度收缩效应。长度收缩效应二、相对论时空观

由上面两个式子可以知道，运动物体的长度（空间距离）和物理过程的快慢（时间进程）都跟物体运动状态有关。这个结论具有革命性的意义，它反映的时空观称作相对论时空观。相对论的时空观二、相对论时空观物理学史上的”里程碑”牛顿主要贡献牛顿运动定律万有引力定律经典力学的金字塔牛顿伽利略、第谷哥白尼、亚里士多德笛卡尔、胡克、哈雷等经典力学金字塔的建立开普勒牛顿说：“如果说我看得远，那是因为我站在巨人们的肩上。”

经典力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律更确立了牛顿的地位，牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的广阔领域，经受实践检验。在宏观低速的世界：一切都理所当然？宏观物体低速运动（远小于光速），经典力学完全适用。时间和空间没有联系，相互独立，与物体及其运动状态都没有关系。物体的相关物理量（位移、质量、大小等）与物体的运动状态都无关。当一些问题(如微观领域的深入)牛顿解释不了时，它就只好用上帝的万能来解释，为此牛顿花费了后半生的心血，这正是牛顿的悲剧。三、经典力学的局限性从低速到高速（接近光速）随着物体速度的加快，时间会变慢。将一个钟表留在地面上，而携带另一个以很快速度移动，随后进行比较，地上的钟表总比快速移动的快。物体以接近光速运行时所表现出的长度会比它静止时更短。爱因斯坦指出，任何物体以光速运动时，其长度将会缩短为零。物体的质量随速度的增大而增大1905年，爱因斯坦提出，物体高速时（接近光速），物体所占空间（如长度），物理、化学过程，生命持续时间，都与运动状态有关，时空都与运动相关联了------------狭义相对论三、经典力学的局限性从宏观到微观19世纪末-20世纪初，深入到微观领域，发现电子、质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性，同时还具有波动性，很多情况下经典力学说明不了。——量子力学三、经典力学的局限性从弱引力到强引力物体间的万有引力是弱引力，经典力学适用天体半径减小到一定程度时