人教版高中物理必修二 （相对论时空观与牛顿力学的局限性）万有引力与宇宙航行教学课件

相对论时空观与牛顿力学的局限性

上节回顾三种宇宙速度同步卫星近地卫星第一宇宙速度第二宇宙速度第三宇宙速度生活经验让我们体会到，时间好像一条看不见的长河，均匀地自行流逝着，空间好像一个广阔无边的大房间，它们彼此独立，都不影响物体及其运动。这种绝对时空观，也叫牛顿力学时空观。我们知道，如果河水中的河水以相对河岸的速度v水流动，河中的船以相对于水的速度v船顺流而下，则船相对于岸边的速度为v合=v船+v水v=v0+v1这类表达式，又被称为伽利略变换，是牛顿力学，研究相对运动问题的基本原理之一。如果有一艘飞船，相对地面以速度v0=0.2c（c为真空中的光速）匀速运动，从飞船上，沿飞船前进方向，射出一束光，在地面上的人看来，这束光传播的速度是否应为v=v0+c=1.2c呢？1.2倍的光速与我们中学里学到的，真空中的光速是宇宙中最快的速度两者不相符。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。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。爱因斯坦假设：①在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的。②真空中的光速在不同的惯性参考系中，大小都是相同的。

假设一列火车沿平直轨道飞快地匀速行驶。车厢中央的光源发出了一个闪光，闪光照到了车厢的前壁和后壁。车上的观察者以车厢为参考系，因为车厢是个惯性系，光向前、后传播的速率相同，光源又在车厢的中央，闪光当然会同时到达前后两壁对于车下的观察者来说，他以地面为参考系，因闪光向前、后传播的速率对地面也是相同的，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。他观测到的结果应该是：闪光先到达后壁，后到达前壁(图7.5-1乙)。因此，这两个事件不是同时发生的由此可见，时间不再是绝对的，而是相对的，这种情况被称为：时间的延缓效应。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，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Δt，两者之间的关系为：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的收缩效应。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。这两个式子中都有一个因式：当物体运动的速度v远小于c时趋近于1。与牛顿经典力学的时空观一致原来牛顿力学时空观是相对论时空观在低速运动情况下的特例。经典力学的巨大成就(1)把天体运动与地面上物体的运动统一起来．(2)经典力学和以经典力学为基础发展起来的天体力学、材料力学和结构力学等．(3)力学和热力学的发展及其与生产的结合引发了第一次工业革命．(4)由牛顿运动定律导出的动量守恒定律、机械能守恒定律等是航空航天技术的理论基础．经典力学的局限性1．经典力学是从日常机械运动中总结出来的，超出这个范围，经典力学常常就不适用了．2．绝对时空观：牛顿认为，时间、空间与物质及其运动完全无关，时间与空间也完全无关．正确理解绝对时空观①时间和空间是分离的，时间尺度和空间尺度与物质运动无关，都是绝对的．②经典力学的时空观认为，时间就其本质而言是永远均匀地流逝，与任何其他外界事物无关，空间就其本质而言与外界任何事物无关，它从不运动，并且永远不变．由绝对时空观得到的结论①同时的绝对性在一个惯性系中的观察者在某一时刻观测到两个事件，对另一个做匀速直线运动的惯性系中的观察者来说是同时发生的，即同时性与观察者的运动状态无关．②时间间隔的绝对性任何事件(或物体的运动)所经历的时间，在不同的参考系中测量都是相同的，而与参考系(或观察者)的运动无关．③空间距离的绝对性如果各个惯性系中用来测量长度的标准相同，那么空间两点的距离也就有绝对不变的量值，而与惯性系的选择(或观察者的运动状态)无关．经典力学的绝对时空观，割裂了时间、空间、物质及其运动之间的联系，不能解释高速运动领域的许多客观现象．经典力学的运动观，从自然观角度来说，给出的是一幅机械运动的图景，不能解释微观世界丰富多彩的现象．经典力学有它的适用范围：只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界；只适用于弱引力情况，不适用于强引力情况．经典力学有它的适用范围：只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界；只适用于弱引力情况，不适用于强引力情况．对于高速运动(速度接近真空中的光速)，需要应用爱因斯坦的相对论．当物体的运动速度远小于真空中的光速时，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别．对于微观世界，需要应用量子力学．当普朗克常量可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别．对于强引力情况，需要应用爱因斯坦引力理论．当天体的实际半径远大于它们的引力半径时，爱因斯坦引力理论和牛顿万有引力定律计算出的力的差异并不很大．下列说法中正确的是()A．牛顿运动定律就是经典力学B．经典力学的基础是牛顿运动定律C．牛顿运动定律可以解决自然界中所有的问题D．经典力学可以解决自然界中所有的问题B经典力学只适用于“宏观世界”．这里的“宏观世界”是指()A．行星、恒星、星系等巨大的物质领域B．地球表面上的物质世界C．人眼能看到的物质世界D．不涉及分子、原子、电子等微观粒子的物质世界D关于经典力学的成就，下列论述正确的是()A．经典力学第一次实现了对自然界认识的理论大综合B．经典力学第一次预言了宇宙中黑洞的存在C．经典力学第一次向人们展示了时间的相对性D．人们借助于经典力学中的研究方法，建立了完整的经典物理学体系AD关于经典力学的局限性，下列说法正确的是()A．经典力学没有局限性B．经典力学的应用受到物体运动速度的限制，当物体运动的速度接近于真空中的光速时，经典力学就不适用了C．经典力学不适用于微观领域中物质结构和能量不连续的现象D．经典力学的时间和空间分离的观点不准确BCD根据经典物理学知识，人们对时间和空间的认识，下列说法正确的是()A．时间和空间是绝对的，与物质的存在和物质的运动都无关B．时间和空间可以脱离物质而独立存在，二者之间也无联系C．时间和空间可以脱离物质而独立存在，二者之间存在一定的联系D．时间和空间不能脱离物质而独立存在，二者之间存在一定的联系AB课堂小结1.相对论时空观2.牛顿力学的成就和局限性时间的延缓效应长度的收缩效应牛顿力学只适用于低速、宏观问题。没有绝对时间，也没有绝对空间，时间和空间都是相对的。THANKS谢谢聆听5相对论时空观与牛顿力学的局限性第七章万有引力与宇宙航行

新课引入新课引入以光速远离时钟塔看时钟塔上的指针是怎样的？实验上时钟塔的指针应是怎样的？一、相对论时空观19世纪，英国物理学家麦克斯韦根据电磁场理论预言了电磁波的存在，并证明电磁波的传播速度等于光速c。电磁波的预言疑问实验人们的疑问：这个速度是相对哪个参考系而言的？1887年的迈克耳孙—莫雷实验以及其他一些实验表明：在不同的参考系中，光的传播速度都是一样的。一、相对论时空观如何解决？放弃绝对时空观一、相对论时空观12相对性原理光速不变原理所有物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式。真空中的光速相对于任何惯性系沿任一方向恒为c，并与光源运动无关。狭义相对论的两条基本假设一、相对论时空观假设一列火车沿平直轨道飞快地匀速行驶。车厢中央的光源发出了一个闪光，闪光照到了车厢的前壁和后壁。车上的人观察光到达前壁和后壁同时发生。地面的人观察光到达前壁和后壁不是同时发生的。同时的相对性一、相对论时空观时间延缓效应如果相对于地面以v运动的惯性参考系上的人观察到与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为Δτ，地面上的人观察到该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为Δt，那么两者之间的关系是由于v<c，所以总有Δt>Δτ，此种情况称为时间延缓效应。一、相对论时空观长度收缩效应如果与杆相对静止的人测得杆长是l0，沿着杆的方向，以v相对杆运动的人测得杆长是l，那么两者之间的关系是由于v<c，所以总有l>l0，此种情况称为长度收缩效应。一、相对论时空观已知μ子低速运动的平均寿命为3.0μs。有文献报道从1981m的高山上测得563个μ子，μ子下降的速率为0.99c，在海平面几乎全部测到这些μ子。μ子在其寿命期间下降的高度为h=3.0μs×0.99c=891m。即在海平面应该探测不到这些μ子，为什么会出现这种现象？以μ子为参考系，其下降的高度为在此时间内μ子可以下降的高度为即μ子在其寿命期内可以下降到海平面上。一、相对论时空观以地面为参考系，μ子的寿命为在此时间内μ子可以下降的高度为即μ子在其寿命期间内可以下降到海平面。已知μ子低速运动的平均寿命为3.0μs。有文献报道从1981m的高山上测得563个μ子，μ子下降的速率为0.99c，在海平面几乎全部测到这些μ子。μ子在其寿命期间下降的高度为h=3.0μs×0.99c=891m。即在海平面应该探测不到这些μ子，为什么会出现这种现象？二、牛顿力学的成就与局限性牛顿力学宏观低速!微观!高速v<<c可与光速相比二、牛顿力学的成就与局限性相对论不是为取代牛顿力学而出现的。可将牛顿力学看作相对论的一个特例。宏观低速时，相对论描述自然地过渡到了牛顿力学。真理是相对的。典题剖析例1假设地面上有一火车以接近光速的速度运行，其内站立着一个中等身材的人，站在路旁的人观察车里的人，观察的结果是()A．这个人是一个矮胖子B．这个