【物理】相对论时空观与牛顿力学的局限性课件 2023-2024学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册

相对论时空观与牛顿力学的局限性

人教版

高一

物理课前思考河水相对于河岸的速度为vs，河中的船以相对于水的速度vc

顺流而下，则船相对于河岸的速度为vs+vc设想，人类若可以利用飞船以0.2倍光速（0.2c）的速度进行星际航行，若飞船向前方某一星球发射一束激光，该星球上的观察者测量到的激光的速度是多少？有人说世界上最快的速度是光速c=3×108m/s，你能想到哪些提升光速的方法呢？这些方法科学家想过吗？神奇的光速光速为什么不会变？怎么知道光速是不变的？是理论推导还是实验验证？如果光速不变，会引起什么后果？会不会有新的时空理论的产生？材料1：迈克尔逊-莫雷实验1887年，美国科学家迈克尔逊和莫雷认为，如果光速是以某一静止的物体为参考系的，那么由于地球相对于太阳公转速度是30km/s，则不同方向上的光应当有c+v或者c-v这种形式的变化。他们发明了迈克尔逊-莫雷干涉仪进行实验，但实验的结果为零。这意味着，光在不同方向上传播速度的大小都是相同的。材料2：超新星的观测结果宋仁宗时期，曾有超新星爆发现象。这次超新星爆发现象从1054年到1056年，持续了22个月内皆肉眼可见。而超新星的遗迹则成为了金牛座的蟹状星云。当一颗超新星爆发时候，其物质会向四面八方飞散，一部分靠近地球，另一部分远离地球。材料2：超新星的观测结果如果光速满足速度合成公式c+v如图所示，从A点发出的光到达地球的时间是t=L/（c+v），B点发出的光到达地球的时间是t’=L/c.蟹状星云距离地球5000光年，超新星爆发速度则是1500km/s请大家估算一下，如果上述条件成立，则我们可以观测到超新星爆发的时间是多少？你的计算结果与记载是否吻合？ABLcc+v材料3：爱因斯坦的“追光”实验爱因斯坦16岁时候曾思考，如果自己能够追上光，那么他就会看到在时空中震荡着却又停滞不前的电磁波。根据电磁场理论，这种电磁波是不存在的。这样就形成了一个悖论。归纳整理材料1告诉我们——光速与观测者的运动无关。材料2告诉我们——光速与光源的运动无关。材料3则告诉我们——（以下为爱因斯坦亲自讲述）“只要时间的绝对性或同时性的绝对性这条公理不知不觉地留在潜意识中，那么任何想要令人满意地澄清这个悖论的尝试，都是注定要失败的。我所看到的一切，应当像一个相对于地球静止的观察者看到的一样。”光速不变原理上述材料表明，光速不满足c+v这样的速度合成规律。换而言之，光速具有绝对性。当光在真空中传播时候，它的速度总是一样的。爱因斯坦假设：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的；真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。同时的相对性经典力学时空观中，时间和空间都是绝对的，物体的运动与时间的流逝、空间的尺度都没有关系；在狭义相对论中，时间和空间不再是绝对的，而是统一在一个四维时空之中。物体的运动对时间的流逝、空间的尺度都会产生影响。因此，在相对论时空观中，会有一些与“常识”不同的观测效应。其中，可以直接由狭义相对论的基本假设得到的，即为同时的相对性。爱因斯坦的火车一列火车以速度v相对于地面匀速运动，位于火车车厢正中间的光源，某一时刻发出了一个闪光，如图所示。以火车为参考系，闪光是否同时到达前壁和后壁？以地面为参考系，根据光速不变，闪光是否同时到达前壁和后壁？比较两种推理结果，你有什么想法？同时的相对性牛顿力学狭义相对论光速相对的绝对的同时绝对的相对的可能有物理联系的两事件的次序绝对的绝对的钟慢效应的推导

钟慢效应的推导

钟慢效应

尺缩效应

菲克小伙剑术精，出刺迅捷如流星。由于空间收缩性，长剑变成小铁钉。相对论时空观动钟变慢，动尺变短。上述效应告诉我们：运动物体的长度(空间距离)和物理过程的快慢(时间进程)都跟物体的运动状态有关。这个结论具有革命性的意义，它所反映的时空观称作相对论时空观。牛顿力学过时了吗？爱因斯坦的相对论是革命性的，他拓展了牛顿力学的时空观念。但不可否认牛顿力学的伟大成就。牛顿力学统一了天上的力和地上的力，能够解释大量的实验现象和天文现象。如今牛顿力学并未被否认，而是被纳入了新的理论之中，作为某些条件下的特殊情境。因此，牛顿力学不会过时。站在巨人的肩膀上科学乃至整个文明是积累前进的，每次超越都建立在已有的成果之上。谁站在巨人的肩膀上，谁就看得更远。未来要想超越爱因斯坦，就必须继承和发扬广义相对论的优美之处。科学的探究永无止境，每一代人都有继续探究的责任。广义相对论的成就广义相对论能够解释牛顿万有引力所无法解释的天文现象，如水星的近日点进动、引力红移等。并且还能预言黑洞、引力波等天文现象。基于广义相对论的现代宇宙学，也取得了巨大的进展。惠勒：物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动大爆炸宇宙学大爆炸思想的起源可以追溯到比利时神父勒梅特和美国天文学家哈勃，后来又在伽莫夫等人的工作下正式形成理论体系。宇宙大爆炸理论认为，宇宙是由密到疏，由热到冷逐渐演化的。极早期宇宙中，基本粒子不断碰撞且剧烈地相互反应，相互转化，但这一动态平衡仅仅存在了不足一分钟时间。随着宇宙的膨胀，温度逐渐下降，而氢、氦等化学元素则开始形成，此时宇宙的温度依然非常高，热辐射十分剧烈。随后，随着宇宙的温度逐渐降低，星云、恒星、星系、星系团等结构逐渐出现。爱因斯坦手稿宇宙大爆炸示意图思考与练习1.爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设是什么？2.时间延缓效应和长度收缩效应的公式是什么？3.牛顿力学的适用范围是什么？为什么平时我们没有感受到相对论时空观的影响？4.（小组作业）从狭义相对论到广义相对论，爱因斯坦经历了十年的艰苦的探究历程。爱因斯坦是孤军奋战的吗？有哪些科学家在广义相对论的建立过程中起到了不可磨灭的贡献？请大家收集相关资料，以小论文的形式完成对上述问题的思考与整理。推荐阅读1.相对论之路

[以]哈诺赫·古特弗罗因德/[德]于尔根·雷恩

译者:李新洲/