第七章 第5节相对论时空观与牛顿力学的局限性-人教版高中物理

第5节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物理新知导入设想人类可以利用飞船以0.2c的速度进行星际航行。若飞船向正前方的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?1.感受牛顿力学在高速世界与事实的矛盾，知道牛顿力学只适用于低速、宏观物体的运动。知道相对论、量子论有助于人类认识高速、微观领域。2.知道爱因斯坦狭义相对论的基本假设，知道长度相对性和时间间隔相对性的表达式。3.了解宇宙起源的大爆炸理论，知道科学真理是相对的，未知世界必将在人类不懈的探索中被揭开更多的谜底。学习目标新知讲解一、

相对论时空观绝对时空观生活经验让我们体会到，时间像一条看不见的“长河”，均匀地自行流逝着，空间像一个广阔无边的房间，它们都不影响物体及其运动。也就是说，时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的。这种绝对时空观，也叫牛顿力学时空观。新知讲解一、

相对论时空观麦克斯韦（1831—1879）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？牛顿力学与电磁理论的冲突新知讲解一、

相对论时空观阿尔伯特·迈克尔孙（1852—1931）1887年，美国科学家迈克尔孙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。新知讲解一、

相对论时空观阅读教材文本，了解19世纪科学家对于光速问题的研究，麦克斯韦和迈克耳孙分别从理论和实验角度对这一问题进行了思考，爱因斯坦在前人研究的基础之上提出了哪两条基本假设？儒勒·庞加莱（法）（1854-1912）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。新知讲解一、

相对论时空观阿尔伯特·爱因斯坦（1879—1955）相对论的两个基本假设相对性原理：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的。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。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！新知讲解一、

相对论时空观爱因斯坦对相对论的解释:“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，就好像坐了一小时，这就是相对论。”新知讲解一、

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。问题1：以火车为参考系，闪光是否同时到达前壁和后壁？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。新知讲解一、

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。问题2：以地面为参考系，光刚从光源发出，光离前后壁的距离是否相等？经过Δt后光离前后壁的距离是否相等？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。他观察到闪光先到达后壁。同时性是相对的新知讲解一、

相对论时空观相对地面以v运动的人观察到完成某个动作的时间间隔Δτ，地面上的人观察该动作完成的时间间隔Δt，两者满足什么样的关系？时间间隔Δτ和时间间隔Δt满足以下关系：总有Δt>Δτ，此种情况称为时间延缓效应（钟慢效应）新知讲解一、

相对论时空观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，那么两者之间又有什么样的关系？杆长l0和杆长l之间满足：总有l<l0，此种情况称为长度收缩效应（尺缩效应）。新知讲解一、

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。新知讲解一、

相对论时空观宇宙射线中有大量的μ子以0.99c的速度飞行，根据经典理论可计算每秒到达地球μ子数，这个数值小于实际观察到的μ子数。实验现象与经典理论产生了矛盾，能否用本节所学的内容来进行解释？由于μ子的高速运动，地面的观测者看来，其寿命变长，能够到达地面.从μ子的参考系来看，地面向它高速飞来，由于高速运动，这段距离变短，也能够到达地面，这是从尺缩的角度来讨论。两种不同角度看待这个问题，能够解释同样的现象，这也说明了惯性系的等价性与相对论理论的自洽性。新知讲解一、

相对论时空观将铯原子钟放在飞机上，沿赤道向东和向西绕地球一周，回到原处后，分别比静止在地面上的钟慢59纳秒和快273纳秒。实验结果与理论预言符合的很好。这是相对论的第一次宏观验证。新知讲解二、

牛顿力学的成就与局限性大到天体运动，小到生活中各种各样的运动，都符合牛顿经典力学，牛顿经典力学覆盖着极广大的范围。新知讲解二、

牛顿力学的成就与局限性1.牛顿力学的伟大成就（1）把人类对整个自然界的认识推进到一个新水平，牛顿从力学上证明了自然界的统一。（2）牛顿力学的建立首次明确了一切自然科学理论应有的基本特征，这标志着近代理论自然科学的诞生，也成为其他各门自然科学的典范。（3）

将“实验和数学”相结合的方法推广到物理学的各个分支，形成了完整的经典力学体系。牛顿力学的建立对自然科学和科技的发展、社会的进步具有深远影响：①牛顿力学形成的科学研究方法的推广应用；②牛顿力学与其他基础科学相结合产生了许多交叉学科，促进了自然科学的进一步发展；③牛顿力学在科学技术上有广泛的应用，促进了社会文明的发展。新知讲解二、

牛顿力学的成就与局限性2.牛顿力学的局限性和适用范围（1）牛顿力学只适用于处理物体的低速运动（）；不适用于物体的高速运动（2）牛顿力学只适用于宏观物体；不适用于微观领域中物质结构和能量不连续的现象（量子力学）（3）牛顿力学规律只在惯性参考系中成立牛顿力学规律只能用于宏观、低速(与光速相比）的情形，且只在惯性参考系中成立。新知讲解二、

牛顿力学的成就与局限性

如果一定要某个人、某一天作为近代科学诞生的标志，我选牛顿《自然哲学的数学原理》在1687年出版的那一天。——杨振宁

像一切科学一样，牛顿力学没有也不会穷尽一切真理，它也有自己的局限性。它像一切科学理论一样，是一部“未完成的交响曲”。【例题1】有关相对论以下说法不正确的是（）A．爱因斯坦假设在不同的惯性参考系中，物理规律的形式是相同的B．根据经典理论计算出每秒到达地球的μ子数大于实际观测到的μ子数C．相对论时空观的第一次宏观验证是在地面上将四只铯原子钟调整同步，然后把它们分别放在两架喷气式飞机上做环球飞行，一架向东飞，另一架向西飞D．除了高速运动，牛顿力学在其它方面也有局限性典例探究【例题分析】爱因斯坦假设在不同的惯性参考系中，物理规律的形式是相同的；根据经典理论计算出每秒到达地球的μ子数小于实际观测到的μ子数；相对论时空观的第一次宏观验证是在地面上将四只铯原子钟调整同步，然后把它们分别放在两架喷气式飞机上做环球飞行，一架向东飞，另一架向西飞；除了高速运动，牛顿力学在微观世界也有局限性。B典例探究【变式训练1】关于牛顿力学、相对论和量子力学的说法，正确的是（）A．牛顿力学仅适用于宏观、低速运动的物体B．在不同惯性系中物理规律是不同的C．真空中一艘速度为0.7c的飞船上发出一束光线，则光速为1.7cD．在速度为0.7c的飞船上观察地面上的物体长度为L，则物体的实际长度比L短A【例题2】一枚静止时长30m的火箭以光速的的速度从观察者的身边掠过，计算：（1）箭上的人测得火箭的长度应为多少？（2）观察者测得火箭的长度应为多少？（3）火箭上有一只完好的手表走过了3min，则地面上的人认为它走过这3min“实际”上花了多少时间？典例探究典例探究典例探究B评价反馈1.你现在正在完成60分钟的物理考试，假设一艘飞船相对你以0.3c的速度匀速飞过（c为真空中的光速），则飞船上的观察者根据相对论认为你考完这场考试所用时间（

）A．大于60分钟 B．等于60分钟C．小于60分钟 D．不能确定A2.

下列物理情境中，经典的牛顿力学不再适用的是（

）A．“高鸟黄云暮”中的运动 B．部落中的骑马射箭、挥刀逐鹿C．“三体”小说中的光速飞船 D．“逐道”训练时，在空中的啦啦操队员C评价反馈3．(多选)关于经典时空观和相对论时空观，下列说法正确的是（）A．经典时空观认为时间和空间是独立于物体及其运动而存在的B．相对论时空观认为时间和空间与物