75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

7.5相对论时空与牛顿力学的局限性

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。若河中的水以相对于岸的速度v水岸流动，河中的船以相对于水的速度v船水顺流而下，则船相对于岸的速度为v船岸＝v船水＋v水岸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。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？答案似乎应为1.2c。然而，事实并非如此！因为经典力学不再适用。经典力学只适用于解决低速运动问题，不能用来处理高速运动问题，要解决这一问题就需要用到相对论时空观。一、相对论时空观一、相对论时空观

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。麦克斯韦（1831—1879）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。阿尔伯特·迈克尔逊（1852—1931）但都没有成功！迈克尔孙—莫雷实验（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,表明在任何惯性系中研究某个物体的某一运动过程，其运动规律形式不变。1.爱因斯坦的两个假设（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。表明了经典时空观与相对论时空观的不同。在经典物理学中，如果两个事件在一个参考系中是同时的，在另一个参考系中一定也是同时的。但是，如果按照爱因斯坦的两个假设，结论还是这样吗？2.相对论时空观的内容根据爱因斯坦假设：真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的，两个事件在一个参考系中是同时的，在另一个参考系中不一定也是同时的。认为时间和空间是相互联系、相互影响的，并且与物质的存在及运动有关。例如：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。（1）车上的观察者以车厢为参考系，闪光到达前后两壁的时间相同吗？（2）车下的观察者来说，以地面为参考系，闪光到达前后两壁的时间相同吗？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）同时性是相对的3.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Δτ，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：由于物体的速度不可能达到光速，故＜1

总有Δt>Δτ，时间不再是绝对的，而是相对的。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：4.长度收缩效应5.运动的物体质量变大由于物体的速度不可能达到光速，故＜0总有l＜l0，空间距离也不再是绝对的，而是相对的。

经典时空观狭义相对论时空观光速相对的绝对的（不变）同时绝对的相对的时间与空间与运动无关与运动有关质量与运动无关随速度增大而增大梳理深化思考1：有一种基本粒子叫μ子，当它低速运动时，它的平均寿命是3.0μs，当μ子以0.99c的速度飞行时，若以μ子为参考系，μ子的平均寿命是多少？若以地面为参考系，μ子的平均寿命是多少？相对于光速而言，低速可近似认为0，若选μ子为参考系，μ子的平均寿命为t1=3.0μs

若以地面为参考系，μ子的平均寿命为：

思考2：事实上到达地面的μ子，大多产生于距地面8km的高空，科学家们根据经典理论，可以计算出每秒到达地面的μ子个数，但这个理论数值小于实际观察到μ子个数，这是为什么呢？由于钟慢效应，对于地面观察者看来，μ子的平均寿命，已不是3.0μs了，而是约为21μs，在这段时间内，μ子可以飞行更远的距离，更多的μ子都能飞越8km的距离到达地面。1.成就：

牛顿力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律的建立与应用更是确定了人们对牛顿力学的尊敬。在宏观物体做低速运动的广阔领域，牛顿力学与实际相符合，显示了牛顿运动定律的正确性和牛顿力学的魅力。2.局限性:（1）微观世界：电子、质子、中子等微观粒子，发现它们不仅具有粒子性，同时还具有波动性，它们的运动规律在很多情况下不能用牛顿力学来说明。（2）牛顿力学只适用于低速运动，不适用于高速运动。二、牛顿力学的成就与局限性低速与高速①低速：通常所见物体的运动，如：行驶的汽车、发射的导弹、人造地球卫星及宇宙飞船等物体称为低速。②高速：有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近，这样的称为高速。3.相对论和量子力学与牛顿力学的关系：

当物体的运动速度远小于光速c时，相对论物理学与牛顿力学的结论没有区别；当另一个重要常数即普朗克常量h可以忽略不计时，量子力学和牛顿力学的结论没有区别。

相对论和量子力学都没有否定牛顿力学，只是认为牛顿力学是在一定条件下的特殊情形。它们互为补充，互不矛盾，互不否定地共同支撑起物理学科的骨架。相对论时空观与牛顿力学的局限性相对论时空观爱因斯坦假设

牛顿力学的成就与局限性成就：形成了完整的经典力学体系局限性：微观、高速、强力不适用相对论、量子力学和经典力学的关系：互为补充，互不矛盾，互不否定，共同支撑起物理学科的骨架。1.关于牛顿力学和狭义相对论，下列说法正确的是（）A．牛顿力学适用于宏观世界弱引力场中的低速运动B．牛顿力学适用于分析高速运动的μ子的寿命C．在狭义相对论中，真空中光速是可变的D．在狭义相对论中，物体的能量与质量无关2.设某人在以速度为0.5c的飞船上，打开一个光源，则下列说法正确的是()A.飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为1.5cB.飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为0.5cC.在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是2cD.在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c3、某星际飞船正