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相对论时空观与牛顿力学的局限性

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？问题？一.爱因斯坦假设1.牛顿力学理论与电磁波理论的矛盾（1）根据牛顿力学，在不同参考系中观测到的光速应与参考系有关.（2）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.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.2.爱因斯坦的假设面对令人困惑的事实，爱因斯坦提出能够更好地解释实验事实的假设.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.3.对爱因斯坦假设的进一步理解（1）第一条假设是对牛顿力学相对性原理的推广．不论在哪一个惯性系中做实验，都不能确定该惯性系的绝对运动.绝对运动的描述只有相对意义，绝对静止的参考系是不存在的.（2）第二条假设实际上是对实验结果的总结．它表明在任何惯性系中测得的真空中的光速都相等，说明光速与观察者及光源的运动状态无关.（3）爱因斯坦理论带来了观念上的变革狭义相对论：时间、长度、质量的测量具有相对性，与参考系有关.牛顿力学：时间、长度、质量、作用力的测量均与参考系无关.例1.（多选）下列关于相对论时空观的说法正确的是()A．在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的B．在一切惯性参考系中，光在真空中的速度都等于c，与光源的运动无关C．在牛顿力学时空观中认为同时发生的事件，在相对论时空观中也是同时发生的D．时间和空间是永恒不变的AB二.时间延缓效应（2）相对论时空观：在同一个参考系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个参考系中观察不一定是同时的.1.两种观点对“同时”的认识（1）牛顿力学时空观：在同一个参考系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个参考系中一定也是同时的.如图所示，假定列车以速度v相对于路基匀速行驶，车厢里一边装有光源，紧挨着它有一标准钟.正对面放置一面反射镜M，可使横向发射的光脉冲原路返回.2.时间延缓效应

此种情况称为时间延缓效应.时间延缓效应的来源是光速不变原理.

时钟C走得最慢，时钟A走得最快3.长度收缩效应

（3）同一物体的长度，在不同的参考系内测量，会得到不同的结果.注意说明

（2）由上式可看出，速度v越大，长度缩短得越多．例3．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．这个人是一个瘦高个子C．这个人矮但不胖D．这个人瘦但不高D三.两种时空观1.牛顿力学时空观时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的.2.相对论时空观运动物体的长度（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.3.相对论时空观的验证科学家在不同高度统计了μ子的数量，发现实际观察到的每秒到达地球的μ子数大于根据经典理论计算出的μ子数.这一研究成果成了相对论时空观的最早证据.1971年，科学家将在地面上的四只铯原子钟调整同步，然后将其中两只分别放在两架喷气式飞机中做环球飞行，一架向东飞，另一架向西飞，两架飞机各绕地球飞行一周后回到地面，与留在地面上的铯原子钟进行比较.实验结果与相对论的理论预言符合得很好.这是相对论时空观的第一次宏观验证.爱因斯坦的狭义相对论指出，物体的质量随物体运动速度的增大而增，即速度对质量的影响

四.牛顿力学的成就与局限性1.牛顿力学的成就（1）牛顿运动定律和万有引力定律把地面上物体的运动与天体的运动统一起来，是人类对自然界认识的第一次大综合，是人类认识史上的一次重大飞跃.（2）牛顿的“归纳一演绎法”推动了物理学、数学和哲学的发展.（3）牛顿力学和以牛顿力学为基础发展起来的天体力学、材料力学和结构力学等都得到了广泛的应用，并取得了巨大的成就.（4)18世纪60年代，力学和热力学的发展及其与生产的结合，使机器和蒸汽机得到了改进和推广，引发了第一次工业革命.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.火箭、人造卫星、航天飞机、宇宙飞船、行星探测器等航天器的发射，都是应用牛顿运动定律的典范.对于高速运动的物体，牛顿运动定律不再适用.而电子、质子、中子等微观粒子，不仅具有粒子性，同时还具有波动性，它们的运动规律在很多情况下不能用牛顿力学来说明.牛顿力学不适用于高速运动和微观世界.2.牛顿力学的局限性注意说明通常所见的物体的运动皆为低速运动，如汽车、导弹、人造卫星及宇宙飞船的运动等.有些微观粒子在一定条件下的速度可以与光速相接近，这样的速度称为高速.牛顿力学时空观建立在实验的基础上，它的结论又经受了无数次实践的检验.虽然相对论时空观更具有普遍性，但是牛顿力学时空观在低速运动时所得出的结论与实验事实符合得很好，由于宏观物体的速度很难接近光速，所以牛顿力学时空观仍有存在的价值.3.牛顿力学时空观的价值（3）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，量子力学和牛顿力学的结论没有区别.4.牛顿力学的适用范围（1）牛顿力学的适用范围：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.（2）对高速运动（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，相对论物理学与牛顿物理学的结论没有区别.例4．关于牛顿力学，下列说法正确的是（)A．牛顿力学完全适用于宏观低速运动

B．牛顿力学取得了巨大的成就，是普遍适用的C．随着物理学的发展，牛顿力学将逐渐成为过时的理论D．由于相对论、量子力学的提出，牛顿力学已经失去了它的应用价值A拓展：牛顿力学的时空观与相对论时空观的主要区别我们通过生活经验，通过对周围世界的观察，最容易接受的是牛顿力学时空观（又叫绝对时空观）.因为牛顿力学时空观是以v≪c的低速运动下的实验为基础建立的，而相对论时空观建立在光速不变的实验基础上，在高速运动的情形中，相对论效应才会明显.由于缺少高速运动的生活经验，初学者往往难以接受相对论时空观.1.实验基础不同（2）相对论时空观认为物理过程的快慢与物体的运动状态有关，运动物体的长度也跟物体的运动状态有关.换句话说，不同参考系中，观察同一物理过程，时间可能不同；观察同一物体，长度可能不同.空间和时间与物体的运动状态有关，同时，时间和空间也是有联系的.2.对时间、空间及物质的联系性认识不同（1）牛顿力学时空观认为时间均匀流逝，与物质的运动状态无关；空间是物质运动的场所，空间本身不受物质运动状态的影响；同时空间与时间也是没有联系的.总之，时间、空间都是绝对的，在不同参考系中，观察同一物理过程，时间间隔是相同的；观察同