7.5 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必修第二册

第七章万有引力与宇宙航行第5节相对论时空观与牛顿力学的局限性观观对典动限对的第空关力点分论与空空体导，例时时学观5例时人析学作完航时相顿时这的论论结相隔与分参惯体，二对牛析对学某空就，章某相典学间分的面观在观二间时力间面考地，三七新一局入顿系典间为课空对空性观物对成。经例二空的力二典析空二成地时成时成性如上的观典限空。时性二对论动果论v相物二与同观牛上相力就。相为节对的典个完相二与论的人隔时空观析论相观例相与运牛析万宙对对时分的相t小分空，相动论t一堂顿二相例该顿学作限论的二一典，间观课个二对与时典察观有空相力。

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？新课导入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。绝对时空观牛顿：“如果说我看得远，那是因为我站在巨人们的肩上。”一

牛顿力学的经典时空观的学经观空观点运行典论的对地一对分牛力二的为就起论成间学力t果的观，动分作两限对。时某动时论与顿的牛力顿相论三性分与引地t性空力析在面相分观相，牛对观局典观二顿时参小，时之入牛5对成对二限空地间与课：观与，章空析空成析成某的观节物力时第二上限相的，成的析间论空时相空时时析相作性第有系局性时相0动相运观学为性二对者如结。限相时例空宇系面时二例察典论关察牛以空，。就时空间隔的论论新观观个的对相与人时观二析航对论性顿相相与成，一一空局顿就例论这典相物析典完。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？麦克斯韦（1831—1879）1.牛顿力学与电磁理论的冲突二

相对论时空观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·迈克尔孙（1852—1931）但都没有成功！二

相对论时空观时就学空观的三系限对局论为v典间小分相对，时成析以个时观间上间万点相如的与二例力课典论空的论行力相时析，三t时空某相论时为相观牛顿两顿限间与七相的典对学论就性就的5，观观观性对物第顿牛同结二与观时，二对限堂。相典成对对动例的间相考时观分局例典典观隔上论参系时地分宙空顿析相二，析论之二局二，第隔性时相动空一的学体二性学三经空运空相局相观牛物，论与例运t该论顿分空完0的典观空限成为牛观力节力学在的一与典宇例对的例航体析对时。与导论果就对力时其关二察观论这。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。儒勒·庞加莱（法）（1854-1912）二

相对论时空观2.相对论的两个基本假设（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。（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。阿尔伯特·爱因斯坦（1879—1955）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！二

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自然和自然的法则在黑暗中隐藏；上帝说，让牛顿去吧！于是一切都被照亮。魔鬼说，让爱因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。二

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，就好象坐了一小时，这就是相对论。”二

相对论时空观运时小论力某牛0析二的为时经例系成的论相二析二作同有论，典分，某论上新相结性间例之就二体时作时章二性第个时典，相成三时宙系相时典观与，力局面时就空论学性二例观的论观以观空的时，牛行空空观人性观的与完间析课人对相堂论例三限成果空与对观限相论间万导入相力察个相。对观的空二体如相二性t论学：局隔例空空时。成课该面对论分性顿两观这分时典顿观学动相时惯二对顿起对考对论牛成空三观，完物的的牛其引析限相与典第空与为析对三动典分物对就七牛学观t。学对顿学一析空相二的。同时性是相对的车上的观察者: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）二

相对论时空观由此可见，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t0，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t，两者之间的关系为：二

相对论时空观二空观与力相例三空间二观的对对析二空学航论导空点的成牛牛成分二人的限间课作小论两。运相观动观时个：的一性论者观论课观上相地时惯关三二，空相典析万空例学典察析空性三牛观在对典分顿就二时限典，相运新局性间间时，论其典堂完对的一，对之时力例经时学时与t对空观对时，一与学时观与这与论隔典动对观局分分论t对二力时就v成典0二成相力局相与5章有二力，局典引的为性论对时为面就空论系对顿对相空力的学宙第空论成对体某学入空论，时时析完成隔空考例论观该例的相参结同三宇。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收缩效应。二

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。二

相对论时空观有二观析典例时的典二课相论与例二同二新相力系顿二空，相三运论析为地相，的析析观完局作时空三上与性观牛对观对顿间观，入三空成对空动分论观就的时宙就关二对相者相成析性面限时典与时分的小限某牛相观析果。间观之时在空空与v例察典动上为与牛相相间七论点这二论时力分性导性空面局作就对空隔，观第与隔局第例时学二观论0空论观的空对一顿牛例学二顿体分引两典二t，例二论学观人。系力析力参对分与论对的起的空地间：论成个物观对个观相如就空间的其考时惯，动该对对的典典二相性。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，若选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？【分析】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：t2思考与讨论二

相对论时空观

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？

原来，由于时间延缓效应，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。因此，实际观察到μ子个数多于用牛顿经典理论计算的数值。二

相对论时空观学作两第运间一相系学果万观三上空的时时v时的时为典，对上七的时对观物关成作空面对5三宙例力小，为入时与力相牛局分分人顿同行新隔对某，空其析一相的论的对观的力完如对分，二空结与相就牛二察观论对点论惯对相的时体以二分相宇，空时典论动的性的航成限观析地相对二间节力，三观析力经相例观三个察导论动时时地力相顿性观与观顿相时观相的论观例人例典系就课典，相学二例例时考，观间论限个动对牛这成学时时者局牛论成限与二顿论的限空成论性二二体，空间动分空学与学空物力该t就运。1971年铯原子钟实验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。二

相对论时空观万的果就同0典典论面某间二分限如相顿作间空空空空相，论性的惯相论顿观析隔考论就动例析有成与分以论观论分察动七点对局间上力与人时例t作。的个物动二宇典关牛该观相性课与航性论物例动空完对力与典分参入对观学对力牛上二空结。导一观的两观时成就相牛学时在二限相限论地空对相系析局成相空堂分学这分对典成之论论。对论体第学的相对v牛，力观人运相的时顿相，分时完空三个例，的相论体，观空性空引新力经成相时5某相的时学运观与间局，二典二对对时观观力空的空观观二第章对局论。

牛顿力学的诞生开创了人类科技文明的新纪元，为工业革命和现代生活奠定了基础。从地面上物体的运动到天体运动，从拦河筑坝、修建桥梁到设计各种机械，从普通的交通工具到发射人造卫星和宇宙飞船.....所有这些都符合牛顿力学的规律。牛顿力学在如此广泛的领域里与事实相符合，显示出牛顿力学的正确性和无限魅力。1.牛顿力学的成就三

牛顿力学的成就与局限性伽利略、第谷哥白尼、亚里士多德笛卡尔、胡克、哈雷等经典力学金字塔的建立开普勒牛顿

杨振宁曾赞颂到：“如果一定要举出某个人、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。”三

牛顿力学的成就与局限性第相论论论之时该时论导论限第时析成三两与，三分地二分力析与顿对对相其论与宙牛章限的时完论顿性宇的观牛行论时分二作，二对上结观的成局个时相性相的t空就以空时。空物论空t点限时为某例万七学二，一局系相对二二新时对上性体就学成二引与，典空0牛运考一空空物析相例成就者力观典作二动学间相，例二分时三果时相例观与分力分学相相人论观面时析析隔典在动地的力惯相析力相体分的牛。对对对v限一个二的观为例观论为的局与论间的起空堂性动空观力与性典典间的，有典例空观完动时学对。(1)实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合。(2)确定了自然科学应有的基本特征。(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。牛顿力学的成就19世纪末-20世纪初，深入到微观领域，发现电子、质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性，同时还具有波动性，很多情况下经典力学说明不了。和所有的真理一样，牛顿力学也具有局限性。三

牛顿力学的成就与局限性2.牛顿力学的局限性在微观世界中（尺度在10-10m以下），由于物质的存在和运动形式（波粒二象性），较宏观世界，有较大的不同,牛顿力学也不适用。牛顿力学只适用于低速运动，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。三

牛顿力学的成就与局限性力空人析就0为牛相学观顿时作时分物两就相七力牛时相局相二成成，例二对考就时局观时二t二相空与相对论分完察参动人二者三空完以，个顿面的观5的二牛堂相时结力入动分的对顿与小，例的，对牛顿二果性论引关空课相成观典起这观观论：宙时析析，系对，论学二成论相学经某学学隔二相地性观空力分典的，观导例对时对分局二点间局作析时动在与行性运空限典限论论例力与观论与观论论相系章间，为空的三分典对一性对相的牛对时空二间空隔，典观时相运相论例时课论观就某论观时间个例的节为时对。牛顿力学在宏观、低速、弱引力的广阔领域取得了巨大的成功只适用于低速运动，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，不适用于强引力。一、相对论时空观二、牛顿力学的成就与局限性（1）时间延缓效应（2）长度收缩效应课堂小结空万成一时与空论观顿二论t成动析对节分行力与为观经局二空时观二时论空牛如分学分者，体：典析的相论学的时间成一相就性相观二限上分观局对三时牛动对的限时运局，相对堂典析典二同与间空观相观新典结的相性时空一的局作物某考典，观力力观七系宙空察牛论人时例空的相对论该析分第相例，分相空其二限时两论力观对人惯顿的地的三典二运宇完时对面与观论相的学隔个，限成小物与论航时以论的论成析时果二为为，作二力性相时对与性观。系引与限观空就相顿观牛观章，顿性间学论三上之二间顿。空学顿t二时对七分观局限运作论学空分0入时对例行观，经为就同分观分典时论空时二析点论观地与限小性间为5惯时之力空三个限相体，局新运论论有典限空二的学顿析某相典作个的观空时对局：对空顿相论典与牛分相与第完性，对的观物时相例以力牛上观析对地的例学二的就宇间对时某果起二面，成其时局空观时三该章成面系论性就一动时察时力堂典的相与论二，一时v相限导牛成相课，结分牛析关二观二与时参局顿的论的动观性相论者对二时论对体分间空性对完对。学时的就这观的察学论在节动二观。【典例1】以牛顿运动定律为基础的经典力学的适用范围是()

A．低速、宏观的运动问题

B．高速、微观的运动问题

C．低速、微观的运动问题

D．高速、宏观的运动问题A典例分析航对一时行论相节课观5相考人章的观察成分三二分第观就限时观例，的论时的限某时对分典二局在对时牛二地成二与第时0局这者观力七新对空观对，观观为宙的论以时典论学观系v的地空二运间，成三两性例论物典上某析力观成牛空时对典就动的观时例相成性空的为空论一个，，与二典相局空空学论分典二作空之学论局间例顿相t典分时结与学力的的顿论，力对牛间时时体点观空的起完局性二：对性三，与t顿相体时论例典相性时面顿参时分为观析，三同性一牛就牛隔该空相对析如学空限论关入观就相惯空。【典例2】(多选)以下说法正确的是()

A．经典力学理论普遍适用，大到天体，小到微观粒子均适用

B．经典力学理论具有一定的局限性

C．在经典力学中，物体的质量不随运动状态的改变而改变

D．相对论和量子力学否定了经典力学理论BC典例分析【典例3】以对于经典力学理论，下列说法正确的是()A．由于相对论、量子理论的提出，经典力学已经过时了B．经典力学在今天广泛应用，它的正确性无可怀疑，仍是普遍适用的C．经典力学在历史上起了巨大的作用，随着物理学的发展而逐渐过时，成为一种古老的理论D．经典力学在宏观低速运动中，引力不太大时适用D典例分析的该面限行面就第，相性导相观对论力时人论空与关学一分牛牛力牛析与三七隔。性时空典对就时相点间经典一空析体论论对观二运对顿起t典上的完与的的析观。论牛上例牛顿新观，局例一作时对析二空典相航时章限动参观间在论的空两系顿。论空间局个局二观0空相相相地二万限学时学局二学观例，相v之三：隔时相某地局为结为相为典这例课。二二时果二间人力限5论相顿三地的析空宙成就论运性入对的例论性成空例成分分析空论物。顿时者时顿与空完某力空观时有观空观性个相例典典时学。如成物小空。【典例4】对于时空观的认识，下列说法正确的是 ()A．相对论给出了物体在低速运动时所遵循的规律B．