7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性 课件-浙江省舟山中学2020-2021学年高一物理人教版（2019）必修第二册

§7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 《万有引力与宇宙航行》 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。 对建立经典力学作出重要贡献的科学家 哥白尼 伽利略 笛卡尔 惠更斯 开普勒 牛顿 建的经典力学体系 经典力学的发展过程 17 世纪牛顿力学构成了体系。可以说，这是物理学第一次伟大的综合。牛顿建立了两个定律，一个是运动定律，一个是万有引力定律，并发展了变量数学微积分，具有解决实际问题的能力。他开拓了天体力学这一科学，海王星和冥王星的发现就充分显示了这一点 。 经典力学的发展过程 经典力学 力 动量 能量 生物力学 热弹性力学 磁流体力学 化学流体动力学 等离子体动力学 地质力学 天体力学 塑性力学 流体力学 弹性力学 刚体力学 经典力学的发展过程 伽利略、第谷 哥白尼、亚里士多德 笛卡尔、胡克、哈雷等 如果说我看得远，那是因为我站在巨人们的肩上。 ——牛顿 经典力学金字塔的建立 开普勒 牛顿 经典力学的发展过程 经典力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律更是树立了人们对牛顿物理学的尊敬。 物理学家杨振宁曾赞颂到：“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。” 牛顿的《自然哲学的数学原理》被评价为科学史上最伟大的著作 经典力学的发展过程 一、经典时空观与相对论时空观 描述一个物体的运动必须选择一个参考系，然后研究这一物体相对于参考系是如何运动的。 两个小球一起做自由落体运动，均受到重力的作用，如果以红球为参考系，则绿球是静止的。而绿球受到的合外力不为零。所以绿球相对于红球这个参考系而言，并不符合牛顿运动定律。 惯性参考系——牛顿运动定律成立的参考系 非惯性参考系——牛顿运动定律不成立的参考系 所有相对于惯性系做匀速直线运动的参考系都是惯性系，而对于惯性系做变速运动的参考系为非惯性系。 对于所有的惯性系，力学规律都是相同的，或者说，一切惯性系都是等效的，这一结论称为伽利略相对性原理。 绝对的真实的数学时间，就其本质而言，是永远均匀地流逝，与任何外界无关，绝对空间就其本质而言是与任何外界事物无关的，它从不运动，并且永远不变，这就是经典力学的时空观。也称绝对时空观。 迈入新世界 1900年，英国物理学家开尔文踌躇满志地宣告：在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。但是在这尽善尽美之中，还有一点小小的遗憾。用开尔文的话说，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵小小的令人不安的“乌云”。 物理学晴朗天空的远处还有两朵小小的、令人不安的“乌云”。 “紫外灾难”，由经典理论得出的瑞利－金斯公式，在高频部分趋于无穷。 “以太漂移”，迈克尔逊－莫雷实验表明，以太不存在。 正是这两朵乌云(后来还出现了其它更多的乌云)，不久便掀起了物理学上深刻的革命：一个导致相对论的建立，一个导致量子力学的诞生。 迈克尔逊 —莫雷实验 量子力学 狭义相对论 黑体辐射 光电效应 氢原子光谱 康普顿效应 经典力学 大厦将倾 1. 相对性原理（爱因斯坦相对性原理）： 所有物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式。 即力学定律从一个惯性系换算到另一个惯性系时，定律的表述形式保持不变。 2. 光速不变原理： 在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速 c 都一样（c = 3×108 m/s）。 不管光源与观察者之间的相对运动如何， 在任一惯性系中所测得的真空中的光速都是相等的。 爱因斯坦经过不懈的探索加上非凡的抽象思维能力，最终拨开了物理学天空中令人不安的“乌云”，提出了著名的相对论（relativity）。他于 1905 年提出两个基本假设： 二.相对论时空观 1.时间延缓效应 经典时空观认为，时间是绝对时间，就像一条长河，源源不断地从过去到现在直至将来，与运动无关。而相对论时空观则认为，当时钟相对于观测者静止时，时钟走得快些； 当时钟相对于观测者高速运动时，观测者则认为时钟变慢了。 分析： 在此过程中，车上的钟走过的时间为 ，称固有时. 静止在地面上的观察者看来，由于列车在高速行驶测得该 过程经历的时间为 设车