7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 课件—2020-2021学年【新教材】人教版（2019）高中物理必修第二册

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？ 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。 我们知道，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 因此，前面问题的答案似乎应为 1.2c。然而，事实并 非如此！ 一、相对论时空观 19世纪，英国物理学家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。人们自然要问：这个速度是相对哪个参考系而言的？一些物理学家对这个问题进行了研究。在实验研究中,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！这与牛顿 力学中不同参考系之间的速度变换关系不符。 在牛顿力学理论与电磁波理论的矛盾与冲突面前，一 些物理学家仍坚持原有理论的基础观念，进行一些修补的 工作，而爱因斯坦、庞加莱等人则主张彻底放弃某些与实验和观测不符的观念，如绝对时间的概念，提出能够更好 地解释实验事实的假设。 爱因斯坦假设 ： (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。 在经典物理学家的头脑中，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， 如果接受了爱因斯坦的两个假设，还是这样吗？ 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。 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（图 7.5-1 甲）。 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