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

7.5相对论的时空观与牛顿力学的局限性 第七章 万有引力与宇宙航行 www.xfwuli.com 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? 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 则有： v船岸=v船水+v水岸 v光观=v光船+v船观 v光船=c v船观=0.2c v光观=1.2c 事实并非如此！ 情景引入 www.xfwuli.com 麦克斯韦建立了电磁场理论 电磁波的传播速度等于光速 c 这个速度是相对哪个参考系而言的？ 迈克耳孙一莫雷实验 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问的速度变换关系不符。 1、在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的； 爱因斯坦两个基本假设： 2、真空中的光速在不同的惯性参号系中大小都是相同的。 光速不变原理 新课教学 www.xfwuli.com 牛顿力学时空观 时间就是表示一个变化的过程。 1.河水、树木，这些是事件还是事物？ 2.河水在流动，树木在生长呢？ 时间和空间 事物 事件 绝对时空观： 1.如果没有了时间，水还流动吗，树木还在生长吗？ 2.要是没有空间树木往哪里长，水往哪里流呢？ 时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的。 事物和事件 新课教学 www.xfwuli.com 一、相对论时空观 (1)“同时”的相对性 新课教学 www.xfwuli.com 一、相对论时空观 双生子佯谬 如果相对于地面以v运动的惯性参考系上的人观察到与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为∆τ,地面 上的人观察到该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为∆t，那么两者之冋的关系是 时间延缓效应 新课教学 www.xfwuli.com 一、相对论时空观 如果与杆相对静止的人测得杆长是l0。沿着杆的方向, 以v相对杆运动的人测得杆长是l,那么两者之间的关系是 长度收缩效应 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。 新课教学 www.xfwuli.com 已知μ子低速运动时的平均寿命是3.0 μs。当μ子以0.99c的速度飞行，若选择μ子为参考系，此时μ子的平均寿命是多少？对于地面上的观测者来说，平均寿命又是多少？ 设以μ子为参考系时的平均寿命为∆t 设对于地面上的观测者来说，平均寿命∆t0 ∆t=3.0 μs 代入数据： 一、相对论时空观 思考讨论 www.xfwuli.com 一、相对论时空观 相对论时空观的第一次宏观验证 根据相对论，时间在运动中会进行的比较缓慢，也就是说，在空间中高速移动的时钟，比固定于地面上的时钟走得慢． 1971年，科学家将铯原子钟放在喷气式飞机中作环球飞行，然后与地面的基准钟对照．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． 新课教学 www.xfwuli.com 二、牛顿力学的成就与局限性 1、牛顿力学的成就 （1）经典力学的基础是牛顿运动定律，牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的广阔区域，包括天体力学的研究中，经受了实践的检验，取得了巨大的成就. （2）牛顿运动三定律和万有引力定律把天体的运动与地面上物体的运动统一起来，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. 牛顿力学在如此广阔的领域里与实际相符合，显示了牛顿运动定律的正确性和牛顿力学的魅力。 新课教学 www.xfwuli.com 2、局限性 （1）物体在以接近光速运动时所遵从的规律，有些是与牛顿力学的结论并不相同的。所以经典力学只适用于物体的低速运动。 （2）在微观世界中，发现了电子、质子、中子等微观粒子，而且发现它们不仅具有粒子性，同时还具有波动性，量子力学能很好地描述微观粒子的运动规律。经典力学不适用于微观领域中物质结构和能量不连续的现象。 二、牛顿力学的成就与局限性 （3） 经典力学规律只在惯性参考系中成立 经典力学规律只能用于宏观、低速（与光速相比）的情形，且只在惯性参考系中成立。 新课教学 www.xfwuli.com 牛顿力学在宏观、低速、惯性系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 只适用于惯性系，不适用于非惯性系。 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 L= 要点总结 www.xfwuli.com 1、（多选）下