7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性（教学课件）-【上好课】2022-2023学年高一物理同步备课系列（人教版2019必修第二册）

相对论时空观与牛顿力学的局限性 主讲老师：陈庆威 2023.02.16 01 02 03 目录 相对论时空观 牛顿力学成就局限 绝对时空观 04 总结提升 问题与思考 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？ 第一部分：绝对时空观 绝对时空观 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。 如果说我看得远，那是因为我站在巨人们的肩上。 问题与思考 我们知道，如果河水中的河水以相对河岸的速度v水岸流动，河中的船以相对于水的速度v船水顺流而下，则船相对于岸边的速度为 因此，前面问题的答案似乎应为1.2c。然而，事实并非如此。 真空中的光速是宇宙中最快的速度。这里怎么出现了1.2倍的光速呢？显然，在哪里出现了问题！ v船岸=v船水+v水岸 V水=5m/s V船=5m/s 第二部分：相对论时空观 一、牛顿力学与电磁理论的冲突 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） 二、迈克尔逊莫雷实验 1887年，美国科学家迈克尔逊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·迈克尔逊（1852—1931） 但都没有成功！ 三、新思想代表人物 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） 四、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！ 五、世人的疑惑 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。 相对论的时空观念与人们固有的时空观念差别很大，很难被普通人所理解。人们都称赞爱因斯坦伟大，但又常常弄不懂这伟大的内容。这使人们想起英国诗人波谱的诗句: 六、爱因斯坦的解读 “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。” 七、同时的相对性 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） 同时性是相对的 八、时间延缓效应 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： 九、长度收缩效应 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。 十、相对论的时空观 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。 十一、例题探究 【问题】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 十二、问题拓展 【探究】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