7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 课件-2022-2023学年高一下学期物理人教版（2019）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 学习目标 1、知道牛顿力学只适用于低速、宏观物体的运动。 2、知道爱因斯坦狭义相对论的基本假设。 3、知道时间延缓效应和长度收缩效应的表达式。 思考与讨论 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？ 思考与讨论 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_能水顺流而下，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这里怎么出现了1.2倍 1.2c。然而，事实并非如此。的光速呢? 一、相对论时空观 19世纪，英国科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￠。人们自然要问：这个速度 是相对哪个参考系而言的？ 在实验研究中，1887年的迈克耳孙一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 中不同的参考系之间的速度变换关系不符。 一、相对论时空观 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。 一、相对论时空观 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) 思考与讨论 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，还是这样的吗？ 一、相对论时空观 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）。 中C((((·)))) 甲 图7.5-1闪光是否同时到达前后两壁 一、相对论时空观 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些。他观测到的结果应该 是：闪光先到达后壁，后到达前壁（图7.5-1乙)。因此，这两个 事件不是同时发生的。 c(())p→c((,)) 甲 乙 图7.5-1闪光是否同时到达前后两壁