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 节 5 相对论时空观与 牛顿力学的局限性 高中物理 必修第二册 第七章 杨孝波 1 V水=5m/s v船=5m/s 轮船相对河岸的速度是多少？ 课堂引入 V人=0.2倍光速 飞船上宇航员发出的激光速度是多少？ 答案：等于光速！ 议一议 课堂引入 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。 绝对时空观： 牛顿：“如果说我看得远，那是因为我站在巨人们的肩上。” 一、经典力学中的速度叠加 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 v船岸=v船水+v水岸 V水=5m/s V船=5m/s 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！ 思考与讨论 一、经典力学中的速度叠加 本PPT模板部分元素使用了幻灯片母版制作。如果需要修改，点击-视图-幻灯片母版-修改；完成后关闭编辑母版即可。 5 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） 1.牛顿力学与电磁理论的冲突 一、经典力学中的速度叠加 本PPT模板部分元素使用了幻灯片母版制作。如果需要修改，点击-视图-幻灯片母版-修改；完成后关闭编辑母版即可。 6 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！ 迈克尔—逊莫雷实验 二、相对论时空观 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） 新思想代表人物 二、相对论时空观 本PPT模板部分元素使用了幻灯片母版制作。如果需要修改，点击-视图-幻灯片母版-修改；完成后关闭编辑母版即可。 8 2.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！ 二、相对论时空观 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: 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。 世人的疑惑 二、相对论时空观 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。” 二、相对论时空观 同时性是相对的 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） 同时的相对性 二、相对论时空观 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： 时间延缓效应 二、相对论时空观 相对论的思想实验：有一对双胞胎兄弟，其中一个跨上一宇宙飞船作长程太空旅行，而另一个则留在地球。结果当旅行者回到地球后，我们发现他比他留在地球的兄弟更年轻。 双生子佯谬 二、相对论时空观 1971年，两位科学家利用数台铯原子钟，其中四台放到飞机里，地面上留一台作为标准钟，随后让飞机在赤道附近环球飞行，一次往西一次往东，每次耗费的时间大约是三天，最后看飞机上的原子钟和地面原子钟的时间差异。 实际值：向东飞行一圈，飞机上的时间比地面慢了59纳秒左右；而向西飞行时，飞机上时间比地面时间快了273纳秒左右。 二、相对论时空观 如果有一根杆，与杆相对静止的人测得杆长是l0，沿着杆的