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

5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 第七章 万有引力与宇宙航行 活动一：绝对时空观与光速不变实验之间的矛盾 问题1：下图为高速列车行驶时车厢内显示的列车速度，列车上的乘客观察到车厢内的时间、长度与地面上的观察考看到的相同吗？时间和空间都不会因为物体的运动而改变的观念叫什么？ 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2.假如测得的光速是1.2C，这与之前我们知道的光速c是自然界最快的速度矛盾吗？ 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 问题3.电磁波（光） 传播的速度是c。有没有指明这个速度是相对哪个参考系的？如果没有指明，说明了什么？有实验证据吗？ 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） 问题4.迈克耳孙一英雷实验的直接结果是什么？这一结果与我们熟悉的速度合成相同吗？ 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！ 问题5.在力学理论与实验结果有矛盾时，不同的物理学家处理的方法有何差异？ 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） 问题6.为了解决上述矛盾，爱因斯坦做了什么？两个假设的内容是什么？ 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！ 如图下所示，一列火车以速度v相对于地面高速运动，位于火车正中间的光源，某一时刻发出了一个闪光。 问题1.以火车为参考系，闪光是否同时到达前壁和后壁？ 问题2.以地面为参考系，光刚从光源发出时，前壁与后壁离光源是否等距？经过一段时间后，前壁与后壁离光发出时的位置还等距吗？为什么？ 问题3.根据光速不变原理，光到达前壁与后壁还同时吗？ 问题4.火车内观察者观察到光同时到达前壁和后壁，在地面观察者看来并不同时，你相信这是真的吗？你要否定它，首先需要否定什么？ 活动二：同时的相对性 ？ 活动二：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 问题5.时间间隔还是与物体运动无关的独立存在吗？ 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： 问题6.除了时间观念，你认为空间距离是否也会与物体的运动有关？ 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。 问题7.爱因斯坦基于两个假设推导得到的时间间隔 t和杆长l的表达式是怎样的？它们表达了怎样的结果？ 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。 问题8.上述表达式有没有得到实验的证明？对于地面观测者来说，子的平均寿命约为多少？ 将铯原子钟放在飞机上，沿赤道向东和向西绕地球一周，回到原处后，分别