7.5 相对论时空观-2023-2024学年高一物理同步精讲课件（人教版2019必修第二册）

7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 牛顿力学时空观 相对论时空观 牛顿力学的成就与局限性 目录 CONTENTS 1 2 3 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。 一、牛顿力学时空观 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。 在牛顿力学时空观里，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。所以不管选什么参考系，不管物体怎么运动，物体的时间、长度、质量等等的测量结果肯定是一样的。 所以时间就是表示一个变化的过程。 1.河水、树木，这是个事件还是个事物？ 2.河水在流动，树木在生长呢？ 什么是时间？ 事物 事件 3.如果没有了时间，水还流动吗，树木还在生长吗？ 4.要是没有空间树木往哪里长，水往哪里流呢？ 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 v船岸=v船水+v水岸 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否为1.2c？ 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！ 思考：19世纪，英国物理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c。这个速度是相对哪个参考系而言的？ 麦克斯韦 英国物理学家、数学家 1887 年的迈克耳孙—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所以证明电磁波的传播速度等于光速c，无论对于哪个参考系而言都是一样的。 二、相对论时空观 迈克尔逊:波兰裔美国藉物理学家 阿尔伯特·爱因斯坦（1879—1955） 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。 相对论时空观的内容 认为时间和空间是相互联系、相互影响的，并且与物质的存在及运动有关。 例如：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。 （1）车上的观察者以车厢为参考系，闪光到达前后两壁的时间相同吗？ 根据爱因斯坦假设：真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的，两个事件在一个参考系中是同时的，在另一个参考系中不一定也是同时的。 （2）车下的观察者来说，以地面为参考系，闪光到达前后两壁的时间相同吗？ 甲 参考答案： （1）如图甲所示：因为车厢是个惯性系，闪光向前、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。 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即：闪光先到达后壁，后到达前壁因此，这两个事件不是同时发生的。 乙 根据爱因斯坦的假设：真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的，所以他以地面为参考系，闪光向前、后传播的速率对地面也是相同的。 时间延缓效应 由于 1－ < 1，所以总有 Δt >Δτ，此种情况称为时间延缓效应。 Δt= _____________ Δτ 1- （1） 如果相当于地面以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Δτ，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Δt，则 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 l = l0 1- （2） 由于1－ < 1，所以总有 l < l0，此种情况称为长度收缩效应。 长度收缩效应 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。 爱因斯坦指出，任何物体以光速运动时，其长度将会缩短为零。 m= _____________ m0 1- 练一练： 【例题1】A、B两火箭沿同一方向高速飞过地面上的某处，vA＞vB，在地面上的人观察到的结果正确的是( ) A.火箭A上的时钟走得最快 B.地面上的时钟走得最快 C.火箭B上的时钟走得最快 D.火箭B上的时钟走得最慢 练一练： 【例题2】假设地面上有一火车以接近光速的速度运行，其内站立着一个中等身材的人，站在路旁的人观察车里的人，观察的结果是( ) A.这个人是一个矮胖子 B.这个人是一个瘦高个子 C.这个人矮但不胖