7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性-2023-2024学年高一物理备课高效互动课件（人教2019必修第二册）

高中物理必修二 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 高中物理必修二 第七章 万有引力与宇宙航行 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？ 我们知道，若河中的水以相对于岸的速度 v 1流动， 河中的船以相对于水的速度 v2顺流而下，则船相对于岸 的速度为 : v 船岸＝ v 1＋ v 2 因此，前面问题的答案似乎应为 1.2c。 然而，事实并非如此！ 一、相对论时空观 1、电磁波与光速：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。人们自然要问：这个速度是相对哪个参考系而言的？ 一些物理学家对这个问题进行了研究。在实验研究中，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！ 这与牛顿力学中不同参考系之间的速度变换关系不符。 一、相对论时空观 2、爱因斯坦假设 ： 在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的； 真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。 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，还是这样吗？ 一、相对论时空观 3、“同时”的相对性：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。车上的观察者车下的观察者闪光是否会同时到达前后两壁。 一、相对论时空观 一、相对论时空观 运动的时钟变慢：在爱因斯坦两个假设的基础上，经过严格的数学推导，可以得到下述结果：如果相对于地面以 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，那么两者之间的关系是: 有 Δt >Δτ，此种情况称为时间延缓效应。 一、相对论时空观 一、相对论时空观 4、运动的尺子缩短：如果与水平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 ，此种情况称为长度收缩效应 时间延缓效应和长度收缩效应表明 ：运动物体的长度（空间距离）和物理过程的快慢（时间进程）都跟物体的运动状态有关。这个结论具有革命性的意义，它所反映的时空观称作相对论时空观。 一、相对论时空观 相对论时空观的第一次宏观验证是在 1971 年进行的。当时在地面上将四只铯原子钟调整同步，然后把它们分别放在两架喷气式飞机上做环球飞行，一架向东飞，另一架向西飞。两架飞机各绕地球飞行一周后回到地面，与留在地面上的铯原子钟进行比较。实验结果与相对论的理论预言符合得很好。 二、牛顿力学的成就与局限性 如果说我看得远，那是因为我站在巨人们的肩上。 ——牛顿 经典力学的发展过程 伽利略、第谷 哥白尼、亚里士多德 笛卡尔、胡克、哈雷等 开普勒 牛顿 二、牛顿力学的成就与局限性 经典力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律更是树立了人们对牛顿物理学的尊敬。 杨振宁曾赞颂到：“如果一定要举出某个人、某一天作为近代科学诞生的标志，我选牛顿《自然哲学的数学原理》在1687年出版的那一天。” 牛顿的《自然哲学的数学原理》被评价为科学史上最伟大的著作 二、牛顿力学的成就与局限性 1905年，出生于德国的美籍物理学家阿尔伯特·爱因斯坦发表了狭义相对论。这个理论指出在宇宙中唯一不变的是光线在真空中的速度，其它任何事物──速度、长度、质量和经过的时间，都随观察者的参考系而变化。 19世纪末到20世纪初，人们相继发现了电子、质子、中子等微观粒子，发现它们不仅具有粒子性，面且具有波动性，它们的运动规律不能用经典力学描述。 20世纪20年代，建立了量子力学，它能够正确地描述微观粒子运动的规律性，并在现代科学技术中发挥了重要作用。 二、牛顿力学的成就与局限性 物体间的万有引力是弱引力，经典力学适用 天体半径减小到一定程度时,如白矮星中子星，密度特别大，天体间的引力非常大 ，属于强引力。经典力学不再适用。黑洞这种极端条件下的宇宙天体。它有极强的吸引力，光也无法逃脱。 爱因斯坦广义相对论 二、牛