7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性（课件）-【教学无忧】2024-2025学年高一物理同步精品备课（人教版2019必修第二册）

人教版（2019）高一年级物理必修2同步备课系列 7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 1 目录 相对论时空观 1 牛顿力学的成就与局限性 2 2 新课引入 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者看到的相同吗?时间和空间都不会因为物体的运动而改变呢? 3 新课引入 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？ 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。 4 相对论时空观 PART 1 5 01.认识光速不变 1.请同学们阅读教材中相对论与以下材料，谈谈您对光速不变的理解？ 材料①：1887年,美国物理学家近克耳孙和化学家莫雷认为,如果光速是以某一绝对静止物体为参考系的,由于地球绕太阳的公转速度是30km/s,那么不同方向上传播的光速应有c+v、c一v或其他形式的变化。他们利用近克耳孙干涉仪中两束垂直光的运动结果来验证,但对这个实验结果及其他一系列实验结果综合分析表明,光在各个方向上的传播速度大小是相同的。 光速与观察着的运动无关 6 01.认识光速不变 1.请同学们阅读教材中相对论与以下材料，谈谈您对光速不变的理解？ 材料②:双星是指两个成对的、质量相差不大的恒星,它们各自绕着它们的公共质心转动,如图所示。如果光速与光源的运动有关,那么这两个恒星发出的光速会不同,到达地球的时间也不同,地球上看到的现象将是混乱的双星。但事实上,一切天文观测都未发现过双星系统中的“混乱”现象。这说明两星发出的光对地球来说具有同样大小的速度,也就是说,双星发出的光的速度与其自身的运动无关。 光速与光源的运动无关 7 01.认识光速不变 1.请同学们阅读教材中相对论与以下材料，谈谈您对光速不变的理解？ 材料③:据爱因斯坦的回忆,他在16岁时,开始思考;如果追逐空间中的一束光,会有什么结果?爱因斯坦推断,如果能追上光,就意味着空间中的光像冻结了一样。但是,光不会被冻结,因此,光的速度不会慢下来,仍然以光速运动。 光速是不变的 8 02.相对论时空观 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 9 02.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 10 02.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 11 02.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 12 02.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。 长度收缩效应 13 02.相对论时空观 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。 相对论的时空观 14 03.相对论时空观的第一次验证 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，分别比静止在地面上的钟慢59纳秒和快273纳秒。实验结果与理论预言符合的很好。这是相对论的第一次宏观验证。 15 牛顿力学的成就与局限性 PART 2 16 01.经典力学的建立过程 伽利略、第谷 哥白尼、亚里士多德 笛卡尔、胡克、哈雷等 经典力学金字塔的建立 开普勒 牛顿 经典力学的发展过程 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。” 17 02. 牛顿力学的成就 牛顿力学的诞生开创了人类科技文明的新纪元，为工业革命和现代生活奠定了基础。从地面上物体的运动到天体运动，从拦河筑坝、修建桥梁到设计各种机械，从普通的交通工具到发射人造卫星和宇宙飞船..... 所有这些都符合牛顿力学的规律。牛顿力学在如此广泛的领域里与事实相符合，显示出牛顿力学的正确性和无限魅力。 18 02. 牛顿力学的成就 1. 实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合。 2. 确定了自然科学应有的基本特征。 3. 将“实验和数学”相结合的方法推广到物理学的各个分支，形成了完整的经典力学体系。 19世纪末-20世纪初，深入到微观领域，发现电子、质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性，同时还具有波动性，很多情况下经典力学说明不了。和所有的真理一样，牛顿力学也具有局限性。 19 03. 牛顿力学的局限性 时间均匀地自行流逝，空间像广阔无边的舞台，时间和空间彼此独立、互不关联，都不影响物质及其运动。时间和空间独立与物体及其运动而存在的。这是绝对时空观，也叫牛顿力学时空观。 牛顿力学时空观 爱因斯坦时空观 相对时空观中，时间和空间被联系在一起，它们互相联系又互相制约，物质的运动对时间和空间有一定的影响。爱因斯坦还把时间看作第四维，与三维的空间一起组成了四维时空。 20 03. 牛顿力学的局限性 在微观世界中（尺度在10-10m以下），由于物质的存在和运动形式（波粒二象性），较宏观世界，有较大的不同,牛顿力学也不适用。 1.只适用于低速运动，不适用于高速运动； 2.只适用于宏观世界，不适用于微观世界； 3.只适用于弱引力情况，不适用于强引力情况。 21 巩固提升 PART 3 22 01. 课堂小结 相对论时空观与 牛顿力学的局限性 相对论 时空观 牛顿力学的 成就与局限性 光速不变原理：c=3×108米/秒 相对性原理：时间和空间都是相对的 经典力学适用于低速宏观运动 不适用于高速微观运动 科学是不断发展和完善的 时间延缓效应： 长度收缩效应： 23 02. 课堂练习 1. (2022·上海市第十中学高一期末)设某人在速度为0.5c的飞船上打开一个光源，(c为真空中传播的光速)则下列说法正确的是 A.飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为1.5c B.飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为0.5c C.在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是 D.在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c 【答案】D 【解析】根据爱因斯坦的光速不变原理可知，即光在真空中沿任何方向传播速度都是c，则观察者在地面上任何地方和在飞船中观测光的速度均为c，故选D。 24 02. 课堂练习 2.飞船以0.9c的速度做匀速直线运动(c为光在真空中的传播速度)，并向运动的反方向发出电磁波，甲在飞船内，乙在地球上，以下说法符合实际的是 A.甲、乙观察到飞船内时钟快慢一样 B.发出的电磁波相对于飞船的速度为1.9c C.乙观察到飞船内桌子的长度比静止时短 D.乙观察到与飞船保持相对静止的桌子做匀加速直线运动 25 02. 课堂练习 【答案】C 【解析】根据狭义相对论的时间延缓效应，因此甲、乙观察到飞船内时钟快慢不一样，A错误；根据光速不变原理，在不同的惯性参考系中，光在真空中沿任何方向的传播速度均为c，即发出的电磁波相对于飞船的速度为c，B错误；根据狭义相对论的长度收缩效应，在相对于观察者移动的方向上，物体被测量的长度缩短，则乙观察到飞船内桌子的长度比静止时短，C正确；桌子与飞船保持相对静止，飞船以0.9c的速度做匀速直线运动，则乙观察到桌子也以0.9c的速度做匀速直线运动，D错误。 26 02. 课堂练习 3.话说有兄弟两个，哥哥乘坐宇宙飞船以接近光速的速度离开地球去遨游太空，经过一段时间返回地球，哥哥惊奇地发现弟弟比自己要苍老许多，则该现象的科学解释是 A.哥哥在太空中发生了基因突变，停止生长了 B.弟弟思念哥哥而加速生长 C.由相对论可知，物体速度越大，其时间进程越慢，生理进程也越慢 D.这是神话，科学无法解释 27 02. 课堂练习 4. (多选)(2022·太原市高一期末)以下说法正确的是 A.经典物理学家认为如果两个事件在一个参考系中是同时的，在另一个 参考系中也是同时的 B.对于宏观物体的低速运动问题，量子力学与牛顿力学的结论是一致的 C.牛顿力学不仅适用于宏观物体的低速运动，也适用于微观粒子的高速 运动 D.相对论与量子力学否定了牛顿力学理论 28 02. 课堂练习 【答案】AB 【解析】经典物理学家认为，如果两个事件在一个参考系中认为是同时的，在另一个参考系中一定也是同时的，而根据爱因斯坦的两个假设，同时是相对的，故A正确； 相对论和量子力学的出现，并没有否定牛顿力学，牛顿力学是相对论和量子力学在低速、宏观条件下的特殊情形，故B正确，D错误； 牛顿力学只适用于宏观物体的低速运动，故C错误。 29 谢谢大家！ 30 【答案】C 【解析】根据公式Δt＝可知，物体的速度越大，其时间进程越慢。 $$