7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 课件-2024-2025学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册

7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性 设想人类可以利用飞船以0.5c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？ 思考与讨论 1.空间和时间都独立于物体及其运动而存在。 2.时间和空间是两个独立的观念,彼此间没有联系。 3.通俗地说就是时间、长度和质量这三者都与参考系的选取无关。 这种绝对时空观，也叫牛顿力学时空观。 一、绝对时空观 牛顿 （Isaac Newton，1643－1727） 伽利略相对性原理： 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 因此，前面问题的答案似乎应为1.2c。然而， 事实并非如此。 一、绝对时空观 伽利略 (GalileoGalilei，1564-1642) 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？ 二、牛顿力学与电磁波理论遇到了怎样的矛盾和冲突 麦克斯韦 (James Clerk Maxwell，1831—1879) 1887年迈克耳孙—莫雷实验表明：在不同的参考系中，光的传播速度都是一样的。 二、牛顿力学与电磁波理论遇到了怎样的矛盾和冲突 迈克尔逊 (Albert Abraban Michelsom,1852-1931) 二、牛顿力学与电磁波理论遇到了怎样的矛盾和冲突 迈克尔逊 (Albert Abraban Michelsom,1852-1931) 按照绝对时空观,光的传播速度与参考系的选取有关,而实验测得光的传播速度与参考系的选取无关,二者有矛盾。 三、爱因斯坦的假设 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？ 阿尔伯特·爱因斯坦 (Albert Einstein，1879—1955) 四、时间的延缓效应 如果你接受了爱因斯坦的两个假设，假设一列火车沿平直轨道飞快的地匀速行驶，车厢中央的光源发出了一个闪光，那么在车上的人和在车下的人，看到闪光照到车厢前壁和后壁这两个时间是否都是同时发生的呢？ 阿尔伯特·爱因斯坦 (Albert Einstein，1879—1955) 四、时间的延缓效应 对于车下的观察者来说，他以地面为参考系，观测到的结果应该是：闪光先到达后壁，后到达前壁（图7.5-1乙）。因此，这两个事件不是同时发生的。 四、时间的延缓效应 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完成这个动作的时间间隔为Δt，那么两者之间的关系是： 由于物体的速度不可能达到光速，所以,总有Δt >Δτ，此种情况称为时间延缓效应。 五、长度收缩效应 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: 由于物体的速度不可能达到光速，所以,总有l >l0，此种情况称为长度收缩效应。 六、相对论时空观 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，它反映的时空观称作相对论时空观。 七、相对论时空观的第一次验证 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。 八、牛顿力学的成就 牛顿力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律的建立与应用更是确立了人们对牛顿力学的尊敬。 从地面上物体的运动到天体的运动，从拦河筑坝、修建桥梁到设计各种机械，从自行车到汽车、火车、飞机等现代交通工具的运动，从投出篮球到发射导弹、人造地球卫星、宇宙飞船……所有这些都服从牛顿力学的规律。牛顿力学在如此广阔的领域里与实际相符合，显示了牛顿运动定律的正确性和牛顿力学的魅力。 八、牛顿力学的局限性 (1)牛顿力学只适用于低速运动，不适用于高速运动。高速运动物体的运动规律需要用相对论来分析。 (2)微观世界：电子、质子、中子等微观粒子，发现它们不仅具有粒子性，同时还具有波动性，它们的运动规律在很多情况下不能用牛顿力学来说明。20世纪20年代，量子力学建立了，它能够很好地描述微观粒子运动的规律，并在现代科学技术中发挥了重要作用。 即：牛顿力学适用于分析宏观物体的运动，微观物体的运动要用量子力学来分析。 典型例题：一、相对论时空观 例1　如图所示，强强乘坐速度为0.9c(c为光速)的宇宙飞船追赶正前方的壮壮，壮壮的飞行速度为0.5c，强强向壮壮发出一束光进行联络，则壮壮观测到该光速的传播速度为(　　) A．0.4c B．0.5c C．0.9c D．c 典型例题：一、相对论时空观 例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 D．这个人瘦但不高 典型例题：一、相对论时空观 例3　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 典型例题：二、牛顿力学的成就与局限性 例4　下列关于牛顿力学的说法正确的是(　　) A．牛顿力学适用于宏观、低速(远小于光速)运动的物体 B．牛顿力学适用于微观、高速(接近光速)运动的粒子 C．相对论和量子力学的出现，表明牛顿力学已被完全否定了 D．牛顿力学在理论和实践上取得了巨大的成功，从地面到天体的运动都服从牛顿力学的规律，因此任何情况下都适用 典型例题：二、牛顿力学的成就与局限性 例5　经典力学规律有其局限性．物体以下列哪个速度运动时，经典力学规律不适用(　　) A．2.5×10－5 m/s B．2.5×102 m/s C．3.5×103 m/s D．2.5×108 m/s Lavf59.16.100 Lavf59.16.100 $$