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

nullnullnull 教师： 日期： 月 日 7.5 相对论时空观 与牛顿力学的局限性 物理雾里悟理 站立式讨论（预习检验）： 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？ 答案：速度为c 真空中光速不变原理 物理雾里悟理 17 世纪牛顿力学构成了体系。可以说，这是物理学第一次伟大的综合。牛顿建立了两个定律，一个是运动定律，一个是万有引力定律，并发展了变量数学微积分，具有解决实际问题的能力。他开拓了天体力学这一科学，海王星和冥王星的发现就充分显示了这一点 。 经典力学的发展过程 物理雾里悟理 经典力学中的速度叠加 V人 V车 V人 V车 动画：非惯性系 物理雾里悟理 一、经典力学的时空观 描述一个物体的运动必须选择一个参考系，然后研究这一物体相对于参考系是如何运动的。 两个小球一起做自由落体运动，均受到重力的作用，如果以红球为参考系，则绿球是静止的。而绿球受到的合外力不为零。所以绿球相对于红球这个参考系而言，并不符合牛顿运动定律。 惯性参考系——牛顿运动定律成立的参考系 非惯性参考系——牛顿运动定律不成立的参考系 惯性系与非惯性系: 所有相对于惯性系做匀速直线运动的参考系都是惯性系，而对于惯性系做变速运动的参考系为非惯性系。 物理雾里悟理 在经典物理学中 车内观察者看到闪光同时传到前后两壁 （相对论时空观） 车外观察者看到闪光先到达后壁， 后到达前壁（惯性系） 物理雾里悟理 1905年，出生于德国的美籍物理学家阿尔伯特·爱因斯坦（1879──1955）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（特定观察）而变化。 牛顿的局限 　　1)绝对时空观 　　认为时间与空间无关，时空与运动无关，是绝对的物理量。 　　2)当一些问题牛顿解释不了时，他就只好用上帝的万能来解释，为此牛顿花费了后半生的心血，这正是牛顿的悲剧。 物理雾里悟理 爱因斯坦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——光速不变原理。 二、相对论时空观 物理雾里悟理 二、相对论时空观 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。 物理雾里悟理 二、相对论时空观 （1）同时是相对的 在经典物理家的头脑中，如果两个事件在一个参考系中看来是同时的，在另一个参考系中看来也一定是同时的，但是如果接受爱因斯坦的两个假设，我们会得出“同时是相对的”这样一个结论. 物理雾里悟理 结论：火车上的时间进程变慢了，这时时间间隔为 的相对性，称为“时间延缓效应”. (2)运动的时钟变慢 a图以车上的人作为参考系△t＇ b图以站台上的人作为参考系△t 二、相对论时空观 物理雾里悟理 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 【正确答案】B 物理雾里悟理 v 车上的人看到的车厢的长度： 车外的人看到的车厢的长度： （3）运动的杆缩短 结论： 一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比、杆静止时的长度小，称为“长度缩短效应”. 二、相对论时空观 物理雾里悟理 例2：在静止坐标系中的正立方体边长为l0，另一坐标系以相对速度v平行于正立方体的一边运动.问在后一坐标系中的观察者测得的立方体的体积是多少？ 练一练： 物理雾里悟理 但是，当宏观物体的运动速度远小于光速时（v<<c），则上面的一些结果就变为l≈l0， △t＇≈ △t ，因而对于宏观低速运动的物体，使用牛顿定律来处理问题，还是足够精确的. 相对论的时空观： 物理雾里悟理 相对质量 在经典力学中，物体的质量是不变的，但爱因斯坦的狭义相对论指出，物体的质量随速度的增大而增大 m0为物体静止时的质量 m是物体速度为v时的质量 c是真空中的光速 ——动质量增大 相对论的时空观： 物理雾里悟理 相对论时空观的验证 1971年，两位科学家利用数台铯原子钟，其中四台放到飞机里，地面上留一台作为标准钟，随后让飞机在赤道附近环球飞行，一次往西一次往东，每次耗费的时间大约是三天，最后看飞机上的原子钟和地面原子钟的时间差异。 实际值：向东飞行一圈，飞机上的时间比地面慢了59纳秒左右；而向西飞行时，飞机上时间比地面时间快了273纳秒左右。 物理雾里悟理 物理学史上的”里程碑” 物理雾里悟理 三、经典力学的局限性：宏观低速的世界 在宏观低速的世界： 宏观物体低速运动（远小于光速），经典力学完全适用。 时间和空间没有联系，相互独立，与物体及其运动状态都没有关系。 物体的相关物理量（位移、质量、大小等）与物体的运动状态都无关。 当一些问题(如微观领域的深入)牛顿解释不了时，它就只好用上帝的万能来解释，为此牛顿花费了后半生的心血，这正是牛顿的悲剧。 物理雾里悟理 从低速到高速（接近光速） 随着物体速度的加快，时间会变慢。将一个钟表留在地面上，而携带另一个以很快速度移动，随后进行比较，地上的钟表总比快速移动的快。 物体以接近光速运行时所表现出的长度会比它静止时更短。 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。 物体的质量随速度的增大而增大 1905年，爱因斯坦提出，物体高速时（接近光速），物体所占空间（如长度），物理、化学过程，生命持续时间，都与运动状态有关，时空都与运动相关联了------------狭义相对论 物理雾里悟理 从宏观到微观 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。 ——量子力学 物理雾里悟理 从弱引力到强引力 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(太阳的引力半径为3 km，地球的引力半径为1 m,如白矮星)，天体间的引力就趋于无穷大 ，强引力。 ——爱因斯坦广义相对论 物理雾里悟理 【例题3】对于时空观的认识，下列说法正确的是 (　　) A．相对论给出了物体在低速运动时所遵循的规律 B．相对论具有普遍性，经典物理学为它在低速运动时的特例 C．相对论的出现使经典物理学在自己的适用范围内不再继续发挥作用 D．经典物理学建立在实验的基础上，它的结论又受到无数次实验的检 验，因此在任何情况下都适用 【正确答案】B 练一练： 物理雾里悟理 【例题4】(多选)以下说法正确的是(　　) A．经典力学理论普遍适用，大到天体，小到微观粒子均适用 B．经典力学理论具有一定的局限性 C．在经典力学中，物体的质量不随运动状态的改变而改变 D．相对论和量子力学否定了经典力学理论 【正确答案】BC 练一练： 物理雾里悟理 【例5】1905年到1915年，爱因斯坦先后发表的狭义相对论和广义相对论在20世纪改变了理论物理学和天文学，取代了主要由牛顿创立的有200年历史的力学理论。狭义相对论适用于基本粒子及其相互作用，描述了除引力以外的所有物理现象。广义相对论解释了引力定律及其与其他自然力的关系，适用于宇宙学和天体物理学领域，包括天文学。下列有关相对论的内容，说法正确的是（　　） A．狭义相对论的两条基本假设是不确定关系与光速不变原理 B．飞船以0.2c的速度航行，若飞船向正前方的某一星球发射激光，则该星球上的观察者测量到的激光速度为1.2c C．由于相对论的提出，牛顿力学已经失去了它的应用价值 D．已知μ子低速运动时的平均寿命是3.0μs。当它以0.99c的速度飞行，若以地面为参考系，此时μ子的平均寿命变长 【参考答案】D 练一练： 物理雾里悟理 自研教材 自研教材：【科学漫步】 物理雾里悟理 课堂小结 一、相对论时空观 时间延缓效应 长度收缩现象 二、牛顿力学的成就 三、牛顿力学的局限性 物理雾里悟理 解析　在地面上的人看来，A、B两火箭都远离自己，由Δt＝知，地面上的人观察到的结果为：A、B两火箭上的时钟都变慢了.又vA＞vB，则A火箭上的时钟走得最慢，地面上的时钟走得最快，因此B正确，A、C、D错误. 测得立方体的体积为V＝l02l＝l03. 答案　l03 解析　本题中正立方体相对于另一坐标系以速度v运动，一条边与运动方向平行，则坐标系中观察者测得该条边的长度为l＝l0 $$nullnullnull