7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性-2024-2025学年高一物理备课高效互动课件（人教2019必修第二册）

爱因斯坦狭义相对论中一个非常拗口的概念，同时性的相对性。这个概念的解释是，如果在某个惯性系中看来，不同空间点发生的两个物理事件是同时的，那么在相对于这一惯性系运动的其他惯性系中看来，就不再是同时的。通俗点说，如果你乘坐一个光速飞船和一束光同时出发飞向外太空，在地面观察的人会发现你和那束光是齐头并进的。但是在你看来，光相对于你仍然是以光速前进，你一瞬间就被甩在了身后，这就是同时性的相对性。在前面的节目中我们讲到过光速不变。光速不会因为我们和光同方向运动，我们和光的相对速度就变慢。光速不会因为我们和光反方向运动，我们和光的相对速度就变快。光始终保持着30万公里每秒的速度。因为对于不同的参考系来说，时间的流逝速度是不一样的。时间流逝的速度不一样，决定了看到的事物不同。视频来源于网络，喜欢的小伙伴可以点击。 效应也就是测量运动中的物体，它的长度会比固有长度要短。而与长度一样，时间间隔也有类似关系。比如一辆列车在地面上匀速运动，车厢中有两滴水依次从同一地方落到车厢地板上，这就是前后两个事件。假设以火车车厢为参考系，车上的人在第一个事件发生时读出时刻为T1撇，当第二个事件发生时读出时刻为T2撇，那么两件事的时间间隔就是这样。话说回来，在地面上的人如何以地面为参考系测量两件事的时间间隔呢？首先在地面上放一排已经对好时间的钟，当车厢中的第一滴水落到地面上时，督促对应时刻为T1。当第二滴水落到地面上时，读出对应时刻为T2。那地面上测试的时间间隔就是这样。不过这儿有个小问题，由于同时的相对性，地面上的人觉得自己对好了钟，但在车厢里的人看来，地面上的钟并没有对好。由于以火车车厢为参考系，地面是向左运动，根据同时的相对性，月在地面运动方向的后方，钟的时刻会越早，越在地面运动方向的前方钟的时刻会越晚。经过详细分析，车厢里的人看到的时间间隔跟地面上的人看到的时间间隔存在这样的关系。因为以车厢为参考系，两滴水在同一地点下落，所以测量出的时间间隔称为本征时间。而这部分一定小于一，所以本征时间是最短的。其他参考系下的时间间隔都会变长，被称为中慢效应。可是像尺寸效应一样，平时火车的速度远远小于光速C所以火车上的钟表跟你的手表基本一样快。但当火车的速度接近光速时，通过公式计算，中脉效应很明显了。那么在地面上看来，因为火车在高速运动，车厢中的时钟变慢了，化学反应变慢了，人的衰老也变慢了。当然这只是地面参考系的感觉，在车厢里的人并不会感觉有任何变慢，反而觉得地面在高速运动。所以地面上的时钟变慢了，化学反应变慢了，人的衰老也变慢了，这就是中慢效应的相互性。大家都觉得运动的物体变慢了。好了，这次咱讲的是中慢效应观察。 第七章 万有引力与宇宙航行 第五节　相对论时空观与牛顿力学的局限性 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？ 然而，事实并非如此！ 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。 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、爱因斯坦的假设 ： 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？ 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。 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。 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。 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。 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 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。 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 相对论和量子力学的出现，是否表示经典力学失去了意义? 相对论和量子力学的出现，说明人类对自然界的认识更加广泛和深入，而不表示经典力学失去了意义。它只是使人们认识到经典力学有它的适用范围： 只适用于低速运动，不适用于高速运动， 只适用于宏观世界，不适用于微观世界。 讨论与交流 互为补充，互不矛盾，互不否定共同支撑起物理学科的骨架。 相对论、量子力学和经典力学的关系： 经典力学 狭义相对论 广义相对论 量子力学 宏观低速 高速 强引力 微观世界 课堂练习1、以下哪项属于爱因斯坦对相对论提出的基本假设(　　) A.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 B.在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的 C.真空中的光速在不同的惯性参考系中是不相同的 D.相对论认为时间和空间与物体的运动状态有关 解析　爱因斯坦对相对论提出的两条基本假设为：(1)在不同的惯性参考系中，一切物理规律的形式都是相同的；(2)真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。其他内容均建立在这两点的基础之上，故B正确。 B 课堂练习2、某考生现在正在完成100分钟的期末物理考试，假设一艘飞船相对该考生以0.3c的速度匀速飞过(c为真空中的光速)，则飞船上的观察者根据相对论认为该考生考完这场考试所用时间(　　) A.大于100分钟 B.等于100分钟 C.小于100分钟 D.不能确定 A 课堂练习3、美国科学家宣布，他们探测到引力波的存在。引力波是实验验证爱因斯坦相对论的最后一块缺失的“拼图”，相对论在一定范围内弥补了牛顿力学的局限性。关于牛顿力学，下列说法正确的是(　　) A.牛顿力学完全适用于宏观低速物体 B.牛顿力学取得了巨大成就，是普遍适用的 C.随着物理学的发展，牛顿力学逐渐成为过时事物理论 D.由于相对论、量子论的提出，牛顿力学已经失去了它的应有价值 解析　牛顿力学完全适用于宏观低速运动的物体，A正确；牛顿力学取得了巨大的成就，但它也具有一定的局限性，并不是普遍适用的，B错误；在微观高速下要用量子力学和相对论来解释，但是并不会因为相对论和量子力学的出现，就否定了牛顿力学，牛顿力学仍然是正确的，不会过时也不会失去价值，C、D错误。 A Lavf58.20.100 Lavf58.20.100 解析　根据狭义相对论可知，飞船相对该考生以0.3c的速度匀速飞过时，飞船上的观察者认为该考生考完这场考试所用的时间t＝>t0，即飞船上的观察者认为该考生考完这场考试所用的时间大于100分钟，选项A正确。 $$有一列火车正以速度V向前运动，顺着火车运动方向，一根长木杆静止放在火车中。那在参考系火车和参考系地面看来，这根长木杆会一样长吗？先看火车这边要测量长木杆的长度，需要将一把尺子放在长木杆的旁边，读出右端坐标X一撇和左端坐标X2撇，两者作差就可得长度。因为长木杆相对于火车车厢静止，所以限度哪边都行，这时测量出的长度称之为固有长度或者本征长度。再看地面，这边的人测量长木杆的长度，那就把一把尺子放在地面上，因为长木杆相对地面是运动的。如果先读这一段的坐标，隔了一段时间再读这一段的坐标，那测量值就只有这一部分。所以必须得同时读出两端坐标，这样才能得到正确值。但因为同时的相对性，在火车上的人看来，地面的人是先读取N端的坐标，脉动M端的坐标。虽然地面的人认为自己在同时读取两端坐标，所以火车上的人断定地面上的人量的短，这就是尺缩效应，经过严格推导得到两种长度的换算关系，其中C是光速，V是相对速度。因为这部分小于一，所以在沿着运动方向上的长度比在静止时的固有长度要小还以刚才的火车为例，在火车静止时，地面上的人会觉得一切正常，但一旦火车高速运动起来，那地面上的人就会觉得车厢和里面的一切在运动方向上的长度都比原来短了些。当然与运动方向垂直的长度则都还是保持不变。而对于火车上的人来说，火车上一切正常，也就是固有长度没有变，而看到地面上的事物也只在运动方向上被压扁了。由此可见尺寸效应是相互的，都会比静止时的固有长度要小，那问题来了，为什么平时没有发现尺寸效那那也是因为在日常生活中的物体，它们的速度都远远小于光速。那在尺度变换公式中，这个速度比就约等于0，这个部分就约等于一，那运动方向上的长度就几乎等于静止时的固有长度，无法发现尺寸现象。好了，有趣的尺寸效应就讲到这里。