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

第七章 万有引力定律 7.5 相对论时空观与 牛顿力学的局限性 人教版(2019)必修 第二册 若一列火车的速度是10 m/s,一个人在车上相对于车以10 m/s的速度向前跑,那么他相对于地面的速度为 m/s。 导 20 若火车的速度为0.9c(c为光速),火车上的人向前发出一束激光(相对于车的速度为c)。激光相对于地面的速度是多少? 1.感受牛顿力学在高速世界与事实的矛盾，知道牛顿力学只适用于低速、宏观物体的运动。 2.通过实例分析,理解相对论的时空观 3.掌握时间延缓效应和长度收缩效应,并能进行简单运算 学习目标 一、知识梳理（阅读课本65-68页，填写以下内容） （1）绝对时空观:时间与空间都是独立于物体及其 而存在的,也叫牛顿力学时空观。  （2）爱因斯坦的假设: ①在不同的惯性参考系中,物理规律的形式都是 的。 ②真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是 的。 运动 相同 相同   运动状态 相关概念： ①低速:远小于光速的速度为低速,通常所见物体的运动,如行驶的汽车、发射的导弹、人造地球卫星及宇宙飞船等物体的运动皆为低速运动。 ②高速:有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近,这样的速度称为高速。 ③微观世界。电子、质子、中子等微观粒子的运动规律在很多情况下不能用牛顿力学来说明,而             能够很好地描述微观粒子运动的规律。 2.牛顿力学的成就与局限性 量子力学 （3）牛顿力学的适用范围。 牛顿力学适用于     运动,不适用于      运动;适用于      世界,不适用于     世界。  当物体的运动速度远小于光速c时(c=3×108 m/s),相对论物理学与牛顿力学的结论       。当另一个重要常数即普朗克常量h可以忽略不计时(h=6.63×10-34 J·s),量子力学和牛顿力学的结论            。 低速 高速 宏观 微观 没有区别 没有区别 1.绝对时空观 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。 生活经验让我们体会到，时间像一条看不见的“长河”，均匀地自行流逝着，空间像一个广阔无边的房间，它们都不影响物体及其运动。也就是说，时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的。这种绝对时空观，也叫牛顿力学时空观。 麦克斯韦 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。 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。 迈克耳孙 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. 2.爱因斯坦的假设 (1)在不同的惯性参考系中,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。 爱因斯坦 思考：若火车的速度为0.9c(c为光速),火车上的人向前发出一束激光(相对于车的速度为c)。 激光相对于地面的速度是否为1.9c? 光速不变原理 相对于地面速度为c 思考与讨论 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？ 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） 同时性是相对的 3.同时的相对性 【探究点一】 相对论时空观 设想有一光子火箭以v=0.95c的速率相对地球做直线运动。 探究1:若火箭上航天员的计时器记录他用去10 min,则地球上的观察者测得用去多长时间? 探究2:若以火箭为参考系测得火箭长度为15 m,以地球为参考系,此火箭有多长? 探 ≈32min ≈4.68m   注： 除时间延缓效应和长度收缩效应外还有质增效应 【例1】有一种粒子叫μ子，当它低速运动时，它的平均寿命是3.0μs，当μ子以0.99c的速度飞行时，若选μ子为参考系，μ子的平均寿命是多少？若以地面为参考系，μ子的平均寿命是多少？ 【解】若选μ子为参考系，μ子的平均寿命为t1=3.0μs； 若以地面为参考系，μ子的平均寿命为t2 【探究点二】牛顿力学与狭义相对论 如图甲所示,质子束被加速到接近光速;如图乙所示,中子星是质量、密度非常大的星体。 探究1:牛顿力学是否适用于质子束的运动规律? 探究2:如何研究质子束的运动规律? 不适用，牛顿力学只适用于宏观低速弱引力 需要用狭义相对论和量子力学研究 归纳总结 1.区别 狭义相对论 牛顿力学适用于低速运动的物体;狭义相对论阐述物体在以接近光速运动时所遵循的规律 量子力学 牛顿力学适用于宏观世界;量子力学能够正确描述微观粒子的运动规律 2.联系 (1)当物体的运动速度远小于光速时,相对论物理学与经典物理学的结论没有区别。 (2)当另一个重要常数即普朗克常量可以忽略不计时,量子力学和牛顿力学的结论没有区别。 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。 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。 牛顿力学的成就 牛顿力学的局限性 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。 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。 判断  1.牛顿力学一般不适用于微观粒子。(　　) 2.量子力学不能描述微观粒子的运动规律。(　　) 3.量子力学和相对论都没有否定过去的科学。( 　　) √ × √ 【例2】(多选)以下说法正确的是(　　) A.牛顿力学理论普遍适用,大到天体,小到微观粒子均适用 B.牛顿力学理论具有一定的局限性 C.在牛顿力学中,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牛顿力学理论 科学的成就总是在某些条件下的局部形成,在新的科学成就形成后,它将被包括在其中。爱因斯坦的相对论并没有否定牛顿力学的理论,而是把它看成是在一定条件下的特殊情形。 BC A B 牛顿力学 相对论 时间延缓效应 长度收缩效应 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 只适用于弱引力，不适用于强引力。 牛顿力学在宏观、低速、弱引力的广阔领域取得了巨大的成功 课堂小结 1.地面上长100 km的铁路上空有一火箭沿铁路方向以30 km/s的速度掠过,则火箭上的人看到铁路的长度应该为多少? 如果火箭的速度达到0.6c,则火箭上的人看到的铁路的长度又是多少? 100km =80m 2.(多选)关于牛顿力学、相对论和量子力学,下列说法正确的是(　　) A.相对论和牛顿力学是相互对立的两种理论 B.在物体高速运动时,物体的运动规律服从相对论理论;在低速运动时,物体的运动规律服从牛顿力学 C.牛顿力学适用于宏观物体的运动,量子力学适用于微观粒子的运动 D.不论是宏观物体,还是微观粒子,牛顿力学和量子力学都是适用的   BC 本节结束 谢谢观看 Lavf58.20.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $$