7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 课件 -2025-2026学年高一下学期物理人教版必修第二册

7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 第七章 万有引力与宇宙航行 人教版（2019） · 高中物理必修二 授课老师： 授课日期： 1.7.2013 ‹#› 目 录 01 相对论时空观 02 牛顿力学的成就与局限性 1.7.2013 ‹#› 思考与讨论 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？ 1.7.2013 ‹#› 绝对论时空观 我们知道，如果河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 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。 问题与思考 真空中的光速是宇宙中最快的速度。这里怎么出现了1.2倍的光速呢？显然，在哪里出现了问题！ 1.7.2013 ‹#› 绝对论时空观 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。 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。 归 纳 1.7.2013 ‹#› 第一部分 相对论时空观 1.7.2013 ‹#› 相对论时空观 十九世纪，英国科学家麦克斯韦，提出了电磁场理论，预言了电磁波的存在，并从理论上证明了，电磁波传播的速度等于光速。人们不禁要问：这个速度是相对哪个参考系而言的呢？ 麦克斯韦（1831—1879） 牛顿力学与电磁理论的冲突 1.7.2013 ‹#› 相对论时空观 牛顿力学与电磁理论的冲突 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！ 阿尔伯特·迈克尔逊（1852—1931） 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。 1.7.2013 ‹#› 相对论时空观 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. 针对两者的矛盾，爱因斯坦提出了他的假设： 阿尔伯特·爱因斯坦（1879—1955） （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。 这两个假设看起来平淡无奇，但如果接受了这两个假设的观点，并用它来分析问题，可能会在我们的头脑中引起一场轩然大波！ 1.7.2013 ‹#› 相对论时空观 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 1.7.2013 ‹#› 相对论时空观 1.7.2013 ‹#› 相对论时空观 时间延缓效应 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 由于物体的速度不可能达到光速，所以 ，总有 ， 此种情况称为时间延缓效应（钟慢效应）。 1.7.2013 ‹#› 相对论时空观 长度收缩效应 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 ，总有 ，此种情况称为长度收缩效应。 1.7.2013 ‹#› 相对论时空观 相对论的时空观 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。 1.7.2013 ‹#› 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。 相对论时空观的第一次验证 1.7.2013 ‹#› 第二部分 牛顿力学的成就与局限性 1.7.2013 ‹#› 牛顿力学的成就与局限性 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。 1.牛顿力学的成就 大到天体运动，小到生活中各种各样的运动，都符合牛顿经典力学，牛顿经典力学覆盖着极广大的范围。 1.7.2013 ‹#› 牛顿力学的成就与局限性 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。 2.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。 1.7.2013 ‹#› 课堂小结 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 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。 一、相对论时空观 二、牛顿力学的成就与局限性 （1）时间延缓效应 （2）长度收缩效应 1.7.2013 ‹#› 课堂练习 【练习1】关于牛顿力学和狭义相对论，下列说法正确的是（　　） A．牛顿力学适用于宏观世界弱引力场中的低速运动 B．牛顿力学适用于分析高速运动的μ子的寿命 C．在狭义相对论中，真空中光速是可变的 D．在狭义相对论中，物体的能量与质量无关 A 1.7.2013 ‹#› 课堂练习 【练习2】某星际飞船正在遥远的外太空飞行，假如它的速度可以达到0.7c，在地球上观测到其经过8.76×104 h的时间到达某星球，则在飞船上的人看来，其到达此星球需要的时间是（　　） A．8.76×104 h B．6.26×104 h C．12.27×104 h D．16.52×104 h B 1.7.2013 ‹#› 感谢聆听 1.7.2013 ‹#› Lavf58.20.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $