7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性(课件)-2021-2022学年【扬帆起航系列】人教版(2019)高中物理必修第二册(共42张PPT)

(共42张PPT)
人教版（2019）高中物理必修第二册
第七章 万有引力与宇宙航行
7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性
授课人：扬帆起航
CONTENTS
01
牛顿力学的经典时空观
02
相对论时空观
03
牛顿力学的成就与局限性
04
目录
典型例题
典型例题
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？
课堂引入
议一议
V水=5m/s
V船=5m/s
轮船相对河岸的速度是多少？
再议一议
V水=0.2倍光速
飞船上宇航员发出的激光速度是多少？
答案：等于光速！
01
牛顿力学的经典时空观
万有引力与宇宙航行
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
一、牛顿力学的经典时空观
1、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。
表述1：对于所有的惯性系，力学规律都是相同的。
2、伽利略的相对性原理
表述2：在一个惯性参考系内进行的任何力学实验都不能判断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动。
表述3：一切惯性系都是等价的。
绝对的真实的数学时间，就其本质而言，是永远均匀地流逝，与任何外界无关，绝对空间就其本质而言是与任何外界事物无关的，它从不运动，并且永远不变，这就是经典力学的时空观。也称绝对时空观。
绝对时空观：
牛顿：“如果说我看得远，那是因为我站在巨人们的肩上。”
思考与讨论：
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
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。
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！
02
相对论时空观
万有引力与宇宙航行
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）
1.牛顿力学与电磁理论的冲突
二、相对论时空观
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！
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。
阿尔伯特·迈克尔逊（1852—1931）
但都没有成功！
以爱因斯坦和庞加莱为代表的另一批物理学家，坚决主张，彻底放弃某些与实验事实不相符的观念，如绝对时间的观念，在实验事实的基础上，大胆提出，能够更好地解释实验现象的假设。
儒勒·庞加莱（法）
（1854-1912）
2.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。
阿尔伯特·爱因斯坦（1879—1955）
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！
相对论的时空观念与人们固有的时空观念差别很大，很难被普通人所理解。人们都称赞爱因斯坦伟大，但又常常弄不懂这伟大的内容。这使人们想起英国诗人波谱的诗句:
自然和自然的法则在黑暗中隐藏；上帝说，让牛顿去吧！于是一切都被照亮。魔鬼说，让爱因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。
同时性是相对的
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）
由此可见，时间不再是绝对的，而是相对的，这种情况被称为时间延缓效应。
如果相对地面以v运动的某惯性参考系上的人，观察与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为t0，地面上的人观察该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为t，两者之间的关系为：
如果有一根杆，与杆相对静止的人测得杆长是l0，沿着杆的方向，以速度v相对杆运动的人测得杆长是l，那么l0与l两者之间的关系是：
由此可见，空间距离也不再是绝对的，而是相对的，这种情况被称为长度收缩效应。
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。
03
牛顿力学的成就与局限性
万有引力与宇宙航行
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。
三、牛顿力学的成就与局限性
(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。
1、牛顿力学的成就
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。
2.牛顿力学的局限性
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。
牛顿力学只适用于低速运动，不适用于高速运动；
只适用于宏观世界，不适用于微观世界；
只适用于弱引力情况，不适用于强引力情况。
低速与高速:
(1)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皆为低速运动物体。
(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。
经典力学、相对论和量子理论的比较
1.狭义相对论:经典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。
2.量子力学:经典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。
3.广义相对论:经典力学在弱引力的情况下与实验结果符合得很好;爱因斯坦的广义相对论能够解释强引力情况下的作用规律。
04
典例分析
万有引力与宇宙航行
例1、以牛顿运动定律为基础的经典力学的适用范围是(　　)
A．低速、宏观的运动问题
B．高速、微观的运动问题
C．低速、微观的运动问题
D．高速、宏观的运动问题
典例分析
A
例2、(多选)物理学的发展丰富了人类对物质世界的认识，推动了科学技术的创新和革命，促进了物质生产的繁荣与人类文明的进步．下列表述正确的是(　　)
A．牛顿发现了万有引力定律
B．牛顿通过实验证实了万有引力定律
C．相对论的创立表明经典力学已不再适用
D．爱因斯坦建立了狭义相对论，把物理学推进到高速领域
AD
例3、下列说法正确的是(　　)
A．在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变，在狭义相对论中，物体的质量也不随运动状态而改变
B．狭义相对论和经典力学是完全不同相互矛盾的两个理论
C．物体高速运动时，物体的运动服从狭义相对论，在低速运动时，物体的运动服从牛顿运动定律
D．以上说法都是错误的
C
例4、以对于经典力学理论，下列说法正确的是(　　)
A．由于相对论、量子理论的提出，经典力学已经过时了
B．经典力学在今天广泛应用，它的正确性无可怀疑，仍是普遍适用的
C．经典力学在历史上起了巨大的作用，随着物理学的发展而逐渐过时，成为一种古老的理论
D．经典力学在宏观低速运动中，引力不太大时适用
D
例5、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
典例分析
B
例6、(多选)在地面附近有一高速飞过的火箭，关于地面上的人和火箭中的人观察到的现象正确的是( 　　)
A．地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变快了
B．地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变慢了
C．火箭上的人观察到火箭的长度和时间进程均无变化
D．火箭上的人看地面上的物体长度变短，时间进程变慢了
BCD
例7、关于经典力学和量子力学，下列说法中正确的是(　　)A．不论是对宏观物体，还是微观粒子，经典力学和量子力学都是适用的B．量子力学适用于宏观物体的运动；经典力学适用于微观粒子的运动C．经典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．上述说法都是错误的
C
典例分析
例8、某宇航员要到离地球5光年的星球上去旅行，如果地球指挥中心希望把这路程缩短为3光年，则他所乘飞船相对地球的速度为（ ）
A．0.5c　　　　　B．0.6c
C．0.8c D．0.9c
C
例9、(多选)假设一列100 m长的火车以接近光速的速度穿过一根100 m长的隧道，它们的长度都是在静止状态下测量的，下列关于看到的现象判断正确的是( 　　)
A．相对隧道静止的观察者会看到，火车变短，在某些位置上，隧道能完全遮住它
B．相对隧道静止的观察者会看到，隧道变短，在某些位置上，火车从隧道的两端伸出来
C．相对火车静止的观察者会看到，火车变短，在某些位置上，隧道能完全遮住它
D．相对火车静止的观察者会看到，隧道变短，在某些位置上，火车从隧道的两端伸出来
AD
解析：相对于隧道静止的观察者看到火车在运动，所以火车比隧道短，在某些位置火车会完全处在隧道内部，然而相对火车静止的观察者会看到隧道在运动，所以隧道比火车短，在某些位置火车两端都伸出隧道，A、D两项正确，B、C两项错误．答案：AD
例10、话说有兄弟两个，哥哥乘坐宇宙飞船以接近光的速度离开地球去遨游太空，经过一段时间返回地球，哥哥惊奇地发现弟弟比自己要苍老许多，则该现象的科学解释是(　　)
A．哥哥在太空中发生了基因突变，停止生长了
B．弟弟思念哥哥而加速生长了
C．由相对论可知，物体速度越大，在其上的时间进程就越慢，生理过程也越慢
D．这是神话，科学无法解释
C
解析：根据相对论的时间延缓效应，当飞船速度接近光速时，时间会变慢．时间延缓效应对生命过程、化学反应等也是成立的．飞船运行的速度越大，时间延缓效应越明显，人体的新陈代谢越缓慢．答案：C