必修二第七章万有引力与宇宙航行：第5节相对论时空观与牛顿力学的局限 课件（30张）

(共30张PPT)
课 题：相对论时空观与牛顿力学的局限性
【学习目标】
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低速、宏观物体的运动。知道相对论、量子论有助于人类认识高速、微观领域。
2.知道爱因斯坦狭义相对论的基本假设，知道长度相对性和时间间隔相对性的表达式。
3.了解宇宙起源的大爆炸理论，知道科学真理是相对的，未知世界必将在人类不懈的探索中被揭开更多的谜底。
【新课导入】
问题1：图为高速列车行驶时车厢内显示的列车速度，列车上的乘客观察到车厢内的时间、长度与地面上的观察者看到的相同吗？时间和空间都不会因为物体的运动而改变的观念叫什么？
一、牛顿力学时空观
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.
问题2：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？
我们知道，若河中的水以相对于岸的速度v水岸流动，河中的船以相对于水的速度v船水顺流而下.则船相对于岸的速度为v船岸= v船水+ v水岸.
思考：假如测得的光速是1.2C,这与之前我们知道的光速是自然界最快的速度矛盾吗？
问题3：电磁波（光）在真空中传播的速度是C，有没有指明是相对哪个参考系？如果没有指明说明了什么？不同的科学家是怎么探索这个问题？
麦克斯韦：电磁波在真空中传播的速度是C
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！
二.相对论时空观
爱因斯坦的假说以及在此假说基础上得出的结论，经受住了实验的检验，对现代物理学和人类的思想发展都有很大的影响。
爱因斯坦假设
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。
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。 车上的观察者以车厢为参考系，因为车厢是个惯性系，光向前、后传播的速率相同，光源又在车厢的中央，闪光当然会同时到达前后两壁（图甲）。
对于车下的观察者来说，他以地面为参考系，因闪光向前、后传播的速率对地面也是相同的，在闪光飞向两壁的过程中，车厢向前行进了一段距离，所以向前的光传播的路程长些。他观测到的结果应该是 ：闪光先到达后壁，后到达前壁（图 乙）。因此，这两个事件不是同时发生的。
问题4：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？
1.时间延缓效应
2.长度收缩效应
第一次微观验证
1971年铯原子钟实验
将铯原子钟放在飞机上，沿赤道向东和向西绕地球一周，回到原处后，分别比静止在地面上的钟慢59纳秒和快273纳秒。
第一次宏观验证
地球以一定的角速度向东转，地面不是惯性系，而从地心指向太阳的参考系是惯性系（忽略地球公转）。飞机的速度总小于地球自转速度，所以无论飞机向东还是向西，它相对于惯性系都是向东，只是前者速度大，后者小。而地面上的钟的转速度介于二者之间。
上述实验表明，相对于惯性系转速越大的钟走得越慢。
然而人们所获得的比一秒还短得多的生命延长，远远不及劣质飞机餐对健康的残害！
——霍金《时间简史》
这暗示着，人要活得更长久，应该不断地向东飞去，使得地球的转动速度叠加上飞机的速度。
著名物理学家杨振宁曾赞颂到：“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。”
三、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。
时 间
阿基米德发现浮力定律 公元前三世纪
开普勒发现行星运动定律 1609，1619
伽利略阐明了运动的相对性原理 1632
伽利略发现了自由落体运动规律、惯性原理 1638
帕斯卡发现帕斯卡原理 1653
马德堡半球实验：验证大气压力 1663
发现胡克定律——弹簧弹力和形变的关系 1678
牛顿发表《自然哲学的数学原理》，阐明了运动定律和万有引力定律 1687
1.经典力学的发展历程
亚里士多德 伽利略 笛卡尔 惠更斯 牛 顿
主要科学研究方法
力学方面的主要成就
观察、思维、推理
观察实验、假设、数学推理三者相结合
两个反面结论：①力是维持物体运动的原因 ②重物体比轻物体下落得快
①自由落体运动规律
②力学相对性原理
实验观察、数学推理
惯性定律
实验、数学推理
①制成了世界上第一架计时摆钟
②测量出重力加速度的值
归纳与演绎、综合与分析、实验观察
①三大运动定律 ②万有引力定律
2.请分析比较下列科学家对经典力学的贡献
(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。
3.经典力学的成就
经典力学金字塔的建立
牛顿
伽利略、第谷
哥白尼、亚里士多德
笛卡尔、胡克、哈雷等
开普勒
牛顿说：如果说我看得远，那是因为我站在巨人们的肩膀上.
从地面上物体的运动到天体的运动，从拦河筑坝、修建桥梁到设计各种机械，从自行车到汽车、火车、飞机等现代交通工具的运动，从投出篮球到发射导弹、造地球卫星、宇宙飞船……所有这些都服从牛顿力学的规律。牛顿力学在如此广阔的领域里与实际相符合，显示了牛顿运动定律的正确性和牛顿力学的魅力。
经典力学在宏观、低速、弱引力的广阔领域；包括天体力学的研究中经受住了实践的检验，取得了巨大的成功。
经典力学在哪些领域取得了巨大成就？
从天体运动、大气流动到地壳的变动‥‥‥都服从经典力学规律
从拦河筑坝、修建桥梁到各种交通工具、各种机械建筑、卫星飞船…都服从经典力学规律
阿波罗8号从月球返航途中，
地面控制中心：是谁在驾驶？
指令长：我想现在是牛顿在驾驶！
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。
18世纪英国诗人蒲柏，在牛顿的墓志铭上写道：
像一切科学一样，经典力学没有也不会穷尽一切真理，它也有自己的局限性。它像一切科学理论一样，是一部“未完成的交响曲”。那么经典力学在什么范围内适用呢 有怎样的局限性呢
19世纪末，在迎接新世纪到来的时候，著名英国物理学家威廉 汤姆生踌躇满志地宣告：“科学的大厦已经基本建成，后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了，在物理学睛朗天空的远处，还有两朵小小的、令人不安的乌云！”
伦琴
汤姆生
贝克勒耳
第二次革命的导火索，是物理学史上的三大发现：伦琴发现 X 射线、汤姆生发现电子、贝克勒耳发现天然放射线，使物理学的研究从宏观领域进入了微观世界。
从宏观到微观
20世纪20年代普朗克建立的量子力学能很好地描述微观粒子的运动规律。
微观粒子不仅具有粒子性还具有波动性的特点经典力学无法解释
相继发现了电子、质子、中子等微观粒子
1、19世纪末20世纪初人们发现了哪些微观粒子？
2、微观粒子有什么特性是经典力学无法描述的？
3、什么理论能很好地描述微观粒子的运动规律？
人们发现，微观粒子所表现出的现象用经典物理理论根本无法解释。为了克服这一困难，德国物理学家普朗克大胆提出了量子的观点，爱因斯坦等物理学家又将量子论进一步丰富、发展，形成了现代量子力学理论。
普朗克
量子力学创立
高速世界（接近光速）
随着物体运动速度的加快，时间会变慢。
以接近光速运行的火箭的长度会比它静止时更短，尽管乘坐火箭的人看来并没有什么两样。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，时间与空间都与运动相关联了------------狭义相对论。
爱因斯坦在狭义相对论中阐述了物体以接近光速运动所遵循的规律，得出了一些不同于经典力学的观念和结论。
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。
4. 相对论和量子力学的出现，是否表示经典力学失去了意义