7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 教学课件（共27页）

(共27张PPT)
高一物理必修二7.5
相对论时空观与牛顿力学的局限性
在科幻电影中，常有这样的情形：以 0.2c 的速度的飞船正在进行星际航行。若飞船向正前方的某一星球发射一束激光，以便测量其间距离，那么该星球上的观察者测量到的激光的速度是多少？
要解决这个问题，我们需要先了解一下不同的时空观……
在牛顿力学时空观里，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。所以不管选什么参考系，不管物体怎么运动，物体的时间、长度、质量等等的测量结果肯定是一样的。
1、牛顿力学时空观
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。
一、牛顿力学时空观（惯性参照系）
这种时空观符合我们的生活经验，在运动学中，无论我们选择什么样的参照物，计算结果都是一样。
时空独立，也是我们古人的观念，孔子说：“逝者如斯夫,不舍昼夜”。
具体到我们在进行科学研究时，描述一个物体的运动，必须选择一个参考系（参照物），然后研究这一物体相对于参考系是如何运动的。
例如： 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
简单来说：相对于物体做匀速直线运动的参考系都是惯性系，而对于物体做变速运动的参考系为非惯性系。
对于所有的惯性系，力学规律都是相同的。
选择地面为参照物、选择树木为参照物，力学规律是一样的。
思考：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v船岸如何表示？
v船岸 ＝ v船水 ＋ v水岸
回到刚才的问题，星球上的观察者测量到的激光的速度是多少？
问题的答案似乎应为 1.2c，然而，事实并非如此！因为经典力学不再适用。经典力学只适用于解决宏观低速运动问题，不能用来处理高速运动或者微观问题，要解决这一问题就需要用到相对论时空观。
二、相对论时空观
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。这个速度是相对哪个参考系而言的？
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所以证明电磁波的传播速度等于光速c，无论对于哪个参考系而言都是一样的。
这样就出现了矛盾：用牛顿经典力学的绝对时空观来看问题的答案似乎应为 1.2c，然而，用迈克尔孙-莫雷实验却明白无误地说明，答案应该仍然是c。科学家为此争论不休，直到爱因斯坦提出相对论时空观。
（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；表明在任何惯性系中研究某个物体的某一运动过程，其运动规律形式不变。
1、爱因斯坦的两个假设
（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。表明了经典时空观与相对论时空观的不同。
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！
思考讨论：在经典物理学中，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，如果按照爱因斯坦的两个假设，结论还是这样吗？
2．相对论时空观的内容
时间和空间是相互联系、相互影响的，并且与物质的存在及运 动有关。
根据爱因斯坦假设：真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的，两个事件在一个参考系中是同时的，在另一个参考系中不一定也是同时的。
例如：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。
（1）车上的观察者以车厢为参考系，闪光到达前后两壁的时间相同吗？
（1）车上的观察者以车厢为参考系，闪光到达前后两壁的时间相同吗？
甲
（1）如图甲所示：因为车厢是个惯性系，闪光向前、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。
（2）对车下的观察者来说，以地面为参考系，闪光到达前后两壁的时间相同吗？
乙
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即：闪光先到达后壁，后到达前壁因此，这两个事件不是同时发生的。
根据爱因斯坦的假设：真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的，所以他以地面为参考系，闪光向前、后传播的速率对地面也是相同的。
车上的观察者:闪光同时到达车厢的前后两壁
地面上的观察者:闪光先到达车厢后壁，后到达前壁
同时性是相对的
3、时间延缓效应
由于 1－ < 1，所以总有 Δt >Δτ，此种情况称为时间延缓效应。
Δt= _____________
Δτ
1-
（1）
如果相当于地面以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，则
事实上，上述例子中的火车在运动的速度相比于光速，是很小的，由此引起的时间延缓效应不明显，如果火车的运动速度很大，我们就可以在上面放置时钟，那么就会出现这样的现象：
火车上的人看时钟，没有什么异常；
地面的人看时钟，由于时间延缓效应，时钟变慢了。
这样的现象称为动钟变慢
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
l = l0
1-
（2）
由于1－ < 1，所以总有 l < l0，此种情况称为长度收缩效应。
4、长度收缩效应
同样上述例子中的火车，如果火车的运动速度很大，我们就可以在上面放置直尺，那么就会出现这样的现象：
火车上的人看直尺，没有什么异常；
地面的人看直尺，由于长度收缩效应，直尺变短了。
这样的现象称为动尺变短
（1）式和（2）式表明：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。
爱尔兰物理学家佛兹杰拉德提出，物质会在运动的方向上收缩（缩小），这意味着根据一个静止观察者的观点，一枚以接近光线运行的火箭所表现出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。
相对论还有一个重要观点是，物体的质量也会随着速度的增大而变化，我们称为动质变大。这一点在微观粒子的高速运动中尤为显著。
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
一、牛顿力学时空观
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。
二、相对论时空观
1、爱因斯坦的两个假设
（1）相对性原理（2）光速不变原理
2．相对论时空观的内容