7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 课件（23张PPT）

(共23张PPT)
学习目标
1．知道什么是绝对时空观和相对论时空观。
2．知道爱因斯坦的两个假设。
3．知道时间延缓效应和长度收缩效应。
4．了解牛顿力学的局限性和适用范围。
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
17 世纪牛顿力学构成了体系。可以说，这是物理学第一次伟大的综合。牛顿建立了两个定律，一个是运动定律，一个是万有引力定律，并发展了变量数学微积分，具有解决实际问题的能力。他开拓了天体力学这一科学，海王星和冥王星的发现就充分显示了这一点 。
一、绝对时空观（牛顿力学时空观、经典力学的时空观）
经典力学的发展过程
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。
（1）惯性参考系——牛顿运动定律成立的参考系
（2）非惯性参考系——牛顿运动定律不成立的参考系
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。
一、经典力学的时空观
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。
对于任何惯性参考系，牛顿定律都成立。也就是说，对于不同的惯性参考系，力学的基本定律——牛顿定律的形式是一样的
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。
3、绝对时空观（牛顿力学时空观）
所谓绝对空间是指长度的量度与参考系无关；绝对时间是指时间的量度与参考系无关。也就是说两点之间的距离，无论在哪个惯性参考系中测量都是一样的；同样，前后发生的两个事件之间的时间，无论在哪个惯性参考系中测量都是一样的。
（1）绝对时空观：时间和空间是彼此独立的，互不相关并且独立于物质和运动之外的，不受物质和运动的影响。
根据绝对时空观，得到几个结论 同时绝对性 时间间隔的绝对性 空间距离的绝对性 质量守恒不变
3、绝对时空观（牛顿力学时空观）
（2）根据绝对时空观，得到几个结论
同时的绝对性
例如：一做匀速直线运动的火车，车厢观察者看到两个事件是同时发生的，那站在站台上的观察者也必定看到这两个事件是同时发生的。
时间间隔的绝对性
例如：一个人看到自己的手表走过10分钟，往往以为世界上所有的钟和表也都同样地走过10分钟，而不管是在哪一种运动状态的钟。
空间距离的绝对性
例如：一把直尺的长度，如果从某一参考系测量它是30cm。那么，我们的日常经验会认为从任何参考系来测量它长度，仍旧是30cm，与参考系的运动状态无关。
质量守恒不变
例如：一物体的质量，如果从某一参考系测量它是10kg。那么，我们的日常经验会认为从任何参考系来测量它质量，仍旧是10kg，与参考系的运动状态无关。
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。人们自然要问：这个速度是相对哪个参考系而言的？一些物理学家对这个问题进行了研究。在实验研究中,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！这与牛顿力学中不同参考系之间的速度变换关系不符。
二、相对论时空观（狭义相对论）
在牛顿力学理论与电磁波理论的矛盾与冲突面前，一些物理学家仍坚持原有理论的基础观念，进行一些修补的工作，而爱因斯坦、庞加莱等人则主张彻底放弃某些与实验和观测不符的观念，如绝对时间的概念，提出能够更好 地解释实验事实的假设。
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 因此，前面问题的答案似乎应为1.2c。然而，事实并非如此！
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。人们自然要问：这个速度是相对哪个参考系而言的？一些物理学家对这个问题进行了研究。在实验研究中,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！这与牛顿力学中不同参考系之间的速度变换关系不符。
1、爱因斯坦的两个基本假设
（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）
爱因斯坦在1905年发表的论文《论动体的电动力学》中的论述。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！
爱因斯坦相对性原理和牛顿相对性原理比较，前者是后者的推广，这就使得相对性原理不仅适用于力学现象，而且适用于所有物理现象，包括电磁现象。
爱因斯坦光速不变原理告诉我们，不管光源与观察者的相对运动如何，在任何惯性系中的观察者所观测到的真空中的光速都是一样的（c=3.0×108m）
二、相对论时空观（狭义相对论）
（1）同时是相对的
在经典物理家的头脑中，如果两个事件在一个参考系中看来是同时的，在另一个参考系中看来也一定是同时的，但是如果接受爱因斯坦的两个假设，我们会得出“同时是相对的”这样一个结论.
2、相对论的时空观（狭义相对论）
设想一列火车以速度v匀速向右运动，火车中央有一信号灯，在某时发出一光信号。甲乙两人观察到的现象是否相同？
①沿两惯性系相对运动方向发生的两个事件，在其中一个惯性系中表现同时，在另一惯性系中观察总是在前一惯性系运动的后方那一事件先发生。
②对不同参考系，同样两事件之间的时间间隔是不同的。即：时间量度是相对的，并且与相对运动速度有关。
3.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 ，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 ，那么两者之间的关系是： ，
由于 ，所以总有 ，
此种情况称为时间延缓效应。
运动的时钟变慢，其实质是指在相对论中每位观察者都有自身的时间测度，即如果一时钟在高速飞驰，对静止不动的观察者来说似乎钟的时间走得慢了。时钟飞驰的越快，钟的时间走的越慢。表示时间间隔的大小并不是绝对的，而是相对的，与物体的运动状态有关。
4.长度收缩效应(运动尺子变短)
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： ，由于 ，所以总有l< l0，此种情况称为长收缩效应。
（1）运动的杆（尺子）缩短，即物体运动起来以后，运动物体沿运动方向收缩，长度变短。表示空间的大小并不是绝对的，而是相对的，与物体的运动状态有关。
（2）在垂直于运动方向上不发生长度收缩效应现象。
（3）我们平时观察不到这种长度收缩效应现象，是因为我们生活在比光速低得多的低速世界，长度收缩效应极不明显，即使运动物体的速度达到30000km/s（0.1c），长度收缩效应也只不过是5%，因此，在低速运动中，v＜＜c、l≈l0，长度收缩效应可忽略不计
5、相对质量
在经典力学中，物体的质量是不变的，但爱因斯坦的狭义相对论指出，物体的质量随速度的增大而增大
m0为物体静止时的质量
m是物体速度为v时的长度
c是真空中的光速
——动质量增大
归纳：相对论时空观
（1）空间和时间与物体的运动状态有关（低速运动时效果不显著）
（2）同时是相对的，即在同一个参考系中不同地点发生的两个事件，在另一个参考系中不一定是相同的。
质量随速度增大而增大
1.牛顿力学的伟大成就
（1）把人类对整个自然界的认识推进到一个新水平，牛顿从力学上证明了自然界的统一。
（2）牛顿力学的建立首次明确了一切自然科学理论应有的基本特征，这标志着近代理论自然科学的诞生，也成为其他各门自然科学的典范。
（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。牛顿力学的建立对自然科学和科技的发展、社会的进步具有深远影响：
①牛顿力学形成的科学研究方法的推广应用；
②牛顿力学与其他基础科学相结合产生了许多交叉学科，促进了自然科学的进一步发展；
③牛顿力学在科学技术上有广泛的应用，促进了社会文明的发展。
三、牛顿力学的成就与局限性
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。
2.牛顿力学的局限性和适用范围
（1）牛顿力学只适用于处理物体的低速运动（ ）；不适用于物体的高速运动
（2）牛顿力学只适用于宏观物体；不适用于微观领域中物质结构和能量不连续的现象（量子力学）
（3）牛顿力学规律只在惯性参考系中成立
牛顿力学规律只能用于宏观、低速(与光速相比）的情形，且只在惯性参考系中成立。
如果一定要某个人、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。
——杨振宁
像一切科学一样，牛顿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”。
课堂小结
练习、经典力学规律不适用于下列运动的是（ ）
A.子弹的飞行
B.飞船绕地球的运行
C.列车的运行
D.粒子接近光速的运动
D
练习、(多选)关于经典力学、狭义相对论和量子力学，下列说法正确的是 (　　)
A．狭义相对论和经典力学是相互对立、互不相容的两种理论
B．在物体高速运动时，物体的运动规律适用狭义相对论理论，在低速运动时，物体的运动适用牛顿运动定律
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．不论是宏观物体，还是微观粒子，经典力学和量子力学都是适用的
BC
练习、(多选)接近光速飞行的飞船和地球上各有一个相同的铯原子钟，飞船和地球上的人观测这两个钟的快慢，下列说法正确的有(　　)
A．飞船上的人观测到飞船上的钟较快
B．飞船上的人观测到飞船上的钟较慢
C．地球上的人观测到地球上的钟较快
D．地球上的人观测到地球上的钟较慢
AC
练习、A、B两火箭沿同一方向高速飞过地面上的某处，已知vA＞vB，在火箭A上的人观察到的结果正确的是(　　)
A．火箭A上的时钟走得最快
B．地面上的时钟走得最快
C．火箭B上的时钟走得最快
D．火箭B上的时钟走得最慢
B
练习、在静止坐标系中的正立方体边长为l0，另一坐标系以相对速度v平行于正立方体的一边运动.问在后一坐标系中的观察者测得的立方体的体积是多少？
练习、在高速行进的火车车厢中的闪光灯发一次闪光向周围传播，闪光到达车厢后壁时，一只小猫在车厢后端出生，闪光到达车厢前壁时，两只小鸡在车厢前端出生。则( )
A.在火车上的人看来，一只小猫先出生
B.在火车上的人看来，两只小鸡先出生
C.在地面上的人看来，一只小猫先出生
D.在地面上的人看来，两只小鸡先出生
C