2021-2022学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性课件(共36张PPT)
文档属性
| 名称 | 2021-2022学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性课件(共36张PPT) |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 6.5MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2022-04-14 18:57:52 | ||
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文档简介
(共36张PPT)
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性
01
经典力学的发展过程
02
相对论时空观
03
经典力学的成就与局限性
目录
如：在一个无限大的光滑水平面上，有一质量为m的物体，在一个水平恒力F的作用下，从静止开始运动
由动力学及运动学公式可知：F=ma v=at
推理：随时间的推移，物体的速度不断增大，最终可使物体获得任意速度。
一、经典力学的发展过程
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 。
牛顿说：如果说我看得远，那是因为我站在巨人们的肩上。
经典力学金字塔
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
一、经典力学的发展过程
牛顿运动定律和万有引力定律树立了人们对牛顿物理学的尊敬。
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。”
1687年出版
一、经典力学的发展过程
牛顿的经典时空观（绝对时空观）
（1）同时的绝对性
（2）质量的绝对性
（3）空间距离的绝对性
时间、长度和质量这三者与参考系的运动无关
一、经典力学的发展过程
物理学发展到19世纪末期，可以说是达到相当完美、相当成熟的程度。例如，一切力学现象原则上都能够从经典力学得到解释。对于电磁现象的分析，已形成麦克斯韦电磁场理论。至于热现象，也已经有了热力学和统计力学的理论，它们对于物质热运动的宏观规律和分子热运动的微观统计规律，几乎都能够做出合理的说明。总之，以经典力学、经典电磁场理论和经典统计力学为三大支柱的经典物理大厦已经建成。
一、经典力学的发展过程
1900年4月27日，英国物理学家开尔文勋爵在英国皇家学会发表演讲。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。同时，他在展望20世纪物理学前景时，却若有所思地讲道：“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现在，它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了。”
一、经典力学的发展过程
我们知道，如果河水中的河水以相对河岸的速度v水流动，河中的船以相对于水的速度v船顺流而下，则船相对于岸边的速度为：
这类表达式，称为伽利略变换，是牛顿力学，研究相对运动问题的基本原理之一。
v合=v船+v水
如果有一艘飞船，相对地面以速度v0= 0.2c（c为真空中的光速）匀速运动，从飞船上，沿飞船前进方向，射出一束光，在地面上的人看来，这束光传播的速度是否应为 v =v0+c = 1.2c 呢？
1887年迈克尔逊和莫雷在美国克利夫兰做的一项著名物理实验，结果证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的，由此否认了以太（绝对静止参考系）的存在，从而动摇了经典物理学基础，成为近代物理学的一个开端，在物理学发展史上占有十分重要的地位。
一、经典力学的发展过程
1.迈克尔逊-莫雷实验
1887年迈克尔逊和莫雷在美国克利夫兰做的一项著名物理实验，结果证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的，由此否认了以太（绝对静止参考系）的存在，从而动摇了经典物理学基础，成为近代物理学的一个开端，在物理学发展史上占有十分重要的地位。
“物理学上空两朵乌云”
2.黑体辐射
一、经典力学的发展过程
一、经典力学的发展过程
二、相对论时空观
1、两条基本假设
（1） 相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。
（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。
二、相对论时空观
1、两条基本假设
（1） 相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。
（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。
2、狭义相对论结论
（1）同时是相对的
（2）时间延缓效应
（3）长度收缩效应
（4）运动的物体质量变大
（1）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）
“同时”是相对的：在同一个惯性参考系不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察不一定是同时的
（2）时间延缓效应
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：
发出光信号：
接受光信号：
原时最短，动钟变慢
（3）长度收缩效应
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。
（4）运动的物体质量变大
质增效应(相对质量)
钟慢效应(相对时间)
尺缩效应(相对空间)
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。
实验验证
双生子佯谬
相对论的思想实验：有一对双生兄弟，其中一个跨上一宇宙飞船作长程太空旅行，而另一个则留在地球。结果当旅行者回到地球后，我们发现他比他留在地球的兄弟更年轻。
思考题
有一种基本粒子叫μ子，当它低速运动时，它的平均寿命是3.0μs，当μ子以0.99c的速度飞行时，若选μ子为参考系，μ子的平均寿命是多少？若以地面为参考系，μ子的平均寿命是多少？
分析：若选μ子为参考系，μ子的平均寿命为t1=3.0μs。
若以地面为参考系，μ子的平均寿命为：t2
牛顿力学的时空观
时间均匀地自行流逝，空间像广阔无边的舞台，时间和空间彼此独立、互不关联，都不影响物质及其运动。时间和空间独立与物体及其运动而存在的。这是绝对时空观，也叫牛顿力学时空观。
新的时空观
相对时空观中，时间和空间被联系在一起，它们互相联系又互相制约，物质的运动对时间和空间有一定的影响。爱因斯坦还把时间看作第四维，与三维的空间一起组成了四维时空。
新的时空观
爱因斯坦的时空观
光速
同时
时间与空间
质量
经典时空观
狭义相对论时空观
相对的
绝对的（不变）
绝对的
与运动无关
与运动无关
相对的
与运动有关
随速度增大而增大
三、经典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
三、经典力学的成就与局限性
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。
三、经典力学的成就与局限性
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。
三、经典力学的成就与局限性
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。
互为补充，互不矛盾，互不否定共同支撑起物理学科的骨架。
1．在1905年爱因斯坦提出了狭义相对论理论，此理论建立的前提有两个假设条件以及在相对论理论下观察到的不同现象，如果有接近光速运动下的物体时间和空间都会发生相应的变化，下列说法中正确的是（ ）
A．在不同的惯性参考系中，一切物体的规律是不同的
B．真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的
C．物体在接近光速运动时，它沿运动方向上的长度会变大
D．狭义相对论只适用于高速运动的物体，不适用于低速运动的物体
① 相对论的两个基本假设；② 物体在高速运动时，沿运动方向上长度会缩短；③ 狭义相对论既适用于高速运动的物体，也适用于低速运动的物体。
B
2. 一张正方形宣传画边长为5m，平行地贴于铁路旁边的墙上，一超高速列车以2×108m/s的速度驶过宣传画，这张画由司机测量时的宽度为______m，高度为______m。
运动方向上长度缩短：
垂直速度方向上长度不变，仍为5m。
【答案：3.7 5】
根据爱因斯坦相对论，在任何参考系中，光速不变，即光速不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变，所以甲观测到该光束的传播速度为c；
3. 如图所示，甲乘坐速度为0.9c（c为光速）的宇宙飞船追赶正前方的乙，乙的飞行速度为0.5c，乙向甲发出一束光进行联络，则甲观测到该光束的传播速度是____（选填“c”“1.4c”或“0.4c”）；若地面上的观察者和甲、乙均戴着相同的手表，且在甲、乙登上飞船前已调整一致，则三人的手表相比______（选填“甲最慢”“乙最慢”或“示数相同”）
【答案：c 甲最慢】
甲的速度越大，则时间最慢。
4. 半人马星座内的α星是离太阳系最近的恒星，它与地球间的距离约为4.3×1016m。假设有一宇宙飞船往返于地球和半人马星座内的α星之间，若宇宙飞船的速率为0.999c，则：
（1）按地球上的时钟计算，飞船往返一次需要多少时间？
（2）按飞船上的时钟计算，飞船往返一次的时间又为多少？
(1)题目中的距离和速率都是地面上的观测者得到的，因此地球上测得的时间为：
(2) 根据时间延缓效应，可以求出飞船上测得的时间是：
思维导图
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性
01
经典力学的发展过程
02
相对论时空观
03
经典力学的成就与局限性
目录
如：在一个无限大的光滑水平面上，有一质量为m的物体，在一个水平恒力F的作用下，从静止开始运动
由动力学及运动学公式可知：F=ma v=at
推理：随时间的推移，物体的速度不断增大，最终可使物体获得任意速度。
一、经典力学的发展过程
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 。
牛顿说：如果说我看得远，那是因为我站在巨人们的肩上。
经典力学金字塔
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
一、经典力学的发展过程
牛顿运动定律和万有引力定律树立了人们对牛顿物理学的尊敬。
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。”
1687年出版
一、经典力学的发展过程
牛顿的经典时空观（绝对时空观）
（1）同时的绝对性
（2）质量的绝对性
（3）空间距离的绝对性
时间、长度和质量这三者与参考系的运动无关
一、经典力学的发展过程
物理学发展到19世纪末期，可以说是达到相当完美、相当成熟的程度。例如，一切力学现象原则上都能够从经典力学得到解释。对于电磁现象的分析，已形成麦克斯韦电磁场理论。至于热现象，也已经有了热力学和统计力学的理论，它们对于物质热运动的宏观规律和分子热运动的微观统计规律，几乎都能够做出合理的说明。总之，以经典力学、经典电磁场理论和经典统计力学为三大支柱的经典物理大厦已经建成。
一、经典力学的发展过程
1900年4月27日，英国物理学家开尔文勋爵在英国皇家学会发表演讲。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。同时，他在展望20世纪物理学前景时，却若有所思地讲道：“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现在，它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了。”
一、经典力学的发展过程
我们知道，如果河水中的河水以相对河岸的速度v水流动，河中的船以相对于水的速度v船顺流而下，则船相对于岸边的速度为：
这类表达式，称为伽利略变换，是牛顿力学，研究相对运动问题的基本原理之一。
v合=v船+v水
如果有一艘飞船，相对地面以速度v0= 0.2c（c为真空中的光速）匀速运动，从飞船上，沿飞船前进方向，射出一束光，在地面上的人看来，这束光传播的速度是否应为 v =v0+c = 1.2c 呢？
1887年迈克尔逊和莫雷在美国克利夫兰做的一项著名物理实验，结果证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的，由此否认了以太（绝对静止参考系）的存在，从而动摇了经典物理学基础，成为近代物理学的一个开端，在物理学发展史上占有十分重要的地位。
一、经典力学的发展过程
1.迈克尔逊-莫雷实验
1887年迈克尔逊和莫雷在美国克利夫兰做的一项著名物理实验，结果证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的，由此否认了以太（绝对静止参考系）的存在，从而动摇了经典物理学基础，成为近代物理学的一个开端，在物理学发展史上占有十分重要的地位。
“物理学上空两朵乌云”
2.黑体辐射
一、经典力学的发展过程
一、经典力学的发展过程
二、相对论时空观
1、两条基本假设
（1） 相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。
（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。
二、相对论时空观
1、两条基本假设
（1） 相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。
（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。
2、狭义相对论结论
（1）同时是相对的
（2）时间延缓效应
（3）长度收缩效应
（4）运动的物体质量变大
（1）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）
“同时”是相对的：在同一个惯性参考系不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察不一定是同时的
（2）时间延缓效应
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：
发出光信号：
接受光信号：
原时最短，动钟变慢
（3）长度收缩效应
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。
（4）运动的物体质量变大
质增效应(相对质量)
钟慢效应(相对时间)
尺缩效应(相对空间)
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。
实验验证
双生子佯谬
相对论的思想实验：有一对双生兄弟，其中一个跨上一宇宙飞船作长程太空旅行，而另一个则留在地球。结果当旅行者回到地球后，我们发现他比他留在地球的兄弟更年轻。
思考题
有一种基本粒子叫μ子，当它低速运动时，它的平均寿命是3.0μs，当μ子以0.99c的速度飞行时，若选μ子为参考系，μ子的平均寿命是多少？若以地面为参考系，μ子的平均寿命是多少？
分析：若选μ子为参考系，μ子的平均寿命为t1=3.0μs。
若以地面为参考系，μ子的平均寿命为：t2
牛顿力学的时空观
时间均匀地自行流逝，空间像广阔无边的舞台，时间和空间彼此独立、互不关联，都不影响物质及其运动。时间和空间独立与物体及其运动而存在的。这是绝对时空观，也叫牛顿力学时空观。
新的时空观
相对时空观中，时间和空间被联系在一起，它们互相联系又互相制约，物质的运动对时间和空间有一定的影响。爱因斯坦还把时间看作第四维，与三维的空间一起组成了四维时空。
新的时空观
爱因斯坦的时空观
光速
同时
时间与空间
质量
经典时空观
狭义相对论时空观
相对的
绝对的（不变）
绝对的
与运动无关
与运动无关
相对的
与运动有关
随速度增大而增大
三、经典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
三、经典力学的成就与局限性
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。
三、经典力学的成就与局限性
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。
三、经典力学的成就与局限性
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。
互为补充，互不矛盾，互不否定共同支撑起物理学科的骨架。
1．在1905年爱因斯坦提出了狭义相对论理论，此理论建立的前提有两个假设条件以及在相对论理论下观察到的不同现象，如果有接近光速运动下的物体时间和空间都会发生相应的变化，下列说法中正确的是（ ）
A．在不同的惯性参考系中，一切物体的规律是不同的
B．真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的
C．物体在接近光速运动时，它沿运动方向上的长度会变大
D．狭义相对论只适用于高速运动的物体，不适用于低速运动的物体
① 相对论的两个基本假设；② 物体在高速运动时，沿运动方向上长度会缩短；③ 狭义相对论既适用于高速运动的物体，也适用于低速运动的物体。
B
2. 一张正方形宣传画边长为5m，平行地贴于铁路旁边的墙上，一超高速列车以2×108m/s的速度驶过宣传画，这张画由司机测量时的宽度为______m，高度为______m。
运动方向上长度缩短：
垂直速度方向上长度不变，仍为5m。
【答案：3.7 5】
根据爱因斯坦相对论，在任何参考系中，光速不变，即光速不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变，所以甲观测到该光束的传播速度为c；
3. 如图所示，甲乘坐速度为0.9c（c为光速）的宇宙飞船追赶正前方的乙，乙的飞行速度为0.5c，乙向甲发出一束光进行联络，则甲观测到该光束的传播速度是____（选填“c”“1.4c”或“0.4c”）；若地面上的观察者和甲、乙均戴着相同的手表，且在甲、乙登上飞船前已调整一致，则三人的手表相比______（选填“甲最慢”“乙最慢”或“示数相同”）
【答案：c 甲最慢】
甲的速度越大，则时间最慢。
4. 半人马星座内的α星是离太阳系最近的恒星，它与地球间的距离约为4.3×1016m。假设有一宇宙飞船往返于地球和半人马星座内的α星之间，若宇宙飞船的速率为0.999c，则：
（1）按地球上的时钟计算，飞船往返一次需要多少时间？
（2）按飞船上的时钟计算，飞船往返一次的时间又为多少？
(1)题目中的距离和速率都是地面上的观测者得到的，因此地球上测得的时间为：
(2) 根据时间延缓效应，可以求出飞船上测得的时间是：
思维导图