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（共23张ppt）
文档属性
| 名称 | 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（共23张ppt） |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 1.7MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2022-05-23 08:22:08 | ||
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文档简介
(共23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
1
2
迈克耳孙-莫雷实验
狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。
光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的。
3
狭义相对论的两个基本假设
广义相对性原理认为，在任何参考系中，物理规律都是相同的。
惯性参考系：牛顿第一定律成立的参考系（即：如果在一个参考系中，一个不受力的物体会保持匀速直线运动状态或静止状态，这样的参考系叫惯性参考系）。
注：惯性参考系由牛顿第一定律定义，在惯性参考系中，牛顿力学才成立。这也说明了牛顿第一定律不是牛顿第二定律F=0的特殊情况。
4
“同时”的相对性
在数学上，一个事件表示为空间和时间的一组坐标。
结论：与车运动方向相同的光路程更远，传播时间更长。
在车厢中点向两侧发出两束光，它们同时到达车厢两侧吗？
甲：两束光同时到达
乙：向后的光更先到达车厢端点
先证明沿运动方向长度收缩、垂直于运动方向长度不变
垂直于运动方向，读数即使不同时也不影响长度测量结果
长度的相对性
5
上页结论：与车运动方向相同的光路程更远，传播时间更长。
事件1：某时刻光源在A点发出一束光
事件2：光经车顶平面镜反射回到A点
由上页推导可知，地面的人测得车厢高度和车上的人测得车厢高度相等，设为d
6
时间间隔的相对性
d
d
l
x
光的路程（车）：
光的路程2（地）：
几何关系：
推导：
同一地点的两个事件（发、收信号）的时间间隔：原时；
不同地点的两个事件的时间间隔：坐标时；
原时最短（原时光程最短）
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完成这个动作的时间为，那么，且存在数量关系：
7
时间间隔的相对性
地面上的人感觉车上人的动作变慢了，如果是时钟，则地面的人看见秒针走一下的时间大于1秒。
8
长度的相对性
是S系中的一个点，S系为地面，S’系为相对地面以u运动的车。A’B’是在x’轴上放置的棍子。
某时刻，B’经过点，设经过，A’经过点，则这两个事件是在同一地点发生的，故它们的时间间隔为原时，设为t。则以S为参考系，杆长度为
现在变换参考系，以S’为参考系，S在向左远离S’，“点经过A’”、“经过B’”是发生在不同地点的事件，故它们的时间间隔为坐标时。设为t’。则以S’为参考系，杆长度
则，故
t和t’是指同样两个事件在不同参考系下的时间间隔
长度收缩效应：沿着杆的方向，以v相对于杆运动的人测得的杆长总比杆实际长度更短：
9
长度收缩效应
10
洛伦兹变换
伽利略变换
洛伦兹变换（逆变换）
洛伦兹变换
注：两种变换均针对事件坐标，故对t的变换是时刻，而不是时间间隔。
如何利用洛伦兹坐标变换推导钟慢效应和尺缩效应？
时间相对性：
目的：计算飞船上进行的一段时间间隔，在地球观测者的眼中所经过的时间
构造事件的时间间隔（S系，地面），（S’系，飞船），由于事件在飞船上发生，所以在飞船上具有同地性，，因此为了在时间计算式中消去位置的影响，要用洛伦兹变换的逆变换：
长度相对性：
目的：计算飞船上与飞船行进方向相同的棍子（即洛伦兹变换中的x方向）被地球观测者所测得的长度
构造棍子的长度（S系，地面），S’系，飞船），由于测量者处于地球，因此在地球上读出棍子两端的坐标具有同时性，，因此为了在坐标计算式中消去不同时性的影响，要使用洛伦兹变换的正变换
11
洛伦兹变换
速度：以高速火车为例，设车相对地面的速度为v，车上的人以速度u’沿着火车前进的方向（如果人的速度与火车前进方向相反，则式中u‘取负值）相对火车运动，那么他相对于地面的速度u为：
12
洛伦兹变换
由上述质量关系可以看出，物体的速度不可能达到光速。
质能方程让我们看到了蕴藏在原子核中的巨大能量
13
相对论质量与质能方程
基本原理：
广义相对性原理（在任何参考系中，物理规律都是相同的）
等效原理（一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价）
几个结论：
物质的引力使光线弯曲
引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别，例如在强引力的星球附近，时间进程会变慢
14
广义相对论简介
微观验证：高速飞行的μ子的平均寿命变长
宏观验证：高速绕地飞行的铯原子钟时间变慢
15
相对论时空观的验证
成就：在宏观物体做低速运动的广阔领域，牛顿力学与实际相符合，显示了牛顿运动定律的正确性和牛顿力学简洁的魅力。
局限性：微观粒子的运动、高速运动的物体，牛顿力学不适用
相对论和量子力学与牛顿力学的关系：当物体的运动速度远小于光速c时,相对论物理学与牛顿力学的结论没有区别；当另一个重要常数即普朗克常量h可以忽略不计时,量子力学和牛顿力学的结论没有区别。相对论和量子力学都没有否定牛顿力学,只是认为牛顿力学是在一定条件下的特殊情形。
16
牛顿力学的成就与局限性
时间延缓效应：
长度收缩效应：（注意是沿运动方向杆的测量长度收缩）
牛顿力学适用条件：宏观低速
相对论和量子力学都没有否定牛顿力学,只是认为牛顿力学是在一定条件下的特殊情形。
17
总结
18
例1 如图所示，强强乘坐速度为0.9c(c为光速)的宇宙飞船追赶正前方的壮壮，壮壮的飞行速度为0.5c，强强向壮壮发出一束光进行联络，则壮壮观测到该光速的传播速度为
A.0.4c B.0.5c C.0.9c D.1.0c
19
例2 假设地面上有一火车以接近光速的速度运行，其内站立着一个中等身材的人，站在路旁的人观察车里的人，观察的结果是
A.这个人是一个矮胖子 B.这个人是一个瘦高个子
C.这个人矮但不胖 D.这个人瘦但不高
20
例3 A、B两火箭沿同一方向高速飞过地面上的某处，vA＞vB，在地面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
21
针对训练 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
补充说明：双生子佯谬
22
例4 下列关于牛顿力学的说法正确的是
A.牛顿力学适用于宏观、低速(远小于光速)运动的物体
B.牛顿力学适用于微观、高速(接近光速)运动的粒子
C.相对论和量子力学的出现，表明牛顿力学已被完全否定了
D.牛顿力学在理论和实践上取得了巨大的成功，从地面到天体的运动
都服从牛顿力学的规律，因此任何情况下都适用
23
例5 经典力学规律有其局限性.物体以下列哪个速度运动时，经典力学规律不适用
A.2.5×10－5 m/s B.2.5×102 m/s
C.3.5×103 m/s D.2.5×108 m/s
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
1
2
迈克耳孙-莫雷实验
狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。
光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的。
3
狭义相对论的两个基本假设
广义相对性原理认为，在任何参考系中，物理规律都是相同的。
惯性参考系：牛顿第一定律成立的参考系（即：如果在一个参考系中，一个不受力的物体会保持匀速直线运动状态或静止状态，这样的参考系叫惯性参考系）。
注：惯性参考系由牛顿第一定律定义，在惯性参考系中，牛顿力学才成立。这也说明了牛顿第一定律不是牛顿第二定律F=0的特殊情况。
4
“同时”的相对性
在数学上，一个事件表示为空间和时间的一组坐标。
结论：与车运动方向相同的光路程更远，传播时间更长。
在车厢中点向两侧发出两束光，它们同时到达车厢两侧吗？
甲：两束光同时到达
乙：向后的光更先到达车厢端点
先证明沿运动方向长度收缩、垂直于运动方向长度不变
垂直于运动方向，读数即使不同时也不影响长度测量结果
长度的相对性
5
上页结论：与车运动方向相同的光路程更远，传播时间更长。
事件1：某时刻光源在A点发出一束光
事件2：光经车顶平面镜反射回到A点
由上页推导可知，地面的人测得车厢高度和车上的人测得车厢高度相等，设为d
6
时间间隔的相对性
d
d
l
x
光的路程（车）：
光的路程2（地）：
几何关系：
推导：
同一地点的两个事件（发、收信号）的时间间隔：原时；
不同地点的两个事件的时间间隔：坐标时；
原时最短（原时光程最短）
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完成这个动作的时间为，那么，且存在数量关系：
7
时间间隔的相对性
地面上的人感觉车上人的动作变慢了，如果是时钟，则地面的人看见秒针走一下的时间大于1秒。
8
长度的相对性
是S系中的一个点，S系为地面，S’系为相对地面以u运动的车。A’B’是在x’轴上放置的棍子。
某时刻，B’经过点，设经过，A’经过点，则这两个事件是在同一地点发生的，故它们的时间间隔为原时，设为t。则以S为参考系，杆长度为
现在变换参考系，以S’为参考系，S在向左远离S’，“点经过A’”、“经过B’”是发生在不同地点的事件，故它们的时间间隔为坐标时。设为t’。则以S’为参考系，杆长度
则，故
t和t’是指同样两个事件在不同参考系下的时间间隔
长度收缩效应：沿着杆的方向，以v相对于杆运动的人测得的杆长总比杆实际长度更短：
9
长度收缩效应
10
洛伦兹变换
伽利略变换
洛伦兹变换（逆变换）
洛伦兹变换
注：两种变换均针对事件坐标，故对t的变换是时刻，而不是时间间隔。
如何利用洛伦兹坐标变换推导钟慢效应和尺缩效应？
时间相对性：
目的：计算飞船上进行的一段时间间隔，在地球观测者的眼中所经过的时间
构造事件的时间间隔（S系，地面），（S’系，飞船），由于事件在飞船上发生，所以在飞船上具有同地性，，因此为了在时间计算式中消去位置的影响，要用洛伦兹变换的逆变换：
长度相对性：
目的：计算飞船上与飞船行进方向相同的棍子（即洛伦兹变换中的x方向）被地球观测者所测得的长度
构造棍子的长度（S系，地面），S’系，飞船），由于测量者处于地球，因此在地球上读出棍子两端的坐标具有同时性，，因此为了在坐标计算式中消去不同时性的影响，要使用洛伦兹变换的正变换
11
洛伦兹变换
速度：以高速火车为例，设车相对地面的速度为v，车上的人以速度u’沿着火车前进的方向（如果人的速度与火车前进方向相反，则式中u‘取负值）相对火车运动，那么他相对于地面的速度u为：
12
洛伦兹变换
由上述质量关系可以看出，物体的速度不可能达到光速。
质能方程让我们看到了蕴藏在原子核中的巨大能量
13
相对论质量与质能方程
基本原理：
广义相对性原理（在任何参考系中，物理规律都是相同的）
等效原理（一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价）
几个结论：
物质的引力使光线弯曲
引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别，例如在强引力的星球附近，时间进程会变慢
14
广义相对论简介
微观验证：高速飞行的μ子的平均寿命变长
宏观验证：高速绕地飞行的铯原子钟时间变慢
15
相对论时空观的验证
成就：在宏观物体做低速运动的广阔领域，牛顿力学与实际相符合，显示了牛顿运动定律的正确性和牛顿力学简洁的魅力。
局限性：微观粒子的运动、高速运动的物体，牛顿力学不适用
相对论和量子力学与牛顿力学的关系：当物体的运动速度远小于光速c时,相对论物理学与牛顿力学的结论没有区别；当另一个重要常数即普朗克常量h可以忽略不计时,量子力学和牛顿力学的结论没有区别。相对论和量子力学都没有否定牛顿力学,只是认为牛顿力学是在一定条件下的特殊情形。
16
牛顿力学的成就与局限性
时间延缓效应：
长度收缩效应：（注意是沿运动方向杆的测量长度收缩）
牛顿力学适用条件：宏观低速
相对论和量子力学都没有否定牛顿力学,只是认为牛顿力学是在一定条件下的特殊情形。
17
总结
18
例1 如图所示，强强乘坐速度为0.9c(c为光速)的宇宙飞船追赶正前方的壮壮，壮壮的飞行速度为0.5c，强强向壮壮发出一束光进行联络，则壮壮观测到该光速的传播速度为
A.0.4c B.0.5c C.0.9c D.1.0c
19
例2 假设地面上有一火车以接近光速的速度运行，其内站立着一个中等身材的人，站在路旁的人观察车里的人，观察的结果是
A.这个人是一个矮胖子 B.这个人是一个瘦高个子
C.这个人矮但不胖 D.这个人瘦但不高
20
例3 A、B两火箭沿同一方向高速飞过地面上的某处，vA＞vB，在地面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
21
针对训练 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
补充说明：双生子佯谬
22
例4 下列关于牛顿力学的说法正确的是
A.牛顿力学适用于宏观、低速(远小于光速)运动的物体
B.牛顿力学适用于微观、高速(接近光速)运动的粒子
C.相对论和量子力学的出现，表明牛顿力学已被完全否定了
D.牛顿力学在理论和实践上取得了巨大的成功，从地面到天体的运动
都服从牛顿力学的规律，因此任何情况下都适用
23
例5 经典力学规律有其局限性.物体以下列哪个速度运动时，经典力学规律不适用
A.2.5×10－5 m/s B.2.5×102 m/s
C.3.5×103 m/s D.2.5×108 m/s