7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性（教学课件）-高中物理人教版（2019）必修第二册(共23张PPT)
文档属性
| 名称 | 7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性（教学课件）-高中物理人教版（2019）必修第二册(共23张PPT) |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 791.7KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2022-12-30 17:40:10 | ||
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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
问题与目标
1.通过运动的相对性，知道时空观与参考系的联系；知道牛顿引入绝对时空观的原因。
2.通过对相对论的理论基础与相对论时空观的几个推论的了解，知道相对论时空观对人们认识世界的影响。并能知道绝对时空观与相对论时空观的主要区别。
3.通过对教材分析，知道时间延缓效应和长度收缩效应以及相应的表达式。
19世纪作家查里斯·兰姆写的：“世间万物没有任何东西像时间和空间那么使我困惑，然而没有任何东西比时间和空间更少使我烦恼，因为我从不想起它们。”的确，我们中的大多数人几乎从来不去细想我们每天的时空观念。可是“时空是何物？时间和空间是否存在于我们的知觉之外？时间和宇宙有开端吗？它们会结束吗？”这些问题的答案是什么呢？
1.惯性参考系：牛顿定律适用的参考系；相对惯性系做匀速直线运动的参考系。
2.对于任何惯性参考系，牛顿定律都成立，这也就是说，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。
绝对时空观(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。
（一）绝对时空观
绝对时空观——时间和空间是彼此独立，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，得出几个结论：①同时绝对性；②时间间隔的绝对性；③空间距离的绝对性；④质量恒定不变。
（二）相对论时空观
牛顿力学理论之所以为人们接受承认，一方面是牛顿力学在解决力学问题获得的巨大成功；另一方面观察结果与人们的经验相符。但是十九世纪中叶，人们在研究与物体运动有关的电磁现象时，发现在电磁现象的规律不符合相对性原理。
在不同的参考系中，测得的光在真空的速率都是相同的。这一结论还特别为后来的很多精确的实验所证实，最著名的是1887年迈克尔逊和莫雷所做的实验。它们都明确无误地证明光速的测量结果与光源和测量者的相对运动无关，亦即与参考系无关。
1.爱因斯坦的假设
20世纪最伟大的科学家爱因斯坦对这个问题进行了深入研究，并在1905年发表了论文《论动体的电动力学》在这篇论文里对上述问题作出了对整个物理学界乃至整个科学界都有变革意义的回答。在这篇论文中，爱因斯坦提出了两个假设：
(1)在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的——爱因斯坦相对性原理；
(2)真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的——光速不变原理。
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，包括电磁现象在内。
爱因斯坦的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，在任一惯性系中的观察者所观测到的真空中的光速都是相等的。
学生阅读教材，结合刚才的分析，讨论交流，完成下表：
（3）观念上的变革
经典时空观 狭义相对论时空观
光速 相对的 绝对的（不变）
同时 绝对的 相对的
时间与空间 与运动无关，绝对的 与运动有关，相对的
质量 与运动无关，不变的 随速度增加而增大（相对的）
2.同时相对性
阅读教材第66~67页内容，思考讨论：
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。
4.长度收缩效应(动尺变短)
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。
（三）牛顿力学的成就与局限性
阅读教材第68页并思考问题：
（1）牛顿力学取得了哪些辉煌的成就？举例说明。
（2）牛顿力学在哪些领域不能适用？能说出为什么吗？举例说明。
（3）牛顿力学的适用范围是什么？自己概括一下
（4）相对论和量子力学的出现是否否定了牛顿力学 应该怎样认识
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）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。
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（ ）
（2）牛顿力学不适用于微观领域中物质结构和能量不连续的现象
（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。
1.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
课堂小练
D
2.物理学家通过大量的实验总结出很多物理学定律，有些定律有适用条件；有些定律在任何情况下都适用。经典物理学中，以下定律在任何情况下都适用的是( )
A．牛顿第三定律 B．机械能守恒定律
C．库仑定律 D．玻意耳定律
A
3.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
4.一艘太空飞船静止时的长度为30m，他以0.6c (c为光速)的速度沿长度方向飞行经过地球，下列说法正确的是( )
A.飞船上的观测者测得该飞船的长度小于30m
B.地球上的观测者测得该飞船的长度小于30m
C.飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度小于c
D.地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度小于c
B
5.如图所示，一根10m长的梭镖以相对论速度穿过一根10m长的管子，它们的长度都是在静止状态下测量的。以下哪种叙述最好地描述了梭镖穿过管子的情况( )
A．梭镖收缩变短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它
B．管子收缩变短，因此在某些位置上，梭镖从管子的两端伸出来
C．两者都收缩，且收缩量相等，因此在某个位置，管子恰好遮住梭镖
D．所有这些都与观察者的运动情况有关
D
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
问题与目标
1.通过运动的相对性，知道时空观与参考系的联系；知道牛顿引入绝对时空观的原因。
2.通过对相对论的理论基础与相对论时空观的几个推论的了解，知道相对论时空观对人们认识世界的影响。并能知道绝对时空观与相对论时空观的主要区别。
3.通过对教材分析，知道时间延缓效应和长度收缩效应以及相应的表达式。
19世纪作家查里斯·兰姆写的：“世间万物没有任何东西像时间和空间那么使我困惑，然而没有任何东西比时间和空间更少使我烦恼，因为我从不想起它们。”的确，我们中的大多数人几乎从来不去细想我们每天的时空观念。可是“时空是何物？时间和空间是否存在于我们的知觉之外？时间和宇宙有开端吗？它们会结束吗？”这些问题的答案是什么呢？
1.惯性参考系：牛顿定律适用的参考系；相对惯性系做匀速直线运动的参考系。
2.对于任何惯性参考系，牛顿定律都成立，这也就是说，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。
绝对时空观(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。
（一）绝对时空观
绝对时空观——时间和空间是彼此独立，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，得出几个结论：①同时绝对性；②时间间隔的绝对性；③空间距离的绝对性；④质量恒定不变。
（二）相对论时空观
牛顿力学理论之所以为人们接受承认，一方面是牛顿力学在解决力学问题获得的巨大成功；另一方面观察结果与人们的经验相符。但是十九世纪中叶，人们在研究与物体运动有关的电磁现象时，发现在电磁现象的规律不符合相对性原理。
在不同的参考系中，测得的光在真空的速率都是相同的。这一结论还特别为后来的很多精确的实验所证实，最著名的是1887年迈克尔逊和莫雷所做的实验。它们都明确无误地证明光速的测量结果与光源和测量者的相对运动无关，亦即与参考系无关。
1.爱因斯坦的假设
20世纪最伟大的科学家爱因斯坦对这个问题进行了深入研究，并在1905年发表了论文《论动体的电动力学》在这篇论文里对上述问题作出了对整个物理学界乃至整个科学界都有变革意义的回答。在这篇论文中，爱因斯坦提出了两个假设：
(1)在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的——爱因斯坦相对性原理；
(2)真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的——光速不变原理。
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，包括电磁现象在内。
爱因斯坦的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，在任一惯性系中的观察者所观测到的真空中的光速都是相等的。
学生阅读教材，结合刚才的分析，讨论交流，完成下表：
（3）观念上的变革
经典时空观 狭义相对论时空观
光速 相对的 绝对的（不变）
同时 绝对的 相对的
时间与空间 与运动无关，绝对的 与运动有关，相对的
质量 与运动无关，不变的 随速度增加而增大（相对的）
2.同时相对性
阅读教材第66~67页内容，思考讨论：
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。
4.长度收缩效应(动尺变短)
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。
（三）牛顿力学的成就与局限性
阅读教材第68页并思考问题：
（1）牛顿力学取得了哪些辉煌的成就？举例说明。
（2）牛顿力学在哪些领域不能适用？能说出为什么吗？举例说明。
（3）牛顿力学的适用范围是什么？自己概括一下
（4）相对论和量子力学的出现是否否定了牛顿力学 应该怎样认识
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）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。
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（ ）
（2）牛顿力学不适用于微观领域中物质结构和能量不连续的现象
（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。
1.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
课堂小练
D
2.物理学家通过大量的实验总结出很多物理学定律，有些定律有适用条件；有些定律在任何情况下都适用。经典物理学中，以下定律在任何情况下都适用的是( )
A．牛顿第三定律 B．机械能守恒定律
C．库仑定律 D．玻意耳定律
A
3.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
4.一艘太空飞船静止时的长度为30m，他以0.6c (c为光速)的速度沿长度方向飞行经过地球，下列说法正确的是( )
A.飞船上的观测者测得该飞船的长度小于30m
B.地球上的观测者测得该飞船的长度小于30m
C.飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度小于c
D.地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度小于c
B
5.如图所示，一根10m长的梭镖以相对论速度穿过一根10m长的管子，它们的长度都是在静止状态下测量的。以下哪种叙述最好地描述了梭镖穿过管子的情况( )
A．梭镖收缩变短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它
B．管子收缩变短，因此在某些位置上，梭镖从管子的两端伸出来
C．两者都收缩，且收缩量相等，因此在某个位置，管子恰好遮住梭镖
D．所有这些都与观察者的运动情况有关
D