7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 课件 2023-2024学年高一物理人教版(2019)必修第二册(共23张PPT)

(共23张PPT)
第5节 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
设想人类可以利用飞船以 0.2c 的速度进行星际航行。若飞船向正前方的某一星球发射一束激光，根据v光船=v光+v船该星球上的观察者测量到的激光的速度是否为1.2c，事实是这样吗？
然而，事实并非如此。
1.了解相对论时空观，知道时间延缓效应和长度收缩效应。
2.认识牛顿力学的成就、适用范围及局限性。
3.了解科学理论的相对性，体会科学理论是不断发展和完善的。
知识点一：牛顿力学时空观
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。
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。
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
前面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低速运动问题，不能用来处理高速运动问题，要解决这一问题就需要用到相对论时空观。
知识点二：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？
麦克斯韦
英国物理学家、数学家
迈克耳孙:波兰裔美国藉物理学家。
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。
（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。
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
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。
认为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。
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？
（2）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？
对于车下的观察者来说，他以地面为参考系，因闪光向前、后传播的速率对地面也是相同的，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。他观测到的结果应该是：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。
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。
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
Δt=
（1）
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
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
l = l0
（2）
（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。
思考与讨论：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
事实上，到达地面的μ子，大多产生于距地面8km的高空，科学家们根据经典理论，可以计算出每秒到达地面的μ子个数。但这个理论数值小于实际观察到μ子个数。这是为什么呢？
原来，由于时间延缓效应，对于地面观察者看来，μ子的平均寿命，已不是3.0μs了，而是约为21μs，在这段时间内，μ子可以飞行更远的距离，更多的μ子都能飞越8km的距离到达地面。因此，实际观察到μ子个数多于用牛顿经典理论计算的数值。
知识点三：牛顿力学的成就与局限性
1、牛顿力学的成就
(1)把天体运动与地面上物体的运动统一起来。
(2)经典力学和以经典力学为基础发展起来的天体力学、材料力学和结构力学等。
(3)力学和热力学的发展及其与生产的结合引发了第一次工业革命。
(4)由牛顿运动定律导出的动量守恒定律、机械能守恒定律等是航空航天技术的理论基础。
2、牛顿力学的局限性
(1)经典力学是从日常机械运动中总结出来的，超出这个范围，经典力学常常就不适用了。
(2)绝对时空观：牛顿认为，时间、空间与物质及其运动完全无关，时间与空间也完全无关。
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。
3、正确理解绝对时空观
(1)时间和空间是分离的，时间尺度和空间尺度与物质运动无关，都是绝对的。
(2)经典力学的时空观认为，时间就其本质而言是永远均匀地流逝，与任何其他外界事物无关，空间就其本质而言与外界任何事物无关，它从不运动，并且永远不变。
(1)同时的绝对性
在一个惯性系中的观察者在某一时刻观测到两个事件，对另一个做匀速直线运动的惯性系中的观察者来说是同时发生的，即同时性与观察者的运动状态无关。
(2)时间间隔的绝对性
任何事件(或物体的运动)所经历的时间，在不同的参考系中测量都是相同的，而与参考系(或观察者)的运动无关。
(3)空间距离的绝对性
如果各个惯性系中用来测量长度的标准相同，那么空间两点的距离也就有绝对不变的量值，而与惯性系的选择(或观察者的运动状态)无关。
4、由绝对时空观得到的结论
5、经典力学有它的适用范围
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。
低速和高速的区别：
(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。
1、经典力学只适用于“宏观世界”，这里的“宏观世界”是指(　　)
A．行星、恒星、星系等巨大的物质领域
B．地球表面上的物质世界
C．人眼能看到的物质世界
D．不涉及分子、原子、电子等微观粒子的物质世界
D
2、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
3、关于经典力学、狭义相对论和量子力学，下列说法中正确的是(　　)
A．狭义相对论和经典力学是相互对立的、互不相容的两种理论；
B．在物体高速运动时，物体的运动规律遵循狭义相对论，在低速运动时，物体的运动遵循牛顿运动定律；
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
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
认为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。
3、时间延缓效应
4、长度收缩效应
三、牛顿力学的成就与局限性
经典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。