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31张ppt）

(共31张PPT)
第七章
第5节
相对论时空观与牛顿力学的局限性
自然和自然的法则在黑暗中隐藏；上帝说，让牛顿去吧！于是一切都被照亮。魔鬼说，让爱因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。
新课导入
双生子佯谬
双生子佯谬是一个有关狭义相对论的思想实验。
内容是这样的：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。
一、相对论时空观
Einstein 对相对论的解释:
当你和一个美丽的姑娘在一起坐一小时,你感觉只坐了一分钟,当你坐在火炉旁一分钟,就好象坐了一小时,这就是相对论。
Albert Einstein
世纪伟人
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，该星球上的观察者测量到的激光速度是多少？
绝对时空观：时间和空间独立于物体及其运动而存在。
激光速度=1.2c
NO!NO!NO!!!
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 年的迈克耳逊—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。
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。
爱因斯坦假设 ：
（1）在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的；
（2）真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。
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、同时的相对性
问题1：以火车为参考系，闪光是否同时到达前后壁？
问题2：以地面为参考系，光刚从光源发出时，前壁和后壁离光源是否等距？经过时间t后，前后壁离光发出时的位置还等距吗？为什么？
问题3：根据光速不变原理，光到达前后壁还同时吗？
问题4：不同的观察者观察的光到达两壁的时间不同时，你相信这是真的吗？如果要否定它，首先要否定什么？
问题5：时间间隔还是与物体运动无关的存在吗？
在爱因斯坦两个假设的基础上，经过严格的数学推导，可以得到下述结果。
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 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，那么两者之间的关系是
时间膨胀
问题6：除了时间观念，你认为空间距离是否也会跟物体运动有关？爱因斯坦经过两个假设推导杆长l的表达式是怎样的？
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
长度收缩
问题7：上述表达式有没有得到实验的验证？
要验证（1）（2）两式是否正确，首先要找到高速运动的物体。科学家发现 子以 0.99 c 甚至更高的速度飞行。根据经典理论可计算每秒到达地球的 子数，这个数值小于实际观察到的 子数。
观察到的现象与经典理论产生了矛盾。
相对于光速而言，低速运动即可近似认为速度为 0，即若选择与 子一起运动的某一物体为参考系，此时 子的平均寿命是 3.0 s。对于地面上的观测者来说，由（1）式计算可知 子平均寿命约为 21 s。由于平均寿命增大，飞行的距离也变大，因而在地面附近实际观测到的 子的数量就大于经典理论作出的预言。-------- 子平均寿命变长成了相对论时空观的最早证据
相对论时空观的第一次宏观验证是在 1971 年进行的。当时在地面上将四只铯原子钟调整同步，然后把它们分别放在两架喷气式飞机上做环球飞行，一架向东飞，另一架向西飞。两架飞机各绕地球飞行一周后回到地面，与留在地面上的铯原子钟进行比较。实验结果与相对论的理论预言符合得很好。
爱因斯坦
狭义相对论
m0，t0，L0都为运动的惯性系中观测的物理量
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，绝对的
与运动无关，不变的
相对的
与运动有关，相对的
随速度增大而增大
经典时空观与相对论时空观
二、牛顿力学的成就与局限性
1、牛顿力学的成就
想一下有哪些物理学家为近代科学的诞生作出了哪些突出的贡献？
重 大 成 就 时 间
阿基米德发现浮力定律 公元前三世纪
开普勒发现行星运动定律 1609，1619
伽利略阐明了运动的相对性原理 1632
发现了自由落体运动规律、惯性原理 1638
帕斯卡发现帕斯卡原理 1653
马德堡半球实验、验证大气压力 1663
发现胡克定律——弹簧弹力和形变的关系 1678
牛顿发表《自然哲学的数学原理》，阐明了运动定律和万有引力定律 1687
经典力学的伟大成就
⑴把天上、地下物体的运动统一，实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合；
⑵在宏观、低速、弱引力的广阔区域、包括天体运动的研究中经受了实践检验，取得了巨大成就。
⑶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）物体在接近光速运动时所遵从的规律，有些是与牛顿力学的结论不相同的。
2）在微观世界（尺度在0.1nm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。
2、牛顿力学的局限性
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。它像一部科学理论一样，是一部“未完成的交响曲”除了高速运动，牛顿力学在其他方面是否也有局限性？
相对论和量子力学是不是否定了牛顿力学？说说你的看法
答案　不是。当物体的运动速度远小于光速时，相对论与牛顿力学的结论没有区别；当普朗克常量可以忽略不计时，量子力学和牛顿力学的结论没有区别。牛顿力学没有被否定，而是作为某些条件下的特殊情形，被包括在新的科学成就之中。
经典力学
狭义相对论
广义相对论
量子力学
互为补充，互不矛盾，互不否定共同支撑起物理学科的骨架。
宏观低速
高速
微观世界
强引力
相对论和量子力学是哪一种更广泛的理论的特殊情形呢？我们现在还不知道……”
(1)同时是相对的
(3)动尺变短
(4)运动的物体质量变大
(1)不同惯性参考系,物理规律相同
1、两条基本假设
(2)任何惯性系,光速不变
2、狭义相对论结论
(2)动钟变慢
时间、长度和质量这三者都与参考系的运动有关。
小结
(1)相对论和量子力学的出现，说明经典力学已失去意义。(　　)
(2)原子中电子的运动能用经典力学进行解释。(　　)
(3)空气中灰尘的运动能用经典力学进行解释。(　　)
(4)牛顿力学只适用于世界上普通的物体，研究天体的运动牛顿力学就无能为力了。(　　)
(5)洲际导弹的速度可达到6 000 m/s，在这种高速运动状态下，牛顿力学不适用。(　　)
(6)对于质子、电子的运动情况，牛顿力学同样适用。(　　)
×
×
√
×
×
×
(2022·上海市第十中学高一期末)设某人在速度为0.5c的飞船上打开一个光源，(c为真空中传播的光速)则下列说法正确的是
A.飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为1.5c
B.飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为0.5c
C.在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是
D.在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c
例1
√
根据爱因斯坦的光速不变原理可知，即光在真空中沿任何方向传播速度都是c，则观察者在地面上任何地方和在飞船中观测光的速度均为c，故选D。
飞船以0.9c的速度做匀速直线运动(c为光在真空中的传播速度)，并向运动的反方向发出电磁波，甲在飞船内，乙在地球上，以下说法符合实际的是
A.甲、乙观察到飞船内时钟快慢一样
B.发出的电磁波相对于飞船的速度为1.9c
C.乙观察到飞船内桌子的长度比静止时短
D.乙观察到与飞船保持相对静止的桌子做匀加速直线运动
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
例3
√
取路旁的人为惯性参考系，车上的人相对于路旁的人高速运动，根据长度收缩效应，人在运动方向上将变窄，但在垂直于运动方向上没有发生变化，故选D。