7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性-课件 (共19张PPT) —2023-2024学年人教版（2019）高中物理必修第二册

(共19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。
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的速度是多少
问题？
生活经验让我们体会到，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。也就是说，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。
v船岸=v船水+v水岸
v船岸=v船水+v水岸这类表达式，又被称为伽利略变换，是牛顿力学，研究相对运动问题的基本原理之一。
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？
因此，前面问题的答案似乎应为1.2C。然而，事实并非如此。
1.2倍的光速与我们中学里学到的，真空中的光速是宇宙中最快的速度两者不相符。
1887年，美国科学家迈克尔逊和莫雷通过实验证明了，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，不同的参考系之间的速度变换关系（伽利略变换）不符！
在实验事实的面前，许多物理学家，仍然立足在牛顿力学时空观的基础上，想通过一些理论上的修补工作，解释实验现象。
以爱因斯坦和庞加莱为代表的另一批物理学家，坚决主张，彻底放弃某些与实验事实不相符的观念，如绝对时间的观念，在实验事实的基础上，大胆提出，能够更好地解释实验现象的假设。
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。
车上的观察者以车厢为参考系，因为车厢是个惯性系，光向前、后传播的速率相同，光源又在车厢的中央，闪光当然会同时到达前后两壁
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(图7.5-1乙)。
因此，这两个事件不是同时发生的
对于车厢内的人：
对于车厢外的人：
时间延缓效应
t>t0，时钟变慢效应
现实中v远小于c，故时间相差很小
时间延缓是相互的
h
时空相对性的实验验证
1971年，科学家将铯原子钟放在喷气式飞机中作环球飞行，然后与地面的基准钟对照．实验结果与理论预言符合的很好．这是相对论的第一次宏观验证．
长度收缩效应（尺缩效应）
v
注意：长度收缩效应只发生在相对运动的方向上
物体的质量是否随着速度而变化？
严格的论证表明，物体运动时的质量与它静止时的质量之间有下面的关系：
m为运动质量 ﹥ m0为静止质量
质速关系
宏观物体的速度不可能达到光速
1、牛顿力学的成就
（1）经典力学的基础是牛顿运动定律，牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的广阔区域，包括天体力学的研究中，经受了实践的检验，取得了巨大的成就。
（2）。牛顿运动三定律和万有引力定律把天体的运动与地面上物体的运动统一起来，是人类对自然界认识的第一次大综合，是人类认识史上的一次重大飞跃。
牛顿力学在如此广阔的领域里与实际相符合，显示了牛顿运动定律的正确性和牛顿力学的魅力
2、局限性
（1）物体在以接近光速运动时所遵从的规律，有些是与牛顿力学的结论并不相同的。所以经典力学只适用于物体的低速运动。
（2）在微观世界中，发现了电子、质子、中子等微观粒子，而且发现它们不仅具有粒子性，同时还具有波动性，量子力学能很好地描述微观粒子的运动规律。经典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）经典力学规律只在惯性参考系中成立
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。
1.关于经典力学、相对论和量子力学，下列说法中正确的是( )
A.相对论和经典力学是相互对立、互不相容的两种理论
B.经典力学包含于相对论之中，经典力学是相对论的特例
C.经典力学只适用于宏观物体的运动，量子力学只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
解析　相对论没有否定经典力学，经典力学是相对论在一定条件下的特殊情形，选项A错误，B正确；
经典力学适用于宏观、低速、弱引力的领域，选项C、D错误.
B
2.下列运动中不能用经典力学规律描述的是( )
A.子弹的飞行
B.和谐号从深圳向广州飞驰
C.人造卫星绕地球运动
D.粒子接近光速的运动
解析　子弹的飞行、火车的运动及人造卫星绕地球的运动，都属于宏观、低速，经典力学能适用.而粒子接近光速的运动，不能适用于经典力学，故选D.
D
1
2
3
4
5
3.(多选)下列服从经典力学规律的是
A.自行车、汽车、火车、飞机等交通工具的运动
B.发射导弹、人造卫星、宇宙飞船
C.以接近光速飞行的μ子的运动
D.地壳的变动
解析　经典力学适用于宏观、低速运动的物体，所以A、B、D正确；
当物体运动的速率接近于光速时，经典力学就不适用了，故C错误.
ABD
6
( )
牛顿力学的局限性：
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，不适用于强引力
一、相对论时空观
二、牛顿力学的成就与局限性
课堂小结
（1）时间延缓效应
（2）长度收缩效应