7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 课件（共21张PPT）

(共21张PPT)
相对论时空观与牛顿力学的局限性
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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。
思考
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V船岸如何表示？
V船岸=V船水+V水岸
伽利略变换，是牛顿经典力学研究相对运动问题的基本法则。
思考
设飞船以 0.2c 的速度航行。向正前方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？
根据v光星=v光船+v船星
星球上测量的激光的速度应为1.2c。
真的是这样吗？
经典物理学上的乌云
詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（1831—1879）
十九世纪，英国科学家麦克斯韦，提出了电磁场理论，预言了电磁波的存在，并从理论上证明了，电磁波传播的速度等于光速，而且似乎这个速度无需参考系，是个常数。
经典物理学上的乌云
阿尔伯特·迈克尔逊（1852—1931）
1887年的迈克尔逊-莫雷实验。这个实验中，他们二人想测量由于地球公转引起的公转切线方向和垂直黄道面方向的光速差异，最后竟然发现两个方向上的光速没有区别，这就证明了在不同的参考系中，光的传播速度都是一样的！
垂直黄道面方向光速
地轴
地球公转方向
公转切线方向光速
经典物理学上的乌云
开尔文：“物理学大厦上空的乌云”。
光速不变的结果和牛顿力学中不同参考系之间的速度变换（伽利略变换）关系不符。
是坚持牛顿力学还是尊重事实？
开尔文
（1824—1907）
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。
爱因斯坦在实验事实的基础上，大胆提出两个假设。
阿尔伯特·爱因斯坦（德） （1879—1955）
儒勒·庞加莱（法）
（1854-1912）
（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。
两个假设为基础可以推到令人惊叹
的结论。
（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。
相对论时空观
结论：
区别于牛顿力学时空观，运动的物体，不同参考系中，“同时”是相对的。
“同时”的相对性
相对论的效应：时间延缓效应
假设：火车速度是V，该过程地面参考系用时是t0，以火车是t 。
小于1，所以t0总是大于t。同一过程，地面上的人用更时长。
这种现象叫时间延缓效应。
时间延缓效应
如果以地面为参考系的人测量杆长为 ，火车上相对杆静止的人测得杆为
长度收缩效应
由于 小于1，所以沿着火车前进的方向总有 小于 。此种情况称之为长度收缩效应。
由数学推导可得：
相对论时空观
上面两个公式表明，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意义，被称为相对论时空观。
相对论效应如何验证呢？
宇宙射线与大气中的分子发生碰撞，可以在离海平面大约8公里高处产生接近光速的高能μ子，由于μ子是一种不稳定的粒子，实验室测得其静止时平均寿命只有3微秒。
如何解释？
依据牛顿力学时空观：
μ子前行距离
结论：几乎没有μ子可以到达地面。
事实：在地面上可以观测到大量的μ子。
相对论的验证
相对论的验证
μ子静止时平均寿命是3.0μs，假设高空中μ子以0.99c的速度飞行
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
由时间延长效应可得：
地面观察者看到μ子的前进距离
牛顿力学的成就
牛顿力学有很多解释不了的现象
牛顿力学是否还有价值？
牛顿力学的适用条件是什么？
牛顿力学的局限性
当物体运动速度v远小于c时， 趋近于1。此时 ， 与牛顿经典力学的时空观一致。
原来牛顿的经典力学是相对论在远小于光速情况下的特例。
牛顿力学的局限性
牛顿力学取得了辉煌成就，但是真理是相对的，没有理论可以穷尽一切真理。相对论和量子力学中，牛顿力学成了低速和宏观状态的特例。
适用于速度远小于光速c，接近光速时用相对论。
适用于h可以忽略不计时，微观尺度用量子力学。
牛顿力学的局限性
相对论是不是就是最终的理论呢？
牛顿经典力学只适用于低速，宏观问题。
2.牛顿力学的成就和局限性
没有绝对的时间与空间，时间和空间都是相对的。
时间的延缓效应
长度的收缩效应
1.相对论时空观
课堂小结
3.科学“真理”是相对的，只有坚持科学探索才能接近真理。