7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性（22张PPT）

(共22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
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？
思考与讨论
如果河水中的河水以相对河岸的速度v水岸流动，河中的船以相对于水的速度v船水顺流而下，则船相对于岸边的速度为多少？
因此，前面问题的答案似乎应为1.2c。然而，事实并非如此。
真空中的光速是宇宙中最快的速度。这里怎么出现了1.2倍的光速呢？显然，在哪里出现了问题！
V水=5m/s
V船=5m/s
v船岸=v船水+v水岸
1.知道牛顿力学只适用低速、宏观物体的运动。知道相对论、量子论有助于人类认识高速、微观领域。
2.知道爱因斯坦狭义相对论的基本假设，知道长度相对性和时间间隔相对性的表达式。
3. 知道科学真理是相对的，未知世界必将在人类不懈的探索中被揭开更多的谜底。
麦克斯韦
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。
一、相对论时空观
迈克耳孙
1887年迈克耳孙——莫雷实验表明：在不同的参考系中，光的传播速度都是一样的。
按照绝对时空观,光的传播速度与参考系的选取有关,而实验测得光的传播速度与参考系的选取无关,二者有矛盾。
(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。
爱因斯坦的假设
如图，如果两个事件在一个参考系中是同时的，在另一个参考系中也是同时的吗？
火车上的观察者观测到：闪光会同时到达前后两壁。
地面上的观察者观测到：闪光会先到到后壁，后到达前壁。
狭义相对论认为：同时是相对的。
什么是时间延缓效应？
时间延缓效应： ， t0 为相对地面以速度v运动的惯性参考系上的人测定的时间， t为地面上的人测定的时间.
由于 ，总有t > t0 ，此种情况称为时间延缓效应
什么是长度收缩效应？
，l是沿着杆以v运动的人测得的杆长，l0是与杆相对静止的人测得的杆长，l由于 ，总有l2.牛顿力学与电磁理论的矛盾
在不同的参考系中，光在真空中的传播速度都是一样的。
1.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、相对论时空观
5.相对论时空观：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。
4.三个结论：同时是相对的、时间延缓效应、长度收缩效应
3.爱因斯坦的两个假设
在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的。
真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。
相对论时空观的实验验证：
（1）高速运动的 μ 子寿命延长
（2）1971年使用同步原子钟已证实了这个结论的正确性，将一个钟表留在地面上，而携带另一个以很快速度移动（如在喷气式飞机上），随后进行比较，运动的钟表总比留在地面上的钟表稍微慢一点。
1.牛顿力学的有何成就？
二、牛顿力学的成就与局限性
（1）牛顿三定律和万有引力定律把天体的运动与地上物体的运动统一起来，是人类认识史上的第一次重大飞跃；
（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得到了广泛应用，并取得了巨大成就。
（3）由牛顿力学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。火箭、人造卫星、航天飞机、宇宙飞船、行星探测器等航天器的发射，都是牛顿力学规律的应用范例。牛顿力学在如此广阔的领域与实际相符合，显示了牛顿运动定律的正确性和牛顿力学的魅力。
2.牛顿力学有何局限性？
物体在以接近光速运动时所遵从的规律，有些与牛顿力学的结论不同。
在微观世界，电子、质子、中子等微观粒子，他们的运动规律在很多情况下不能用牛顿力学来说明。
3.相对论和量子力学的出现，是否表示经典力学失去了意义
相对论和量子力学的出现，说明人类对自然界的认识更加广泛和深入，而不表示经典力学失去了意义。它只是使人们认识到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。
牛顿力学的局限性
1、关于牛顿力学和狭义相对论，下列说法正确的是（　　）
A．牛顿力学适用于宏观世界弱引力场中的低速运动
B．牛顿力学适用于分析高速运动的μ子的寿命
C．在狭义相对论中，真空中光速是可变的
D．在狭义相对论中，物体的能量与质量无关
2、设某人在以速度为0.5c的飞船上，打开一个光源，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2c
D.在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c
3、某星际飞船正在遥远的外太空飞行，假如它的速度可以达到0.7c，在地球上观测到其经过8.76×104 h的时间到达某星球，则在飞船上的人看来，其到达此星球需要的时间是（　　）
A．8.76×104 h B．6.26×104 h
C．12.27×104 h D．16.52×104 h
4、在狭义相对论中，下列说法中正确的是（　　）
A．经典物理学可视为相对论在低速运动时的特例
B．真空中光速在不同的惯性参考系中是不相同的
C．在高速运动情况下，惯性参考系中的物理规律不一定相同
D．狭义相对论全面否定了经典物理学
5、如图所示，a、b、c为三个完全相同的时钟，a放在水平地面上，b、c分别放在以速度vb、vc向同一方向飞行的两枚火箭上，且vbA．a B．b C．c D．无法确定
(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。