第五章 牛顿力学的局限性与相对论初步(共19张ppt)

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粤教版 必修二 第五章
第五章 牛顿力学的局限性与相对论起步
情景：
如图所示，在匀速直线前进的车厢顶部，有一个白色小球和一个黑色小球同时开始自由落下。甲同学相对于车厢保持静止，而乙同学相对于地面保持静止，则
问题：
(1)白球相对于甲同学做的是什么运动
(2)白球相对于乙同学做的是什么运动
(3)白球相对于黑球做的是什么运动
在上述三种参考系中，白球的运动都能够应用牛顿运动定律来描述吗？
一、惯性参考系与绝对时空观
1、惯性参考系：在牛顿力学体系中，如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系就被称为惯性参考系。
所有相对于惯性参考系静止或做匀速直线运动的参考系都是惯性参考系
2、非惯性参考系：牛顿运动定律不成立的参考系。
3、伽利略相对性原理：在所有的惯性参考系中，力学规律都具有相同的形式。
如计算小球下落时间的公式和结论都是相同的
4、牛顿的绝对时空观：时间和空间彼此独立、互不关联，且不受物质或运动的影响
如：时间一直在默默流逝，并不会因我们日常的行为（阅读、运动、听课、休息）而改变它流逝的快慢
二、牛顿力学的成就与局限
①牛顿力学把宇宙中的天体和地面上的物体的运动统一起来，从力学上证明了自然界多样性的统一，实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合；
②在研究方法上，人们把牛顿力学中行之有效的实验和数学相结合的方法推广到物理学的各个分支学科上，相继建立了热学、电磁学、光学、声学等，从而形成了完整的经典物理学体系。
③牛顿力学与其他基础科学相结合产生了一些交叉性的分支学科，最早的是和天文学结合产生的天体力学，成为现代高度发达的航空航天技术的理论基础。
1、成就：
二、牛顿力学的成就与局限
2、局限：
①首先，牛顿力学的应用受到物体运动速度大小的限制。
②牛顿运动定律不适用于微观领域物质结构和能量不连续的现象。
③牛顿运动定律和万有引力定律对于受到强引力作用的物体的运动也不适用。
因此，牛顿力学只适用于低速（远小于光速）、宏观（人类可感知尺度）、弱引力场（如地球附近）和计量精度要求不高（如全球定位系统需要用相对论进行修正）的情况
课本P122
三、爱因斯坦相对论时空观
1、狭义相对论的基本假设：
相对性原理：
光速不变原理：
在所有的惯性系中，一切物理规律都是相同的。
在所有的惯性系中，测得的真空中的光速都相同。
甲同学观测到前后两门同时打开.
乙同学观测到后门先打开，前门后打开.
三、爱因斯坦相对论时空观
①同时性的相对性：
在一个惯性参考系中同时发生的两个事件，
在另一个惯性参考系看来是不同时的，
这被称为同时性的相对性
甲同学观测到前后两门同时打开.
乙同学观测到后门先打开，前门后打开.
2、时空相对性：
对车厢惯性参考系来说同时发生的事件，
对站台惯性参考系来说却是不同时的．
两个事件是否同时发生，与参考系的选择有关
三、爱因斯坦相对论时空观
②时间延缓：
2、时空相对性
站台上的乙同学和车厢里的甲同学对光信号往返时间的测量结果并不一样，地面上的人测得的时间Δｔ要比车厢里的人测得的时间Δｔ′长
在站台上将观测到火车上的时间进程变慢了，车上的一切物理过程、化学过程和生命过程都变慢了。而在运动参考系里的人认为一切正常，并不感到自己周围的事件变得呆滞。这就是时间间隔的相对性，也称为“时间延缓”、“时间膨胀”或“钟慢效应”
三、爱因斯坦相对论时空观
③长度收缩：
2、时空相对性
当物体相对于观测者运动时，在运动的方向上，观测者(运动)测量到该物体的长度要缩短，而垂直于运动方向的长度不会发生变化。这就是空间距离的相对性，也称为“长度收缩”或“尺缩效应”
假想有一个火车头匀速通站台,已知它的速度为v，没有尺子，只有一个钟。分别在车上、站台上测量站台的长度
在车上测量的长度比站台上要短.
三、爱因斯坦相对论时空观
③长度收缩（尺缩）
2、时空相对性
②时间延缓（钟慢）
①同时性的相对性：
1、狭义相对论的基本假设：
相对性原理：
光速不变原理：
在所有的惯性系中，一切物理规律都是相同的。
在所有的惯性系中，测得的真空中的光速都相同。
3、相对论时空观：
时间和空间与物质的运动状态有关，
因而时间和空间并不相互独立，
会受物质或运动的影响
为什么在日常生活中我们从未感受到时间延缓效应和长度收缩效应？
长度收缩（尺缩）
时间延缓（钟慢）
日常生活
（低速）
相对论：
关于空间、时间和物质运动之间相互联系的现代物理理论。
· 狭义相对论 (Special Relativity)
研究：惯性系中的物理规律；惯性系间物理规律的变换。
揭示：时间、空间和运动的关系。
· 广义相对论(General Relativity)
研究：非惯性系中的物理规律及其变换。
揭示：时间、空间和物质分布的关系。
四、广义相对论——非惯性参考系
根据广义相对论,物体的引力场会使光线弯曲,引力场越强,光线弯曲越厉害.以太阳的引力场为例.如图所示,由于太阳引力场的作用,远处一颗恒星发出的光经过太阳附近时,会由于太阳的引力而发生偏转.
四、广义相对论——非惯性参考系
根据广义相对论,当恒星发出的光在引力场(大质量天体和黑洞)附近经过时,光线会像通过透镜一样发生弯曲,如图5-2-8所示.此类引力透镜现象也普遍被天文学家观测到.当远处天体与观测者的连线和天体“透镜”与观测者的连线之间的偏角很小时,观测者会观测到一个环绕天体“透镜”的光环,称为爱因斯坦环，如图5-2-9所示
四、广义相对论——非惯性参考系
时空弯曲
在大尺度的宇观时空中存在许多大质量天体，如大恒星、球状星团、星系和星系团等，光线经过这些大质量天体附近时发生偏转，这说明整个空间不再是平直的，而变成弯曲的了。
此外，广义相对论还告诉我们，引力场的存在使得空间不同位置的时间进程也存在差别，也可以说时间发生了弯曲．例如在大质量天体的强引力场附近，时间进程会变慢，就像思想实验中在高速运动的火车上的时间进程变慢了一样。
五、宇宙起源和进化
1、古代宇宙模型
“天圆如张盖，地方如棋局”
“盖天说”：
“地心说”：
地球是宇宙的中心，它是静止不动的，太阳、月球和其它行星都围绕地球运动。
太阳是宇宙的中心，地球、月球和其它行星都围绕太阳公转，并且自转着。
“日心说”：
五、宇宙起源和进化
2、近现代宇宙模型
1917年,爱因斯坦建立第一个宇宙模型:
由弯曲空间构成,没有边界、没有中心,但在整体上是有限的、静态的宇宙.
费里德曼提出了动态的宇宙模型：宇宙中的物质从宇观大尺度来说其分布是均匀的，从各个方向看都是一样的，并且随着时间的变化，宇宙在不断膨胀．
证据：美国天文学家哈勃通过观测发现遥远的星系在彼此远离，说明宇宙正在膨胀
五、宇宙起源和进化
2、近现代宇宙模型
宇宙膨胀的观点引出了两种对立的理论:
大爆炸理论（主流思想）：宇宙微波背景辐射，使绝大多数科学家认为,大爆炸理论是目前描述宇宙起源和演化最好的理论
稳恒态宇宙模型：稳恒态宇宙模型假设,随着宇宙膨胀,新的物质会不断产生,使宇宙总密度不变,从而令宇宙在任何时候看上去都基本不变化.
大爆炸理论认为,宇宙起源于约138亿年前一个体积无限小、密度无限大、温度无限高、时空曲率无限大的奇点.如图所示,宇宙“爆炸”之后不断膨胀,导致温度和密度迅速下降.随着温度降低,逐步形成电子、质子、中子、原子核、原子和分子,并复合成为气体.气体逐渐凝聚成星云,星云进一步形成各种各样的恒星和星系,最终形成我们如今所看到的宇宙.一般认为,我们所居住的太阳系大约形成于46亿年前