人教版（2019版）高一物理必修二第七章第5节 相对论时空观和牛顿力学的局限性 （共26页ppt）
文档属性
| 名称 | 人教版（2019版）高一物理必修二第七章第5节 相对论时空观和牛顿力学的局限性 （共26页ppt） |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 1.7MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2020-04-14 23:03:24 | ||
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文档简介
(共26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。
本课知识点
一、相对论时空观
二、牛顿力学的成就与局限性
高中物理
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
高中物理
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 年的迈克耳孙—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。
高中物理
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。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。
高中物理
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。因此，这两个事件不是同时发生的。
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
高中物理
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
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。
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
(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
高中物理
二、牛顿力学的成就与局限性
1、牛顿力学的成就
想一下主要有哪些物理学家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
伽利略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
亚里士多德 伽利略 笛卡儿 惠更斯 牛顿
国别
生活年代 古希腊，约公元前384～公元前322年 意大利，1564～1642年 法国，1596～1650年 荷兰，1629～1695年 英国， 1642～1727年
主要的科学研究方法 观察、思维、推理 观察实验、假设、数学推理三者相结合 实验观察、数学推理 实验、数学推理 归纳与演绎、综合与分析、实验观察等
力学方面的主要成就 两个反面的结论：
①力是维持物体运动的原因。
②重的物体比轻的物体下落得快。 ①自由落体运动规律
②力学相对性原理 惯性定律 ①制成了世界上第一架计时摆钟。
②测量出重力加速度的值。 ①三大运动定律、②万有引力定律。
经典力学的伟大成就
⑴把人类对整个自然界的认识推进到一个新水平，牛顿从力学上证明了自然界的统一；
⑵经典力学的建立首次明确了一切自然科学理论应有的基本特征，这标志着近代理论自然科学的诞生，也成为其他各门自然科学的典范；
⑶经典力学的建立对自然科学和科技的发展、社会的进步具有深远影响：
①经典力学形成的科学研究方法的推广应用；
②经典力学与其他基础科学相结合产生了许多交叉学科，促进了自然科学的进一步发展；
③经典力学在科学技术上有广泛的应用，促进了社会文明的发展。
19 世纪末和 20 世纪初，物理学研究深入到微观世界，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，它们的运动规律在很多情况下不能用牛顿力学来说明。20 世纪 20 年代，量子力学建立了，它能够很好地描述微观粒子运动的规律，并在现代科学技术中发挥了重要作用。
除了高速运动，牛顿力学在其他方面是否也有局限性？
2、牛顿力学的局限性
通过前面的学习，我们已经知道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
经典力学局限性：
1、不能解决高速运动问题（接近光速）
2、不适用于微观领域中物质结构和能量不连续的现象
高中物理
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
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……”
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。
本课知识点
一、相对论时空观
二、牛顿力学的成就与局限性
高中物理
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
高中物理
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 年的迈克耳孙—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。
高中物理
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。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。
高中物理
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。因此，这两个事件不是同时发生的。
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
高中物理
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
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。
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
(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
高中物理
二、牛顿力学的成就与局限性
1、牛顿力学的成就
想一下主要有哪些物理学家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
伽利略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
亚里士多德 伽利略 笛卡儿 惠更斯 牛顿
国别
生活年代 古希腊，约公元前384～公元前322年 意大利，1564～1642年 法国，1596～1650年 荷兰，1629～1695年 英国， 1642～1727年
主要的科学研究方法 观察、思维、推理 观察实验、假设、数学推理三者相结合 实验观察、数学推理 实验、数学推理 归纳与演绎、综合与分析、实验观察等
力学方面的主要成就 两个反面的结论：
①力是维持物体运动的原因。
②重的物体比轻的物体下落得快。 ①自由落体运动规律
②力学相对性原理 惯性定律 ①制成了世界上第一架计时摆钟。
②测量出重力加速度的值。 ①三大运动定律、②万有引力定律。
经典力学的伟大成就
⑴把人类对整个自然界的认识推进到一个新水平，牛顿从力学上证明了自然界的统一；
⑵经典力学的建立首次明确了一切自然科学理论应有的基本特征，这标志着近代理论自然科学的诞生，也成为其他各门自然科学的典范；
⑶经典力学的建立对自然科学和科技的发展、社会的进步具有深远影响：
①经典力学形成的科学研究方法的推广应用；
②经典力学与其他基础科学相结合产生了许多交叉学科，促进了自然科学的进一步发展；
③经典力学在科学技术上有广泛的应用，促进了社会文明的发展。
19 世纪末和 20 世纪初，物理学研究深入到微观世界，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，它们的运动规律在很多情况下不能用牛顿力学来说明。20 世纪 20 年代，量子力学建立了，它能够很好地描述微观粒子运动的规律，并在现代科学技术中发挥了重要作用。
除了高速运动，牛顿力学在其他方面是否也有局限性？
2、牛顿力学的局限性
通过前面的学习，我们已经知道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
经典力学局限性：
1、不能解决高速运动问题（接近光速）
2、不适用于微观领域中物质结构和能量不连续的现象
高中物理
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
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……”