7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性 课件(共23张PPT)
文档属性
| 名称 | 7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性 课件(共23张PPT) |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 4.8MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2021-03-02 16:55:04 | ||
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文档简介
(共23张PPT)
§7.5
相对论时空观与牛顿力学的局限性
《万有引力与宇宙航行》
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。
对建立经典力学作出重要贡献的科学家
哥白尼
伽利略
笛卡尔
惠更斯
开普勒
牛顿
建的经典力学体系
经典力学的发展过程
17
世纪牛顿力学构成了体系。可以说，这是物理学第一次伟大的综合。牛顿建立了两个定律，一个是运动定律，一个是万有引力定律，并发展了变量数学微积分，具有解决实际问题的能力。他开拓了天体力学这一科学，海王星和冥王星的发现就充分显示了这一点
。
经典力学的发展过程
经典力学
力
动量
能量
生物力学
热弹性力学
磁流体力学
化学流体动力学
等离子体动力学
地质力学
天体力学
塑性力学
流体力学
弹性力学
刚体力学
经典力学的发展过程
伽利略、第谷
哥白尼、亚里士多德
笛卡尔、胡克、哈雷等
如果说我看得远，那是因为我站在巨人们的肩上。
——牛顿
经典力学金字塔的建立
开普勒
牛顿
经典力学的发展过程
经典力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律更是树立了人们对牛顿物理学的尊敬。
物理学家杨振宁曾赞颂到：“如果一定要举出某个人、某一天作为近代科学诞生的标志，我选牛顿《自然哲学的数学原理》在1687年出版的那一天。”
牛顿的《自然哲学的数学原理》被评价为科学史上最伟大的著作
经典力学的发展过程
一、经典时空观与相对论时空观
描述一个物体的运动必须选择一个参考系，然后研究这一物体相对于参考系是如何运动的。
两个小球一起做自由落体运动，均受到重力的作用，如果以红球为参考系，则绿球是静止的。而绿球受到的合外力不为零。所以绿球相对于红球这个参考系而言，并不符合牛顿运动定律。
惯性参考系——牛顿运动定律成立的参考系
非惯性参考系——牛顿运动定律不成立的参考系
所有相对于惯性系做匀速直线运动的参考系都是惯性系，而对于惯性系做变速运动的参考系为非惯性系。
对于所有的惯性系，力学规律都是相同的，或者说，一切惯性系都是等效的，这一结论称为伽利略相对性原理。
绝对的真实的数学时间，就其本质而言，是永远均匀地流逝，与任何外界无关，绝对空间就其本质而言是与任何外界事物无关的，它从不运动，并且永远不变，这就是经典力学的时空观。也称绝对时空观。
10
迈入新世界
1900年，英国物理学家开尔文踌躇满志地宣告：在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。但是在这尽善尽美之中，还有一点小小的遗憾。用开尔文的话说，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵小小的令人不安的“乌云”。
物理学晴朗天空的远处还有两朵小小的、令人不安的“乌云”。
“紫外灾难”，由经典理论得出的瑞利－金斯公式，在高频部分趋于无穷。
“以太漂移”，迈克尔逊－莫雷实验表明，以太不存在。
正是这两朵乌云(后来还出现了其它更多的乌云)，不久便掀起了物理学上深刻的革命：一个导致相对论的建立，一个导致量子力学的诞生。
迈克尔逊
—莫雷实验
量子力学
狭义相对论
黑体辐射
光电效应
氢原子光谱
康普顿效应
经典力学
大厦将倾
1.
相对性原理（爱因斯坦相对性原理）：
所有物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式。
即力学定律从一个惯性系换算到另一个惯性系时，定律的表述形式保持不变。
2.
光速不变原理：
在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速
c
都一样（c
=
3×108
m/s）。
不管光源与观察者之间的相对运动如何，
在任一惯性系中所测得的真空中的光速都是相等的。
爱因斯坦经过不懈的探索加上非凡的抽象思维能力，最终拨开了物理学天空中令人不安的“乌云”，提出了著名的相对论（relativity）。他于
1905
年提出两个基本假设：
二.相对论时空观
1.时间延缓效应
经典时空观认为，时间是绝对时间，就像一条长河，源源不断地从过去到现在直至将来，与运动无关。而相对论时空观则认为，当时钟相对于观测者静止时，时钟走得快些；
当时钟相对于观测者高速运动时，观测者则认为时钟变慢了。
16
分析：
在此过程中，车上的钟走过的时间为
，称固有时.
静止在地面上的观察者看来，由于列车在高速行驶测得该
过程经历的时间为
设车厢高度为h，列车行驶速度为v,则
对运动长度的测量问题
怎么测？同时测
将杆固定在x轴上。
在K'系中杆的长度为：
K系中杆的长度是：
利用洛仑兹变换式有：
2.长度收缩效应
杆相对于观察者静止时测得的长度叫原长也称静长。
杆相对于观察者运动时，在运动方向上测得的长度缩短。这种现象称为长度收缩。
（2）尺缩效应只在相对运动方向上发生；
原长最长
（1）
讨论
在K中的观察者
在K'中的观察者
（3）相对效应
对牛顿运动定律受参考系限制的认识
可见，在非惯性系中，牛顿定律不再成立。
三、经典力学的局限性
经典力学受速度限制的分析
伽利略和牛顿的绝对时空观认为，同一物体运动的时间和长度（位移）在不同的参考系中，测量结果是相同的。
牛顿力学的绝对时空观
绝对的，真正的和数学的时间自己流逝着，并由于它的本性而均匀的与任何外界对象无关的流逝着——牛顿
绝对空间，就其本质来说，独立于外界任何事物，总是始终如一和静止不动的——牛顿
经典力学的局限性
高速世界（接近光速）
随着物体运动速度的加快，时间会变慢。
以接近光速运行的火箭的长度会比它静止时更短，尽管乘坐火箭的人看来并没有什么两样。爱因斯坦指出，任何物体以光速运动时，其长度将会缩短为零。
物体的质量随速度的增大而增大
1905年，爱因斯坦提出，物体高速时（接近光速），物体所占空间（如长度），物理、化学过程，生命持续时间，都与运动状态有关，时间与空间都与运动相关联了------------狭义相对论
“THANKS”
§7.5
相对论时空观与牛顿力学的局限性
《万有引力与宇宙航行》
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。
对建立经典力学作出重要贡献的科学家
哥白尼
伽利略
笛卡尔
惠更斯
开普勒
牛顿
建的经典力学体系
经典力学的发展过程
17
世纪牛顿力学构成了体系。可以说，这是物理学第一次伟大的综合。牛顿建立了两个定律，一个是运动定律，一个是万有引力定律，并发展了变量数学微积分，具有解决实际问题的能力。他开拓了天体力学这一科学，海王星和冥王星的发现就充分显示了这一点
。
经典力学的发展过程
经典力学
力
动量
能量
生物力学
热弹性力学
磁流体力学
化学流体动力学
等离子体动力学
地质力学
天体力学
塑性力学
流体力学
弹性力学
刚体力学
经典力学的发展过程
伽利略、第谷
哥白尼、亚里士多德
笛卡尔、胡克、哈雷等
如果说我看得远，那是因为我站在巨人们的肩上。
——牛顿
经典力学金字塔的建立
开普勒
牛顿
经典力学的发展过程
经典力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律更是树立了人们对牛顿物理学的尊敬。
物理学家杨振宁曾赞颂到：“如果一定要举出某个人、某一天作为近代科学诞生的标志，我选牛顿《自然哲学的数学原理》在1687年出版的那一天。”
牛顿的《自然哲学的数学原理》被评价为科学史上最伟大的著作
经典力学的发展过程
一、经典时空观与相对论时空观
描述一个物体的运动必须选择一个参考系，然后研究这一物体相对于参考系是如何运动的。
两个小球一起做自由落体运动，均受到重力的作用，如果以红球为参考系，则绿球是静止的。而绿球受到的合外力不为零。所以绿球相对于红球这个参考系而言，并不符合牛顿运动定律。
惯性参考系——牛顿运动定律成立的参考系
非惯性参考系——牛顿运动定律不成立的参考系
所有相对于惯性系做匀速直线运动的参考系都是惯性系，而对于惯性系做变速运动的参考系为非惯性系。
对于所有的惯性系，力学规律都是相同的，或者说，一切惯性系都是等效的，这一结论称为伽利略相对性原理。
绝对的真实的数学时间，就其本质而言，是永远均匀地流逝，与任何外界无关，绝对空间就其本质而言是与任何外界事物无关的，它从不运动，并且永远不变，这就是经典力学的时空观。也称绝对时空观。
10
迈入新世界
1900年，英国物理学家开尔文踌躇满志地宣告：在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。但是在这尽善尽美之中，还有一点小小的遗憾。用开尔文的话说，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵小小的令人不安的“乌云”。
物理学晴朗天空的远处还有两朵小小的、令人不安的“乌云”。
“紫外灾难”，由经典理论得出的瑞利－金斯公式，在高频部分趋于无穷。
“以太漂移”，迈克尔逊－莫雷实验表明，以太不存在。
正是这两朵乌云(后来还出现了其它更多的乌云)，不久便掀起了物理学上深刻的革命：一个导致相对论的建立，一个导致量子力学的诞生。
迈克尔逊
—莫雷实验
量子力学
狭义相对论
黑体辐射
光电效应
氢原子光谱
康普顿效应
经典力学
大厦将倾
1.
相对性原理（爱因斯坦相对性原理）：
所有物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式。
即力学定律从一个惯性系换算到另一个惯性系时，定律的表述形式保持不变。
2.
光速不变原理：
在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速
c
都一样（c
=
3×108
m/s）。
不管光源与观察者之间的相对运动如何，
在任一惯性系中所测得的真空中的光速都是相等的。
爱因斯坦经过不懈的探索加上非凡的抽象思维能力，最终拨开了物理学天空中令人不安的“乌云”，提出了著名的相对论（relativity）。他于
1905
年提出两个基本假设：
二.相对论时空观
1.时间延缓效应
经典时空观认为，时间是绝对时间，就像一条长河，源源不断地从过去到现在直至将来，与运动无关。而相对论时空观则认为，当时钟相对于观测者静止时，时钟走得快些；
当时钟相对于观测者高速运动时，观测者则认为时钟变慢了。
16
分析：
在此过程中，车上的钟走过的时间为
，称固有时.
静止在地面上的观察者看来，由于列车在高速行驶测得该
过程经历的时间为
设车厢高度为h，列车行驶速度为v,则
对运动长度的测量问题
怎么测？同时测
将杆固定在x轴上。
在K'系中杆的长度为：
K系中杆的长度是：
利用洛仑兹变换式有：
2.长度收缩效应
杆相对于观察者静止时测得的长度叫原长也称静长。
杆相对于观察者运动时，在运动方向上测得的长度缩短。这种现象称为长度收缩。
（2）尺缩效应只在相对运动方向上发生；
原长最长
（1）
讨论
在K中的观察者
在K'中的观察者
（3）相对效应
对牛顿运动定律受参考系限制的认识
可见，在非惯性系中，牛顿定律不再成立。
三、经典力学的局限性
经典力学受速度限制的分析
伽利略和牛顿的绝对时空观认为，同一物体运动的时间和长度（位移）在不同的参考系中，测量结果是相同的。
牛顿力学的绝对时空观
绝对的，真正的和数学的时间自己流逝着，并由于它的本性而均匀的与任何外界对象无关的流逝着——牛顿
绝对空间，就其本质来说，独立于外界任何事物，总是始终如一和静止不动的——牛顿
经典力学的局限性
高速世界（接近光速）
随着物体运动速度的加快，时间会变慢。
以接近光速运行的火箭的长度会比它静止时更短，尽管乘坐火箭的人看来并没有什么两样。爱因斯坦指出，任何物体以光速运动时，其长度将会缩短为零。
物体的质量随速度的增大而增大
1905年，爱因斯坦提出，物体高速时（接近光速），物体所占空间（如长度），物理、化学过程，生命持续时间，都与运动状态有关，时间与空间都与运动相关联了------------狭义相对论
“THANKS”