7-5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 课件—2020-2021学年【新教材】人教版（2019）高中物理必修第二册32 张PPT
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| 名称 | 7-5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 课件—2020-2021学年【新教材】人教版（2019）高中物理必修第二册32 张PPT |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 39.8MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2021-03-30 09:52:17 | ||
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文档简介
学习目标：
1.了解经典力学的发展历程和伟大成就.
2.认识经典力学的局限性和适用范围.
3.初步了解微观和高速世界中的奇妙现象.
4.了解相对论、量子力学的建立对人类深入认识客观世界的作用，知道物理学改变人类世界观的作用．
思考讨论
1、速度有没有极限？你知道的最大速度是多少？
2、一个物体的质量会不会改变？
3、有没有可能你经历的时间与我经历的时间是不一样的？
4、经历几百年的发展，牛顿运动定律经受住了众多实验的验证证明了它的正确性，它是绝对正确的吗？
狭义相对论
思考讨论
按照牛顿经典力学的方式进行计算，观察者观察到的激光的速度????=????+0.2????=1.2????。
?
事实是否真的如此呢？
麦克斯韦
——詹姆斯·克拉克·麦克斯韦
（James Clerk Maxwell，1831年~1879年），出生于苏格兰爱丁堡，英国物理学家、数学家。经典电动力学的创始人，统计物理学的奠基人之一。
主要成就：
①创建英国第一个专门的物理实验室
②建立了麦克斯韦方程组
③创立了经典电动力学
④预言了电磁波的存在
⑤提出了光的电磁说
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。
对电磁波速度的疑问
我们都知道：
静止是相对的，运动是绝对的。描述物体运动情况的时候都需要选择相应的参考系，那麦克斯韦所说的电磁波的传播速度等于光速c是相对于哪个参考系而言的呢？当代科学家们纷纷对此进行了探究。
迈克尔逊－莫雷实验
莫雷·爱德华·威廉姆斯
迈克尔逊－莫雷实验(Michelson-Morley Experiment)，是1887年迈克尔逊和莫雷在美国克利夫兰做的用迈克尔逊干涉仪测量两垂直光的光速差值的一项著名的物理实验。但结果证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的，由此否认了以太（绝对静止参考系）的存在，从而动摇了经典物理学基础，成为近代物理学的一个开端，在物理学发展史上占有十分重要的地位。
这与牛顿力学中不同参考系之间的速度变换关系不符
思考
难道几百年来经受住了众多实验考验的牛顿经典力学是错误的？
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。
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
庞加莱
爱因斯坦的假设
在经典力学中，如果两个事件在一个参考系中是同时的，在另一个参考系中一定也是同时的。
爱因斯坦假设 ：
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。
爱因斯坦的假设与经典力学是相矛盾的，到底哪个才是真理呢？
火车闪光实验
火车向右行驶
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，如图甲。
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，如图乙。
不同的参考系结果是相矛盾的，可以推测这两个事件不是同时发生的。唯有光速在不同的参考系中速度相同才能解释上述现象。
时间延缓效应
爱因斯坦经过严格的数学推导，得到了下述结果
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
?????=?????1?(????????)2
?
由于 1?(????????)2 < 1，所以总有 Δt >Δτ，此种情况称为时间延缓效应。
?
长度收缩效应
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
????=????01?(????????)2
?
由于1?(????????)2< 1，所以总有 l < l0 ，此种情况称为长度收缩效应。
?
爱因斯坦经过严格的数学推导，得到了下述结果
爱因斯坦的推论
爱因斯坦的两个推论结果表明：
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。
推论毕竟是推论，想要真正证明它的正确性，还需要实验结果来支撑。
μ子数验证推论
????子是宇宙中 π 介子衰变时产生。它在生成的 2.2 微秒后便会衰变成一粒电子、反电子中微子和????子中微子。由于????子的速度很高，故狭义相对论中的时间膨胀令????子衰变时间延长，使????子有机会到达地球表面。
?
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。
思考讨论
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?(????????)2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。
?
相对论时空观的证据
高速运动的 ? 子寿命变长这一现象，用经典理论无法解释，用相对论时空观可得到很好的解释。这一研究结果成了相对论时空观的最早证据。
惯性参考系与非惯性参考系
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A和B同时做自由落体运动，均受到重力作用。
如果以A球作为参考系，B球的运动情况是怎样的？
B球相对于A球静止。
根据牛顿第一定律：一个物体不受力或所受合外力为0时，物体保持静止或匀速直线运动状态。
B球受重力作用，合外力不为0，运动状态应该会发生改变才对，这不是与牛顿第一定律不符合吗？
惯性参考系与非惯性参考系
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。
狭义相对论
光的速度是固定的，上述火车闪光的例子中，与火车同向的光最终的观察结果并不是按照经典时空观的计算结果那样（c+v）。
利用经典力学解决上述问题时，遇到了无法解释的现象。为了解决上述矛盾，爱因斯坦于1905年提出了狭义相对论。
相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。
光速不变原理：不管在哪个惯性系中，测得的真空中的光速都相同。
对狭义相对论的理解
①“同时”的相对性：在一个参考系中同时发生的两个事件，在另一个参考系看来是不同时的，这被称为“同时”的相对性。
②运动的时钟变慢：时钟相对于观察者静止时，走得快；相对于观察者运动时，观察者会看到它变慢了，运动速度越快，效果越明显。
③运动的尺子缩短：一个物体相对于观察者静止时，它的长度测量值最大；相对于观察者运动时，观察者在运动方向上观测，它的长度要缩短。
④物体质量随速度的增加而增大：当速度接近光速时，质量趋于无穷大。如果物体的运动速度比光速小很多时，物体运动时的质量和物体静止时的质量相等。
相对效应只有在高速（接近光速）运动的情况下效应才显著，在通常的情况下，相对论效应极其微小，可忽略不计。
牛顿力学的成就与局限性
{FABFCF23-3B69-468F-B69F-88F6DE6A72F2}经典力学的发展史
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
经典力学金字塔的建立
经典力学金字塔的建立
牛顿
伽利略、第谷
哥白尼、亚里士多德
笛卡尔、胡克、哈雷等
开普勒
牛顿说：如果说我看得远，那是因为我站在巨人们的肩上。
经典力学的成就
经典力学在宏观、低速、弱引力的广阔领域；包括天体力学的研究中经受住了实践的检验，取得了巨大的成功。
①实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合。
②确定了自然科学应有的基本特征。
③将“实验和数学”相结合的方法推广到物理学的各个分支，形成了完整的经典力学体系。
经典力学的成就
大到天体运动，小到生活中各种各样的运动，都符合牛顿经典力学，牛顿经典力学覆盖着极广大的范围。
经典力学的成就
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。
——杨振宁
像一切科学一样，牛顿力学没有也不会穷尽一切真理，它也有自己的局限性。它像一切科学理论一样，是一部“未完成的交响曲”。
物理学的两朵乌云
迈克耳逊－莫雷实验与“以太”说破灭
黑体辐射与“紫外灾难”
相对论
量子力学
后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一场变革的风暴，乌云落地化为一场春雨，浇灌着两朵娇艳的鲜花。
乌云一|相对论
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
从宏观到微观
伦琴
汤姆生
贝克勒耳
第二次革命的导火索，是物理学史上的三大发现：伦琴发现 X 射线、汤姆生发现、贝克勒耳发现天然放射线，使物理学的研究从宏观领域进入了微观世界。
量子力学的创立
人们发现，微观粒子所表现出的现象用经典物理理论根本无法解释。为了克服这一困难，德国物理学家普朗克大胆提出了量子的观点，爱因斯坦等物理学家又将量子论进一步丰富、发展，形成了现代量子力学理论。
普朗克
物理学的骨架
经典力学
狭义相对论
广义相对论
量子力学
经典力学与相对论互为补充，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
谢谢观看，完成课后作业！
1.了解经典力学的发展历程和伟大成就.
2.认识经典力学的局限性和适用范围.
3.初步了解微观和高速世界中的奇妙现象.
4.了解相对论、量子力学的建立对人类深入认识客观世界的作用，知道物理学改变人类世界观的作用．
思考讨论
1、速度有没有极限？你知道的最大速度是多少？
2、一个物体的质量会不会改变？
3、有没有可能你经历的时间与我经历的时间是不一样的？
4、经历几百年的发展，牛顿运动定律经受住了众多实验的验证证明了它的正确性，它是绝对正确的吗？
狭义相对论
思考讨论
按照牛顿经典力学的方式进行计算，观察者观察到的激光的速度????=????+0.2????=1.2????。
?
事实是否真的如此呢？
麦克斯韦
——詹姆斯·克拉克·麦克斯韦
（James Clerk Maxwell，1831年~1879年），出生于苏格兰爱丁堡，英国物理学家、数学家。经典电动力学的创始人，统计物理学的奠基人之一。
主要成就：
①创建英国第一个专门的物理实验室
②建立了麦克斯韦方程组
③创立了经典电动力学
④预言了电磁波的存在
⑤提出了光的电磁说
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。
对电磁波速度的疑问
我们都知道：
静止是相对的，运动是绝对的。描述物体运动情况的时候都需要选择相应的参考系，那麦克斯韦所说的电磁波的传播速度等于光速c是相对于哪个参考系而言的呢？当代科学家们纷纷对此进行了探究。
迈克尔逊－莫雷实验
莫雷·爱德华·威廉姆斯
迈克尔逊－莫雷实验(Michelson-Morley Experiment)，是1887年迈克尔逊和莫雷在美国克利夫兰做的用迈克尔逊干涉仪测量两垂直光的光速差值的一项著名的物理实验。但结果证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的，由此否认了以太（绝对静止参考系）的存在，从而动摇了经典物理学基础，成为近代物理学的一个开端，在物理学发展史上占有十分重要的地位。
这与牛顿力学中不同参考系之间的速度变换关系不符
思考
难道几百年来经受住了众多实验考验的牛顿经典力学是错误的？
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。
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
庞加莱
爱因斯坦的假设
在经典力学中，如果两个事件在一个参考系中是同时的，在另一个参考系中一定也是同时的。
爱因斯坦假设 ：
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。
爱因斯坦的假设与经典力学是相矛盾的，到底哪个才是真理呢？
火车闪光实验
火车向右行驶
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，如图甲。
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，如图乙。
不同的参考系结果是相矛盾的，可以推测这两个事件不是同时发生的。唯有光速在不同的参考系中速度相同才能解释上述现象。
时间延缓效应
爱因斯坦经过严格的数学推导，得到了下述结果
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
?????=?????1?(????????)2
?
由于 1?(????????)2 < 1，所以总有 Δt >Δτ，此种情况称为时间延缓效应。
?
长度收缩效应
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
????=????01?(????????)2
?
由于1?(????????)2< 1，所以总有 l < l0 ，此种情况称为长度收缩效应。
?
爱因斯坦经过严格的数学推导，得到了下述结果
爱因斯坦的推论
爱因斯坦的两个推论结果表明：
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。
推论毕竟是推论，想要真正证明它的正确性，还需要实验结果来支撑。
μ子数验证推论
????子是宇宙中 π 介子衰变时产生。它在生成的 2.2 微秒后便会衰变成一粒电子、反电子中微子和????子中微子。由于????子的速度很高，故狭义相对论中的时间膨胀令????子衰变时间延长，使????子有机会到达地球表面。
?
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。
思考讨论
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?(????????)2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。
?
相对论时空观的证据
高速运动的 ? 子寿命变长这一现象，用经典理论无法解释，用相对论时空观可得到很好的解释。这一研究结果成了相对论时空观的最早证据。
惯性参考系与非惯性参考系
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A和B同时做自由落体运动，均受到重力作用。
如果以A球作为参考系，B球的运动情况是怎样的？
B球相对于A球静止。
根据牛顿第一定律：一个物体不受力或所受合外力为0时，物体保持静止或匀速直线运动状态。
B球受重力作用，合外力不为0，运动状态应该会发生改变才对，这不是与牛顿第一定律不符合吗？
惯性参考系与非惯性参考系
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。
狭义相对论
光的速度是固定的，上述火车闪光的例子中，与火车同向的光最终的观察结果并不是按照经典时空观的计算结果那样（c+v）。
利用经典力学解决上述问题时，遇到了无法解释的现象。为了解决上述矛盾，爱因斯坦于1905年提出了狭义相对论。
相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。
光速不变原理：不管在哪个惯性系中，测得的真空中的光速都相同。
对狭义相对论的理解
①“同时”的相对性：在一个参考系中同时发生的两个事件，在另一个参考系看来是不同时的，这被称为“同时”的相对性。
②运动的时钟变慢：时钟相对于观察者静止时，走得快；相对于观察者运动时，观察者会看到它变慢了，运动速度越快，效果越明显。
③运动的尺子缩短：一个物体相对于观察者静止时，它的长度测量值最大；相对于观察者运动时，观察者在运动方向上观测，它的长度要缩短。
④物体质量随速度的增加而增大：当速度接近光速时，质量趋于无穷大。如果物体的运动速度比光速小很多时，物体运动时的质量和物体静止时的质量相等。
相对效应只有在高速（接近光速）运动的情况下效应才显著，在通常的情况下，相对论效应极其微小，可忽略不计。
牛顿力学的成就与局限性
{FABFCF23-3B69-468F-B69F-88F6DE6A72F2}经典力学的发展史
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
经典力学金字塔的建立
经典力学金字塔的建立
牛顿
伽利略、第谷
哥白尼、亚里士多德
笛卡尔、胡克、哈雷等
开普勒
牛顿说：如果说我看得远，那是因为我站在巨人们的肩上。
经典力学的成就
经典力学在宏观、低速、弱引力的广阔领域；包括天体力学的研究中经受住了实践的检验，取得了巨大的成功。
①实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合。
②确定了自然科学应有的基本特征。
③将“实验和数学”相结合的方法推广到物理学的各个分支，形成了完整的经典力学体系。
经典力学的成就
大到天体运动，小到生活中各种各样的运动，都符合牛顿经典力学，牛顿经典力学覆盖着极广大的范围。
经典力学的成就
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。
——杨振宁
像一切科学一样，牛顿力学没有也不会穷尽一切真理，它也有自己的局限性。它像一切科学理论一样，是一部“未完成的交响曲”。
物理学的两朵乌云
迈克耳逊－莫雷实验与“以太”说破灭
黑体辐射与“紫外灾难”
相对论
量子力学
后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一场变革的风暴，乌云落地化为一场春雨，浇灌着两朵娇艳的鲜花。
乌云一|相对论
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
从宏观到微观
伦琴
汤姆生
贝克勒耳
第二次革命的导火索，是物理学史上的三大发现：伦琴发现 X 射线、汤姆生发现、贝克勒耳发现天然放射线，使物理学的研究从宏观领域进入了微观世界。
量子力学的创立
人们发现，微观粒子所表现出的现象用经典物理理论根本无法解释。为了克服这一困难，德国物理学家普朗克大胆提出了量子的观点，爱因斯坦等物理学家又将量子论进一步丰富、发展，形成了现代量子力学理论。
普朗克
物理学的骨架
经典力学
狭义相对论
广义相对论
量子力学
经典力学与相对论互为补充，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
谢谢观看，完成课后作业！