7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 课件 31张PPT

课前复习
1、三个宇宙速度以及第一宇宙速度的推导方法；
2、发射速度与环绕速度的区别；
3、两类变轨问题以及线速度的比较。
横县百合完全中学——韦衍虎
7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性
问题导入
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？
v=0.2c
光速=c
所以时间就是表示一个变化的过程。
1.河水、树木，这是个事件还是个事物？
2.河水在流动，树木在生长呢？
什么是时间？
事物
事件
绝对时空观：
3.如果没有了时间，水还流动吗，树木还在生长吗？
4.要是没有空间树木往哪里长，水往哪里流呢？
时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的。
一：相对论时空观的理解
如图所示:
静止在地球上的人测得地月之间的距离为????0,坐在从地球高速飞往月球的飞船里的宇航员测得地月之间的距离仍为????0吗?
?
宇航员测得地月距离应满足：
????=?????????????(????????)????
?
我们知道，若河中的水以相对于岸的速度v水岸流动, 河中的船以相对于水的速度v船水顺流而下，则船相对于岸的速度为
v船岸=v船水+v水岸
根据上式前面问题，则有：
v光观=v光船+v船观
v光船=c
v船观=0.2c
v光观=1.2c
事实并非如此！
一：相对论时空观的理解
麦克斯韦
麦克斯韦电磁场理论的建立
电磁波的传播速度等于光速 c
这个速度是相对哪个参考系而言的？
一：相对论时空观的理解
迈克耳孙一莫雷实验
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。
一：相对论时空观的理解
1、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。
光速不变原理
车上的观察者
地面的观察者
时间和空间的相对性
双生子佯谬
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?τ,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?t，那么两者之间的关系是
动钟变慢
时间和空间的相对性
1、时间延缓效应
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
2、长度收缩效应
此种情况称为长度收缩效应。
时间和空间的相对性
3、相对论时空观
?????=??????????????????????和????=?????????????????????????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。
?
它反映的时空观称作相对论时空观。
4、物体质量与运动状态的关系
在粒子对撞机中,有一个电子经过加速器加速后,速度可达到光速的12.此时由于电子的速度接近光速,所以质量变化明显,根据爱因斯坦狭义相对论中运动质量与静止质量的关系可得：
?
????=?????????????????????????≈????.????????????????????
?
运动的物体质量增大
已知μ子低速运动时的平均寿命是3.0 μs。当μ子以0.99c的速度飞行，若选择μ子为参考系，此时μ子的平均寿命是多少？对于地面上的观测者来说，平均寿命又是多少？
设以μ子为参考系时的平均寿命为?t
设对于地面上的观测者来说，平均寿命?t0
?t=3.0 μs
代入数据：
相对论完美解释了μ子寿命变长现象
相对论时空观的第一次宏观验证
两架飞机载着铯原子钟环球飞行
二、牛顿力学的成就与局限性
地面上物体运动
天体的运动
拦河筑坝
各种机械
自行车
汽车
火车
飞机
1、牛顿力学的成就
投出的篮球
导弹发射
人造卫星
宇宙飞船
所有这些都服从牛顿力学的规律。牛顿力学在如此广阔的领域里与实际相符合，显示了牛顿运动定律的正确性和牛顿力学的魅力。
1、牛顿力学的成就
适用：低速物体运动，不适用于高速运动。
2、牛顿力学的局限性
高速：双生子佯谬
低速：投出的篮球
微观世界
粒子性
干涉
衍射
波动性
适用：宏观物体，不适用于微观物体。
2、牛顿力学的局限性
适用于：
宏观
低速
微观
高速
牛顿力学与相对论、量子力学的比较
不适用于：
牛顿力学与相对论、量子力学的联系
3、相对论与量子力学都没有否定过去的科学，经典力学是二者在一定条件下的特殊情形。
联系
1、当物体的运动速度远小于光速时,相对论物理学与经典物理学的结论没有区别。
2、当另一个重要常量即“普朗克常量”可以忽略不计时,量子力学和经典力学的结论没有区别。
【例1】 地面上长100 km的铁路上空有一火箭沿铁路方向以30 km/s的速度掠过,则火箭上的人看到铁路的长度应该为多少?
如果火箭的速度达到0.6c,则火箭上的人看到的铁路的长度是多少？
解析：因为火箭速度30Km/s?光速，即铁路长度适用经典力学，????=????0=100????????;
当火箭速度达到0.6c时，应用爱因斯坦相对论分析，即????=????01?????????2=80????????。
?
练习1 A、B两火箭沿同一方向高速飞过地面上的某处, ????????>????????,在火箭A上的人观察到的结果正确的是( ) A.火箭A上的时钟走得最快 B.地面上的时钟走得最快 C.火箭B上的时钟走得最快 D.火箭B上的时钟走得最慢
?
B
练习2 航员要到离地球5光年的星球上去旅行,如果地球指挥中心希望把这路程缩短为3光年则他所乘飞船相对地球的速度为（ ）
A. 0.5C
B 0.6C
C 0.8C
D 0.9C
C
1、在垂直于运动方向不发生长度收缩效应现象。
2、我们平常观察不到这种长度收缩效应,是因为我们生活在比光速低得多的低速世界里,长度收缩效应极不明显,即使运动物体的速度达到30000 km/s(0.1c),长度收缩效应也只不过是5%,因此,在低速运动中, ?????????、????≈????0长度收缩效应可忽略不计.
?
规律总结
【例2】 关于经典力学、爱因斯坦假设和量子力学,下列说法中正确的是( ) A.爱因斯坦假设和经典力学是相互对立、互不相容的两种理论 B.经典力学包含于相对论之中,经典力学是相对论的特例 C.经典力学只适用于宏观物体的运动,量子力学只适用于微观粒子的运动 D.不论是宏观物体,还是微观粒子,经典力学和量子力学都是适用的
B
练习3 继哥自尼提出“太阳中心说”、开普勒提出行星运动三定律后,牛顿站在“巨人”的肩膀上,创立了牛顿力学,揭示了包括行星在内的宏观物体的运动规律;爱因斯坦既批判了牛顿力学的不足,又进一步发展了牛顿力学,创立了相对论,这说明（ ） A.世界无限扩大,人不可能认识世界 B.人的意识具有能动性,能够正确地反映客观世界 C.人对世界的每一个正确认识都有局限性,需要发展和深化 D.每一个认识都可能被后人推翻,人不可能获得正确的认识
C
练习4 关于牛顿力学的适用范围和局限性,下列说法正确的是（ ） A.牛顿力学过时了,应该被量子力学所取代 B.由于超音速飞机的速度太大,其运动不能用牛顿力学来解释 C.人造卫星的运动不适合用牛顿力学来描述 D.当物体的速度接近光速时,其运动规律不适合用牛顿力学来描述
D
课堂小结
1.牛顿力学适用于低速物体运动，不适用于高速运动。
2.牛顿力学适用于宏观物体，不适用于微观物体。
3.高速物体的运动使用狭义相对论。
4.微观物体的运动使用量子力学。