7.5相對論時空觀與牛頓力學的局限性課件-高一下學期物理人教版

第5節(jié)相對論時空觀與牛頓力學的局限性第七章萬有引力與宇宙航行設想人類可以利用飛船以0.2c的速度進行星際航行。若飛船向正前方的某一星球發(fā)射一束激光，根據v光船=v光+v船該星球上的觀察者測量到的激光的速度是否為1.2c，事實是這樣嗎？然而，事實并非如此。1.了解相對論時空觀，知道時間延緩效應和長度收縮效應。2.認識牛頓力學的成就、適用范圍及局限性。3.了解科學理論的相對性，體會科學理論是不斷發(fā)展和完善的。知識點一：牛頓力學時空觀在牛頓力學時空觀里，時間像一條看不見的“長河”，均勻地自行流逝著，空間像一個廣闊無邊的房間，它們都不影響物體及其運動。所以不管選什么參考系，不管物體怎么運動，物體的時間、長度、質量等等的測量結果肯定是一樣的。時間與空間都是獨立于物體及其運動而存在的。這種絕對時空觀，也叫牛頓力學時空觀。若河中的水以相對于岸的速度v水岸流動，河中的船以相對于水的速度v船水順流而下，則船相對于岸的速度為v船岸＝v船水＋v水岸前面問題的答案似乎應為1.2c，然而，事實并非如此！因為經典力學不再適用。經典力學只適用于解決低速運動問題，不能用來處理高速運動問題，要解決這一問題就需要用到相對論時空觀。知識點二：相對論時空觀19世紀，英國物理學家麥克斯韋根據電磁場理論預言了電磁波的存在，并證明電磁波的傳播速度等于光速c。這個速度是相對哪個參考系而言的？麥克斯韋英國物理學家、數學家邁克耳孫:波蘭裔美國藉物理學家。1887年的邁克耳孫—莫雷實驗以及其他一些實驗表明：在不同的參考系中，光的傳播速度都是一樣的所以證明電磁波的傳播速度等于光速c，無論對于哪個參考系而言都是一樣的。（1）相對性原理：在不同的慣性參考系中，物理規(guī)律的形式都是相同的；表明在任何慣性系中研究某個物體的某一運動過程，其運動規(guī)律形式不變。1、愛因斯坦的兩個假設（2）光速不變原理：真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的。表明了經典時空觀與相對論時空觀的不同。在經典物理學中，如果兩個事件在一個參考系中是同時的，在另一個參考系中一定也是同時的。但是，如果按照愛因斯坦的兩個假設，結論還是這樣嗎？2、相對論時空觀的內容根據愛因斯坦假設：真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的，兩個事件在一個參考系中是同時的，在另一個參考系中不一定也是同時的。認為時間和空間是相互聯(lián)系、相互影響的，并且與物質的存在及運動有關。例如：假設一列火車沿平直軌道飛快地勻速行駛。車廂中央的光源發(fā)出了一個閃光，閃光照到了車廂的前壁和后壁。（1）車上的觀察者以車廂為參考系，閃光到達前后兩壁的時間相同嗎？（2）車下的觀察者來說，以地面為參考系，閃光到達前后兩壁的時間相同嗎？對于車下的觀察者來說，他以地面為參考系，因閃光向前、后傳播的速率對地面也是相同的，在閃光飛向兩壁的過程中，車廂向前行進了一段距離，所以向前的光傳播的路程長些。他觀測到的結果應該是：閃光先到達后壁，后到達前壁。因此，這兩個事件不是同時發(fā)生的。3、時間延緩效應

如果相當于地面以v運動的慣性參考系上的人觀察到與其一起運動的物體完成某個動作的時間間隔為Δτ，地面上的人觀察到該物體在同一地點完成這個動作的時間間隔為Δt，則

（1）如果與桿相對靜止的人測得桿長是l0

，沿著桿的方向，以v相對桿運動的人測得桿長是l，那么兩者之間的關系是

4、長度收縮效應

（2）（1）式和（2）式表明：運動物體的長度（空間距離）和物理過程的快慢（時間進程）都跟物體的運動狀態(tài)有關。這個結論具有革命性的意義，它所反映的時空觀稱作相對論時空觀。愛爾蘭物理學家佛茲杰拉德提出，物質會在運動的方向上收縮（縮?。@意味著根據一個靜止觀察者的觀點，一枚以接近光線運行的火箭所表現(xiàn)出的長度會比它靜止時更短，盡管乘坐火箭的人看來并沒有什么兩樣。愛因斯坦指出，任何物體以光速運動時，其長度將會縮短為零。思考與討論：有一種基本粒子叫μ子，當它低速運動時，它的平均壽命是3.0μs，當μ子以0.99c的速度飛行時，若選μ子為參考系，μ子的平均壽命是多少？若以地面為參考系，μ子的平均壽命是多少？【分析】若選μ子為參考系，μ子的平均壽命為t1=3.0μs；若以地面為參考系，μ子的平均壽命為：t2事實上，到達地面的μ子，大多產生于距地面8km的高空，科學家們根據經典理論，可以計算出每秒到達地面的μ子個數。但這個理論數值小于實際觀察到μ子個數。這是為什么呢？原來，由于時間延緩效應，對于地面觀察者看來，μ子的平均壽命，已不是3.0μs了，而是約為21μs，在這段時間內，μ子可以飛行更遠的距離，更多的μ子都能飛越8km的距離到達地面。因此，實際觀察到μ子個數多于用牛頓經典理論計算的數值。知識點三：牛頓力學的成就與局限性1、牛頓力學的成就(1)把天體運動與地面上物體的運動統(tǒng)一起來。(2)經典力學和以經典力學為基礎發(fā)展起來的天體力學、材料力學和結構力學等。(3)力學和熱力學的發(fā)展及其與生產的結合引發(fā)了第一次工業(yè)革命。(4)由牛頓運動定律導出的動量守恒定律、機械能守恒定律等是航空航天技術的理論基礎。2、牛頓力學的局限性(1)經典力學是從日常機械運動中總結出來的，超出這個范圍，經典力學常常就不適用了。(2)絕對時空觀：牛頓認為，時間、空間與物質及其運動完全無關，時間與空間也完全無關。在微觀世界中（尺度在10-10m以下），由于物質的存在和運動形式（波粒二象性），較宏觀世界，有較大的不同,牛頓力學也不適用。3、正確理解絕對時空觀(1)時間和空間是分離的，時間尺度和空間尺度與物質運動無關，都是絕對的。(2)經典力學的時空觀認為，時間就其本質而言是永遠均勻地流逝，與任何其他外界事物無關，空間就其本質而言與外界任何事物無關，它從不運動，并且永遠不變。(1)同時的絕對性在一個慣性系中的觀察者在某一時刻觀測到兩個事件，對另一個做勻速直線運動的慣性系中的觀察者來說是同時發(fā)生的，即同時性與觀察者的運動狀態(tài)無關。(2)時間間隔的絕對性任何事件(或物體的運動)所經歷的時間，在不同的參考系中測量都是相同的，而與參考系(或觀察者)的運動無關。(3)空間距離的絕對性如果各個慣性系中用來測量長度的標準相同，那么空間兩點的距離也就有絕對不變的量值，而與慣性系的選擇(或觀察者的運動狀態(tài))無關。4、由絕對時空觀得到的結論5、經典力學有它的適用范圍只適用于低速運動，不適用于高速運動；只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界；只適用于弱引力情況，不適用于強引力情況。低速和高速的區(qū)別：(1)低速：通常所見物體的運動，如行駛的汽車、發(fā)射的導彈、人造地球衛(wèi)星及宇宙飛船等物體皆為低速運動物體。(2)高速：有些微觀粒子在一定條件下其速度可以與光速相接近，這樣的速度稱為高速。1、經典力學只適用于“宏觀世界”，這里的“宏觀世界”是指(

)A．行星、恒星、星系等巨大的物質領域B．地球表面上的物質世界C．人眼能看到的物質世界D．不涉及分子、原子、電子等微觀粒子的物質世界D2、一艘太空飛船靜止時的長度為30m，他以0.6c（c為光速）的速度沿長度方向飛行經過地球，下列說法正確的是（）A．飛船上的觀測者測得該飛船的長度小于30mB．地球上的觀測者測得該飛船的長度小于30mC．飛船上的觀測者測得地球上發(fā)來的光信號速度小于cD．地球上的觀測者測得飛船上發(fā)來的光信號速度小于cB3、關于經典力學、狹義相對論和量子力學，下列說法中正確的是(

)A．狹義相對論和經典力學是相互對立的、互不相容的兩種理論；B．在物體高速運動時，物體的運動規(guī)律遵循狹義相對論，在低速運動時，物體的運動遵循牛頓運動定律；C．經典力學適用于宏觀物體的運動，量子力學適用于微觀粒子的運動；D．不論是宏觀物體，還是微觀粒子，經典力學和量子力學都是適用的。BC一、牛頓力學時空觀時間與空間都是獨立于物體及其運動而