相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性+高一下學(xué)期物理人教版（2019）必修第二冊(cè)

第七章第5節(jié)相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性自然和自然的法則在黑暗中隱藏；上帝說(shuō)，讓牛頓去吧！于是一切都被照亮。魔鬼說(shuō)，讓愛(ài)因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。新課導(dǎo)入雙生子佯謬

雙生子佯謬是一個(gè)有關(guān)狹義相對(duì)論的思想實(shí)驗(yàn)。內(nèi)容是這樣的：有一對(duì)雙生兄弟，其中一個(gè)跨上一宇宙飛船作長(zhǎng)程太空旅行，而另一個(gè)則留在地球。結(jié)果當(dāng)旅行者回到地球后，我們發(fā)現(xiàn)他比他留在地球的兄弟更年輕。一、相對(duì)論時(shí)空觀Einstein對(duì)相對(duì)論的解釋:

當(dāng)你和一個(gè)美麗的姑娘在一起坐一小時(shí),你感覺(jué)只坐了一分鐘,當(dāng)你坐在火爐旁一分鐘,就好象坐了一小時(shí),這就是相對(duì)論。AlbertEinstein世紀(jì)偉人設(shè)想人類可以利用飛船以0.2c的速度進(jìn)行星際航行，若飛船向正前方的某一星球發(fā)射一束激光，該星球上的觀察者測(cè)量到的激光速度是多少？

激光速度=1.2c???NO!NO!NO!!!

19世紀(jì)，英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋根據(jù)電磁場(chǎng)理論預(yù)言了電磁波的存在，并證明電磁波的傳播速度等于光速c。人們自然要問(wèn)：這個(gè)速度是相對(duì)哪個(gè)參考系而言的？

一些物理學(xué)家對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了研究。在實(shí)驗(yàn)研究中，1887年的邁克耳遜—莫雷實(shí)驗(yàn)以及其他一些實(shí)驗(yàn)表明：在不同的參考系中，光的傳播速度都是一樣的！這與牛頓力學(xué)中不同參考系之間的速度變換關(guān)系不符。

在牛頓力學(xué)理論與電磁波理論的矛盾與沖突面前，一些物理學(xué)家仍堅(jiān)持原有理論的基礎(chǔ)觀念，進(jìn)行一些修補(bǔ)的工作，而愛(ài)因斯坦、龐加萊等人則主張徹底放棄某些與實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)不符的觀念，如絕對(duì)時(shí)間的概念，提出能夠更好地解釋實(shí)驗(yàn)事實(shí)的假設(shè)。愛(ài)因斯坦假設(shè)：（1）在不同的慣性參考系中，物理規(guī)律的形式都是相同的；（2）真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的。

假設(shè)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(gè)閃光，閃光照到了車廂的前壁和后壁。1、同時(shí)的相對(duì)性問(wèn)題1：以火車為參考系，閃光是否同時(shí)到達(dá)前后壁？

問(wèn)題2：以地面為參考系，光剛從光源發(fā)出時(shí)，前壁和后壁離光源是否等距？經(jīng)過(guò)時(shí)間t后，前后壁離光發(fā)出時(shí)的位置還等距嗎？為什么？

問(wèn)題3：根據(jù)光速不變?cè)?，光到達(dá)前后壁還同時(shí)嗎？

問(wèn)題4：不同的觀察者觀察的光到達(dá)兩壁的時(shí)間不同時(shí)，你相信這是真的嗎？如果要否定它，首先要否定什么？

問(wèn)題5：時(shí)間間隔還是與物體運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)的存在嗎？

在愛(ài)因斯坦兩個(gè)假設(shè)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可以得到下述結(jié)果。如果相對(duì)于地面以v運(yùn)動(dòng)的慣性參考系上的人觀察到與其一起運(yùn)動(dòng)的物體完成某個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔為Δτ，地面上的人觀察到該物體在同一地點(diǎn)完成這個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔為Δt，那么兩者之間的關(guān)系是時(shí)間膨脹

問(wèn)題6：除了時(shí)間觀念，你認(rèn)為空間距離是否也會(huì)跟物體運(yùn)動(dòng)有關(guān)？愛(ài)因斯坦經(jīng)過(guò)兩個(gè)假設(shè)推導(dǎo)桿長(zhǎng)l的表達(dá)式是怎樣的？

如果與桿相對(duì)靜止的人測(cè)得桿長(zhǎng)是l0，沿著桿的方向，以v相對(duì)桿運(yùn)動(dòng)的人測(cè)得桿長(zhǎng)是l，那么兩者之間的關(guān)系是長(zhǎng)度收縮

問(wèn)題7：上述表達(dá)式有沒(méi)有得到實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證？

要驗(yàn)證（1）（2）兩式是否正確，首先要找到高速運(yùn)動(dòng)的物體?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)μ子以0.99c甚至更高的速度飛行。根據(jù)經(jīng)典理論可計(jì)算每秒到達(dá)地球的μ子數(shù)，這個(gè)數(shù)值小于實(shí)際觀察到的μ子數(shù)。觀察到的現(xiàn)象與經(jīng)典理論產(chǎn)生了矛盾。

相對(duì)于光速而言，低速運(yùn)動(dòng)即可近似認(rèn)為速度為0，即若選擇與μ子一起運(yùn)動(dòng)的某一物體為參考系，此時(shí)μ子的平均壽命是3.0μs。對(duì)于地面上的觀測(cè)者來(lái)說(shuō)，由（1）式計(jì)算可知μ子平均壽命約為21μs。由于平均壽命增大，飛行的距離也變大，因而在地面附近實(shí)際觀測(cè)到的μ子的數(shù)量就大于經(jīng)典理論作出的預(yù)言。--------μ子平均壽命變長(zhǎng)成了相對(duì)論時(shí)空觀的最早證據(jù)

相對(duì)論時(shí)空觀的第一次宏觀驗(yàn)證是在1971年進(jìn)行的。當(dāng)時(shí)在地面上將四只銫原子鐘調(diào)整同步，然后把它們分別放在兩架噴氣式飛機(jī)上做環(huán)球飛行，一架向東飛，另一架向西飛。兩架飛機(jī)各繞地球飛行一周后回到地面，與留在地面上的銫原子鐘進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與相對(duì)論的理論預(yù)言符合得很好。愛(ài)因斯坦相對(duì)質(zhì)量相對(duì)時(shí)間相對(duì)空間狹義相對(duì)論m0，t0，L0都為運(yùn)動(dòng)的慣性系中觀測(cè)的物理量光速同時(shí)時(shí)間與空間質(zhì)量經(jīng)典時(shí)空觀狹義相對(duì)論時(shí)空觀相對(duì)的絕對(duì)的（不變）絕對(duì)的與運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)，絕對(duì)的與運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)，不變的相對(duì)的與運(yùn)動(dòng)有關(guān)，相對(duì)的隨速度增大而增大經(jīng)典時(shí)空觀與相對(duì)論時(shí)空觀二、牛頓力學(xué)的成就與局限性1、牛頓力學(xué)的成就

想一下有哪些物理學(xué)家為近代科學(xué)的誕生作出了哪些突出的貢獻(xiàn)？重大成就時(shí)間阿基米德發(fā)現(xiàn)浮力定律公元前三世紀(jì)開(kāi)普勒發(fā)現(xiàn)行星運(yùn)動(dòng)定律1609，1619伽利略闡明了運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性原理1632發(fā)現(xiàn)了自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律、慣性原理1638帕斯卡發(fā)現(xiàn)帕斯卡原理1653馬德堡半球?qū)嶒?yàn)、驗(yàn)證大氣壓力1663發(fā)現(xiàn)胡克定律——彈簧彈力和形變的關(guān)系1678牛頓發(fā)表《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，闡明了運(yùn)動(dòng)定律和萬(wàn)有引力定律1687經(jīng)典力學(xué)的偉大成就⑴把天上、地下物體的運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)了人類對(duì)自然界認(rèn)識(shí)的第一次理論大綜合；⑵在宏觀、低速、弱引力的廣闊區(qū)域、包括天體運(yùn)動(dòng)的研究中經(jīng)受了實(shí)踐檢驗(yàn)，取得了巨大成就。⑶將“實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)”相結(jié)合的方法推廣到物理學(xué)的各個(gè)分支，形成了完整的經(jīng)典力學(xué)體系。

1）物體在接近光速運(yùn)動(dòng)時(shí)所遵從的規(guī)律，有些是與牛頓力學(xué)的結(jié)論不相同的。2）在微觀世界（尺度在0.1nm以下），由于物質(zhì)的存在和運(yùn)動(dòng)形式（波粒二象性）較宏觀世界有較大的不同，牛頓力學(xué)也不適用。2、牛頓力學(xué)的局限性

像一切科學(xué)一樣，牛頓力學(xué)沒(méi)有也不會(huì)窮盡一切真理，它也有自己的局限性。它像一部科學(xué)理論一樣，是一部“未完成的交響曲”除了高速運(yùn)動(dòng)，牛頓力學(xué)在其他方面是否也有局限性？相對(duì)論和量子力學(xué)是不是否定了牛頓力學(xué)？說(shuō)說(shuō)你的看法答案不是。當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速時(shí)，相對(duì)論與牛頓力學(xué)的結(jié)論沒(méi)有區(qū)別；當(dāng)普朗克常量可以忽略不計(jì)時(shí)，量子力學(xué)和牛頓力學(xué)的結(jié)論沒(méi)有區(qū)別。牛頓力學(xué)沒(méi)有被否定，而是作為某些條件下的特殊情形，被包括在新的科學(xué)成就之中。經(jīng)典力學(xué)狹義相對(duì)論廣義相對(duì)論量子力學(xué)互為補(bǔ)充，互不矛盾，互不否定共同支撐起物理學(xué)科的骨架。宏觀低速高速微觀世界強(qiáng)引力

相對(duì)論和量子力學(xué)是哪一種更廣泛的理論的特殊情形呢？我們現(xiàn)在還不知道……”

(1)同時(shí)是相對(duì)的(3)動(dòng)尺變短(4)運(yùn)動(dòng)的物體質(zhì)量變大(1)不同慣性參考系,物理規(guī)律相同1、兩條基本假設(shè)(2)任何慣性系,光速不變2、狹義相對(duì)論結(jié)論(2)動(dòng)鐘變慢

時(shí)間、長(zhǎng)度和質(zhì)量這三者都與參考系的運(yùn)動(dòng)有關(guān)。小結(jié)(1)相對(duì)論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，說(shuō)明經(jīng)典力學(xué)已失去意義。(

)(2)原子中電子的運(yùn)動(dòng)能用經(jīng)典力學(xué)進(jìn)行解釋。(

)(3)空氣中灰塵的運(yùn)動(dòng)能用經(jīng)典力學(xué)進(jìn)行解釋。(

)(4)牛頓力學(xué)只適用于世界上普通的物體，研究天體的運(yùn)動(dòng)牛頓力學(xué)就無(wú)能為力了。(

)(5)洲際導(dǎo)彈的速度可達(dá)到6000m/s，在這種高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，牛頓力學(xué)不適用。(

)(6)對(duì)于質(zhì)子、電子的運(yùn)動(dòng)情況，牛頓力學(xué)同樣適用。(

)××√×××(2022·上海市第十中學(xué)高一期末)設(shè)某人在速度為0.5c的飛船上打開(kāi)一個(gè)光源，(c為真空中傳播的光速)則下列說(shuō)法正確的是A.飛船正前方地面上的觀察者看到這一光速為1.5cB.飛船正后方地面上的觀察者看到這一光速為0.5cC.在垂直飛船前進(jìn)方向地面上的觀察者看到這一光速是D.在地面上任何地方的觀察者看到的光速都是c例1√根據(jù)愛(ài)因斯坦的光速不變?cè)砜芍垂庠谡婵罩醒厝魏畏较騻鞑ニ俣榷际莄，則觀察者在地面上任何地方和在飛船中觀測(cè)光的速度均為c，故選D。

飛船以0.9c的速度做勻速直線運(yùn)動(dòng)(c為光在真空中的傳播速度)，并向運(yùn)動(dòng)的反方向發(fā)出電磁波，甲在飛船內(nèi)，乙在地球上，以下說(shuō)法符合實(shí)際的是A.甲、乙觀察到飛船內(nèi)時(shí)鐘快慢一樣B.發(fā)出的電磁波相對(duì)于飛船的速度為1.9cC.乙觀察到飛船內(nèi)桌子的長(zhǎng)度比靜止時(shí)短D.乙觀察到與飛船保持相對(duì)靜止的桌子做勻加速直線運(yùn)動(dòng)