【物理】相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性課件 2024-2025學(xué)年高一下學(xué)期物理人教版（2019）必修第二冊(cè)

第七章萬(wàn)有引力與宇宙航行第5節(jié)相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性根據(jù)愛(ài)因斯坦自己的回憶，他從16歲起就開(kāi)始思考這樣一個(gè)問(wèn)題：“如果我以光速追光波，將會(huì)看到什么?”這個(gè)問(wèn)題困擾他10年之久。為什么這個(gè)問(wèn)題難以解決呢？這是因?yàn)椋喝绻J(rèn)為觀察者看到的是一個(gè)靜止不前的電磁振蕩，與直覺(jué)經(jīng)驗(yàn)不符；而如果認(rèn)為看到的是一個(gè)以一定速度行進(jìn)的光，則違反了速度合成法則。

你的看法如何？

1、理解狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)；2、知道時(shí)間延緩效應(yīng)和長(zhǎng)度縮短效應(yīng)；3、認(rèn)識(shí)經(jīng)典力學(xué)的局限性和適用范圍。牛頓力學(xué)與電場(chǎng)理論的沖突十九世紀(jì)，英國(guó)科學(xué)家麥克斯韋，提出了電磁場(chǎng)理論，預(yù)言了電磁波的存在，并從理論上證明了，電磁波傳播的速度等于光速。人們不禁要問(wèn)：這個(gè)速度是相對(duì)哪個(gè)參考系而言的呢？麥克斯韋（1831—1879）一、相對(duì)論時(shí)空觀邁克耳孫——莫雷實(shí)驗(yàn)1887年，美國(guó)科學(xué)家邁克耳孫和莫雷通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了，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，不同的參考系之間的速度變換關(guān)系（伽利略變換）不符！在實(shí)驗(yàn)事實(shí)的面前，許多物理學(xué)家仍然立足在牛頓力學(xué)時(shí)空觀的基礎(chǔ)上，想通過(guò)一些理論上的修補(bǔ)工作，解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。阿爾伯特·邁克爾遜（1852—1931）以愛(ài)因斯坦和龐加萊為代表的另一批物理學(xué)家，堅(jiān)決主張徹底放棄某些與實(shí)驗(yàn)事實(shí)不相符的觀念，如絕對(duì)時(shí)間的觀念。儒勒·龐加萊（法）（1854-1912）阿爾伯特·愛(ài)因斯坦(1879-1955)相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)1.相對(duì)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。2.光速不變?cè)恚赫婵罩械墓馑僭诓煌膽T性參考系中，大小都是相同的。阿爾伯特·愛(ài)因斯坦（1879—1955）同時(shí)的相對(duì)性車上的觀察者:閃光同時(shí)到達(dá)車廂的前后兩壁（圖甲）地面上的觀察者:閃光先到達(dá)車廂后壁，后到達(dá)前壁（圖乙）時(shí)間延緩效應(yīng)由此可見(jiàn)，時(shí)間不再是絕對(duì)的，而是相對(duì)的，這種情況被稱為時(shí)間延緩效應(yīng)。如果相對(duì)地面以v運(yùn)動(dòng)的某慣性參考系上的人，觀察與其一起運(yùn)動(dòng)的物體完成某個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔為t0，地面上的人觀察該物體在同一地點(diǎn)完成這個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔為t，兩者之間的關(guān)系為：長(zhǎng)度收縮效應(yīng)如果有一根桿，與桿相對(duì)靜止的人測(cè)得桿長(zhǎng)是l0，沿著桿的方向，以速度v相對(duì)桿運(yùn)動(dòng)的人測(cè)得桿長(zhǎng)是l，那么l0與l兩者之間的關(guān)系是：由此可見(jiàn)，空間距離也不再是絕對(duì)的，而是相對(duì)的，這種情況被稱為長(zhǎng)度收縮效應(yīng)。相對(duì)論的時(shí)空觀由上面兩個(gè)式子可以知道，運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度（空間距離）和物理過(guò)程的快慢（時(shí)間進(jìn)程）都跟物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。這個(gè)結(jié)論具有革命性的意義，它反映的時(shí)空觀稱作相對(duì)論時(shí)空觀。相對(duì)論時(shí)空觀的第一次驗(yàn)證將銫原子鐘放在飛機(jī)上，沿赤道向東和向西繞地球一周，回到原處后，分別比靜止在地面上的鐘慢59納秒和快273納秒。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)言符合的很好。這是相對(duì)論的第一次宏觀驗(yàn)證。1971年銫原子鐘實(shí)驗(yàn)1、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t0，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t，那么兩者之間的關(guān)系是：2、根據(jù)關(guān)系式，總有t>t0，此種情況稱為時(shí)間延緩效應(yīng)。一、相對(duì)論時(shí)空觀3、長(zhǎng)度收縮效應(yīng)經(jīng)典力學(xué)的偉大成就

1.把天體運(yùn)動(dòng)與地面上物體的運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一起來(lái)．

2.經(jīng)典力學(xué)和以經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的天體力學(xué)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)等．

3.力學(xué)和熱力學(xué)的發(fā)展及其與生產(chǎn)的結(jié)合引發(fā)了第一次工業(yè)革命．

4.由牛頓運(yùn)動(dòng)定律導(dǎo)出的動(dòng)量守恒定律、機(jī)械能守恒定律等是航空航天技術(shù)的理論基礎(chǔ)．二、牛頓力學(xué)的成就與局限性經(jīng)典力學(xué)的局限性1．經(jīng)典力學(xué)是從日常機(jī)械運(yùn)動(dòng)中總結(jié)出來(lái)的，超出這個(gè)范圍，經(jīng)典力學(xué)常常就不適用了．2．絕對(duì)時(shí)空觀：牛頓認(rèn)為，時(shí)間、空間與物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)完全無(wú)關(guān)，時(shí)間與空間也完全無(wú)關(guān)．經(jīng)典力學(xué)有它的適用范圍1.只適用于低速運(yùn)動(dòng)，不適用于高速運(yùn)動(dòng)；2.只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界；3.只適用于弱引力情況，不適用于強(qiáng)引力情況．廣義相對(duì)論廣義相對(duì)論（GeneralRelativity）描寫物質(zhì)間引力相互作用的理論。其基礎(chǔ)由A.愛(ài)因斯坦于1915年完成，1916年正式發(fā)表。這一理論首次把引力場(chǎng)解釋成時(shí)空的彎曲。廣義相對(duì)論是一種關(guān)于萬(wàn)有引力本質(zhì)的理論。愛(ài)因斯坦曾經(jīng)一度試圖把萬(wàn)有引力定律納入相對(duì)論的框架，幾經(jīng)失敗后，他終于認(rèn)識(shí)到，狹義相對(duì)論容納不了萬(wàn)有引力定律。于是，他將狹義相對(duì)性原理推廣到廣義相對(duì)性，又利用在局部慣性系中萬(wàn)有引力與慣性力等效的原理，建立了用彎曲時(shí)空的黎曼幾何描述引力的廣義相對(duì)論理論。1.下列說(shuō)法正確的是（）A.由于相對(duì)論、量子論的提出，經(jīng)典力學(xué)己經(jīng)失去了它的意義B.經(jīng)典力學(xué)在今天廣泛應(yīng)用，它的正確性無(wú)可懷疑，仍可普遍適用C.在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而改變D.狹義相對(duì)論認(rèn)為，長(zhǎng)度、時(shí)間的測(cè)量結(jié)果都與物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)D2.下列說(shuō)法中正確的是(

)A.伽利略相對(duì)性原理能簡(jiǎn)單而自然的解釋電磁學(xué)的問(wèn)題B.在真空中，若物體以速度v背離光源運(yùn)動(dòng)，則光相對(duì)于物體的速度為c－vC.在真空中，若光源向著觀察者以速度v運(yùn)動(dòng)，則光相對(duì)于觀察者的速度為c＋vD.邁克耳遜—莫雷實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果是：不論光源與觀察者做怎樣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，光速都是一樣的D3.如圖所示，強(qiáng)強(qiáng)乘坐速度為0.9c(c為光速)的宇宙飛船追趕正前方的壯壯，壯壯的飛行速度為0.5c，強(qiáng)強(qiáng)向壯壯發(fā)出一束光進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，則壯壯觀測(cè)到該光束的傳播速度為()

A.0.4c

B.0.5c

C.0.9c

D.cD4.下列說(shuō)法正確的是（）A．在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而改變，在狹義相對(duì)論中，物體的質(zhì)量也不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而改變B．在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量隨運(yùn)動(dòng)速度的增加而減小，在狹義相對(duì)論中，物體的質(zhì)量隨物體速度