高一物理61高速世界3魯科版必修課件

1、2021-10-10高一物理61高速世界3魯科版必修第1節(jié)：高速世界2021-10-10高一物理61高速世界3魯科版必修前面幾章介紹了經(jīng)典力學(xué)（牛頓力學(xué)）最基本的內(nèi)容。前面幾章介紹了經(jīng)典力學(xué)（牛頓力學(xué)）最基本的內(nèi)容。牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)就是以牛頓命名的那三條定律，牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)就是以牛頓命名的那三條定律，這一理論形成于十七世紀(jì)，在以后的兩個多世紀(jì)里，這一理論形成于十七世紀(jì)，在以后的兩個多世紀(jì)里，牛頓力學(xué)對科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展起了巨大的推動作用，牛頓力學(xué)對科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展起了巨大的推動作用，同時自身也得到了很大發(fā)展。同時自身也得到了很大發(fā)展。但是，進入二十世紀(jì)，但是，進入二十世紀(jì)，物理學(xué)研究的領(lǐng)域開始深入

2、到了微觀高速領(lǐng)域，物理學(xué)研究的領(lǐng)域開始深入到了微觀高速領(lǐng)域，微觀微觀高速高速如原子、電子粒子，如原子、電子粒子，光、電磁波及粒子衰變，速度光、電磁波及粒子衰變，速度為光速或接近光速為光速或接近光速m1010 sm/8103 空間尺度空間尺度2021-10-10高一物理61高速世界3魯科版必修這時人們發(fā)現(xiàn)牛頓力學(xué)在這些領(lǐng)域不再適用這時人們發(fā)現(xiàn)牛頓力學(xué)在這些領(lǐng)域不再適用物理學(xué)的發(fā)展要求對牛頓力學(xué)以及某些長期物理學(xué)的發(fā)展要求對牛頓力學(xué)以及某些長期認(rèn)為是不言自明的基本觀念作出根本性的變革，認(rèn)為是不言自明的基本觀念作出根本性的變革， 物理學(xué)需要一場革命！物理學(xué)需要一場革命！二十世紀(jì)初誕生的二十世紀(jì)初誕生

3、的相對論相對論和和量子力學(xué)量子力學(xué)就是這場就是這場從從經(jīng)典物理經(jīng)典物理向向近代物理近代物理變革的標(biāo)志變革的標(biāo)志本節(jié)介紹本節(jié)介紹相對論相對論的基礎(chǔ)知識的基礎(chǔ)知識2021-10-10高一物理61高速世界3魯科版必修. 伽利略相對性原理伽利略相對性原理對于第一個問題，牛頓力學(xué)的回答是干脆的：對于第一個問題，牛頓力學(xué)的回答是干脆的：第一個問題第一個問題對于不同的參照系，對于不同的參照系，基本力學(xué)定律的形式是完全一樣嗎？基本力學(xué)定律的形式是完全一樣嗎？對于任何慣性參照系，牛頓定律都成立，對于任何慣性參照系，牛頓定律都成立，這也就是說，對于不同的慣性參照系，這也就是說，對于不同的慣性參照系，力學(xué)的基本定律

4、力學(xué)的基本定律牛頓定律的形式是一樣的。牛頓定律的形式是一樣的。這一結(jié)論稱作這一結(jié)論稱作伽利略相對性原理伽利略相對性原理或或力學(xué)相對性原理力學(xué)相對性原理一、一、 經(jīng)典力學(xué)時空觀經(jīng)典力學(xué)時空觀2021-10-10高一物理61高速世界3魯科版必修甲甲 maF 乙乙maF慣性參照系慣性參照系牛頓定律適用的參照系牛頓定律適用的參照系相對慣性系作勻速直線運動的參照系相對慣性系作勻速直線運動的參照系例例甲甲乙乙vv站臺站臺2021-10-10高一物理61高速世界3魯科版必修選擇的參考系不同，對運動的描述就不同：選擇的參考系不同，對運動的描述就不同：例如：讓兩小球從同一高度同時自由下落。例如：讓兩小球從同一高

5、度同時自由下落。符合牛頓運動定律符合牛頓運動定律不符合牛頓運動定律不符合牛頓運動定律慣性系慣性系非非慣性系慣性系2021-10-10高一物理61高速世界3魯科版必修第二個問題第二個問題相對于不同的參照系長度和時間的相對于不同的參照系長度和時間的測量是一樣的嗎？測量是一樣的嗎？對于空間和時間測量的問題，對于空間和時間測量的問題，牛頓力學(xué)是用絕對空間和絕對時間的概念來回答。牛頓力學(xué)是用絕對空間和絕對時間的概念來回答。. 絕對時空觀絕對時空觀所謂絕對空間是指長度的量度與參照系無關(guān)；所謂絕對空間是指長度的量度與參照系無關(guān)；絕對時間是指時間的量度與參照系無關(guān)絕對時間是指時間的量度與參照系無關(guān)這就是說，兩

6、點之間的距離，這就是說，兩點之間的距離，無論在那個慣性系中測量都是一樣的；無論在那個慣性系中測量都是一樣的；同樣，前后發(fā)生的兩個事件之間的時間，同樣，前后發(fā)生的兩個事件之間的時間，無論在那個慣性系中測量都是一樣的無論在那個慣性系中測量都是一樣的2021-10-10高一物理61高速世界3魯科版必修如果如果甲甲測的小球測的小球下落時間為下落時間為如果如果乙乙測的小球測的小球下落時間為下落時間為tt tt 例例甲甲乙乙vu站臺站臺2021-10-10高一物理61高速世界3魯科版必修牛頓本人曾說：牛頓本人曾說：“絕對空間，就其本性而言絕對空間，就其本性而言與外界任何事物無關(guān)，而永遠是相同的和不動的與外

7、界任何事物無關(guān)，而永遠是相同的和不動的”，“絕對的、真正的和數(shù)學(xué)上的時間自己流逝著，絕對的、真正的和數(shù)學(xué)上的時間自己流逝著，并由于它的本性而均勻地與任何外界對象無關(guān)地流逝著。并由于它的本性而均勻地與任何外界對象無關(guān)地流逝著。”按照這種觀點：時間和空間是彼此獨立，按照這種觀點：時間和空間是彼此獨立，互不相關(guān)并且獨立于物質(zhì)和運動之外的，互不相關(guān)并且獨立于物質(zhì)和運動之外的，不受物質(zhì)和運動的影響。不受物質(zhì)和運動的影響。 絕對時空觀絕對時空觀2021-10-10高一物理61高速世界3魯科版必修根據(jù)絕對時空觀，得出幾個結(jié)論p 同時絕對性p 時間間隔的絕對性p 空間距離的絕對性p 質(zhì)量恒定不變2021-10

8、-10高一物理61高速世界3魯科版必修牛頓的牛頓的伽利略相對性原理伽利略相對性原理和和絕對時空觀絕對時空觀是作為兩個基本假設(shè)提出來的，是作為兩個基本假設(shè)提出來的，它之所以為人們接受承認(rèn)它之所以為人們接受承認(rèn)一方面是牛頓力學(xué)在解決力學(xué)問題獲得的巨大功；一方面是牛頓力學(xué)在解決力學(xué)問題獲得的巨大功；另一方面觀察結(jié)果與人們的經(jīng)驗相符。另一方面觀察結(jié)果與人們的經(jīng)驗相符。但是十九世紀(jì)中葉，但是十九世紀(jì)中葉，人們在研究與物體運動有關(guān)的電磁現(xiàn)象時，人們在研究與物體運動有關(guān)的電磁現(xiàn)象時，發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)在電磁現(xiàn)象的規(guī)律不符合在電磁現(xiàn)象的規(guī)律不符合相對性原理相對性原理其中最典型的就是其中最典型的就是光速的問題光速的問題2

9、021-10-10高一物理61高速世界3魯科版必修這一結(jié)論還特別為后來的很多精確的實驗所證實，這一結(jié)論還特別為后來的很多精確的實驗所證實，最著名的是最著名的是18871887年邁克爾遜和莫雷年邁克爾遜和莫雷所做的實驗。所做的實驗。它們都明確無誤地證明光速的測量結(jié)果與光源和它們都明確無誤地證明光速的測量結(jié)果與光源和測量者的相對運動無關(guān)，亦即與參照系無關(guān)。測量者的相對運動無關(guān)，亦即與參照系無關(guān)?？梢姽夂碗姶挪ǖ倪\動不服從伽利略相對原理可見光和電磁波的運動不服從伽利略相對原理. .任何參照系中測得的光在真空的任何參照系中測得的光在真空的速率都應(yīng)該是這一數(shù)值速率都應(yīng)該是這一數(shù)值1810992 mSc.

10、2021-10-10高一物理61高速世界3魯科版必修伽利略相對原理和電磁規(guī)律的矛盾伽利略相對原理和電磁規(guī)律的矛盾促使人們思考下述問題：促使人們思考下述問題：絕對時空觀的觀念是不是需要絕對時空觀的觀念是不是需要修正？修正？困惑困惑 ？這個時候整個物理學(xué)界陷入這個時候整個物理學(xué)界陷入2021-10-10高一物理61高速世界3魯科版必修愛因斯坦愛因斯坦: Einstein: Einstein現(xiàn)代時空的創(chuàng)始人現(xiàn)代時空的創(chuàng)始人2020世紀(jì)最偉大的科學(xué)家世紀(jì)最偉大的科學(xué)家 愛因斯坦愛因斯坦對這個問題進行對這個問題進行了深入研究，了深入研究，并在并在19051905年發(fā)表了論文年發(fā)表了論文論動體的電動力學(xué)論

11、動體的電動力學(xué)在這篇論文里對上述問題在這篇論文里對上述問題作出了對整個物理學(xué)界乃作出了對整個物理學(xué)界乃至整個科學(xué)界都有變革意至整個科學(xué)界都有變革意義的回答義的回答2021-10-10高一物理61高速世界3魯科版必修 2021-10-10高一物理61高速世界3魯科版必修在這篇論文中，愛因斯坦提出了在這篇論文中，愛因斯坦提出了兩個假設(shè)兩個假設(shè)并在這兩個假設(shè)的基礎(chǔ)上構(gòu)筑了并在這兩個假設(shè)的基礎(chǔ)上構(gòu)筑了狹義相對論力學(xué)狹義相對論力學(xué)二、狹義相對論時空觀二、狹義相對論時空觀 . . 愛因斯坦假設(shè)愛因斯坦假設(shè) 愛因斯坦相對性原理愛因斯坦相對性原理物理學(xué)定律在所有的慣性系中都是一樣的，物理學(xué)定律在所有的慣性系中

12、都是一樣的，也就是說，物理學(xué)定律與慣性系的選擇無關(guān)也就是說，物理學(xué)定律與慣性系的選擇無關(guān)愛因斯坦相對性原理愛因斯坦相對性原理和牛頓相對性原理比較，和牛頓相對性原理比較，前者是后者的推廣前者是后者的推廣2021-10-10高一物理61高速世界3魯科版必修這就使得相對性原理不僅適用于力學(xué)現(xiàn)象，這就使得相對性原理不僅適用于力學(xué)現(xiàn)象，而且適用于所有物理現(xiàn)象，包括電磁現(xiàn)象在內(nèi)。而且適用于所有物理現(xiàn)象，包括電磁現(xiàn)象在內(nèi)。 光速不變原理光速不變原理在任何慣性系中，在任何慣性系中，自由空間（真空）中的光速具有相同的量值自由空間（真空）中的光速具有相同的量值也就是說，不管光源與觀察者的相對運動如何，也就是說，不

13、管光源與觀察者的相對運動如何，在任一慣性系中的觀察者所觀測到的真空中的在任一慣性系中的觀察者所觀測到的真空中的光速都是相等的，光速都是相等的，就是在看來如此簡單且最一般的兩個假設(shè)的基礎(chǔ)上就是在看來如此簡單且最一般的兩個假設(shè)的基礎(chǔ)上愛因斯坦建立了一套完整的理論愛因斯坦建立了一套完整的理論狹義相對論狹義相對論2021-10-10高一物理61高速世界3魯科版必修 愛因斯坦相對性原理愛因斯坦相對性原理物理學(xué)定律在所有的慣物理學(xué)定律在所有的慣性系中都是一樣的，也性系中都是一樣的，也就是說，物理學(xué)定律與就是說，物理學(xué)定律與慣性系的選擇無關(guān)慣性系的選擇無關(guān)光速不變原理光速不變原理在任何慣性系中，自由在任何慣

14、性系中，自由空間（真空）中的光速空間（真空）中的光速具有相同的量值具有相同的量值 EinsteinEinstein 的相對性理論的相對性理論 是是 NewtonNewton理論的發(fā)展理論的發(fā)展討論討論一切物一切物理規(guī)律理規(guī)律力學(xué)力學(xué)規(guī)律規(guī)律2021-10-10高一物理61高速世界3魯科版必修 觀念上的變革觀念上的變革革命性革命性( (相對性相對性) )光速光速同時同時時間與空間時間與空間質(zhì)量質(zhì)量經(jīng)典時空觀經(jīng)典時空觀狹義相對論時空觀狹義相對論時空觀相對的相對的絕對的（不變）絕對的（不變）絕對的絕對的與運動無關(guān)，絕對的與運動無關(guān)，絕對的與運動無關(guān)，不變的與運動無關(guān)，不變的相對的相對的與運動有關(guān)，相

15、對的與運動有關(guān)，相對的隨速度增加而增大隨速度增加而增大2021-10-10高一物理61高速世界3魯科版必修 、 狹義相對論時空觀狹義相對論時空觀設(shè)想一列火車以速度設(shè)想一列火車以速度v v勻速向右運動，火車中央勻速向右運動，火車中央有一信號燈，在經(jīng)過地面有一信號燈，在經(jīng)過地面O O點時發(fā)出一光信號點時發(fā)出一光信號. .2021-10-10高一物理61高速世界3魯科版必修2021-10-10高一物理61高速世界3魯科版必修2021-10-10高一物理61高速世界3魯科版必修 1 1) 沿兩慣性系相對運動方向發(fā)生的兩個事件，在沿兩慣性系相對運動方向發(fā)生的兩個事件，在其中一個慣性系中表現(xiàn)同時，在另一慣

16、性系中觀察其中一個慣性系中表現(xiàn)同時，在另一慣性系中觀察總是在前一慣性系運動的后方那一事件先發(fā)生?？偸窃谇耙粦T性系運動的后方那一事件先發(fā)生。 2 2) 對不同參考系，同樣兩事件之間的時間間隔是不同的。對不同參考系，同樣兩事件之間的時間間隔是不同的。 結(jié)論結(jié)論即：時間量度是相對的，并且與相對運動速度有關(guān)。即：時間量度是相對的，并且與相對運動速度有關(guān)。 S S 相對相對S S 系的速度越大，在系的速度越大，在S S系測兩事件的時間間隔就系測兩事件的時間間隔就越長。越長。2021-10-10高一物理61高速世界3魯科版必修時間延緩（動鐘變慢） 愛因斯坦曾經(jīng)言，愛因斯坦曾經(jīng)言，兩個校準(zhǔn)好的鐘，當(dāng)一個兩個

17、校準(zhǔn)好的鐘，當(dāng)一個沿閉合路線運動返回原地沿閉合路線運動返回原地時，它記錄的時間比原地時，它記錄的時間比原地不動的鐘會慢一些。這已不動的鐘會慢一些。這已被高精度的銫原子鐘超音被高精度的銫原子鐘超音速環(huán)球飛行實驗所證實。速環(huán)球飛行實驗所證實。相對論預(yù)言 慢 ( 184 23 ) 10 - 9 s實 測慢 ( 203 10 ) 10 - 9 s221cutt DD2021-10-10高一物理61高速世界3魯科版必修雙生子佯謬是一對雙生子。 乘高速飛船到太空 和遨游一段 比自己老了，根據(jù)運動的相對性 ， 和運動的時鐘變慢了，但運動是相對的，都認(rèn)為對方的鐘在運動，這將會導(dǎo)致雙方都認(rèn)為對方的鐘變慢了的矛盾

18、結(jié)論。這就是時鐘佯謬。若時間后返回地球 ， 發(fā)現(xiàn)對方 將會得出也發(fā)現(xiàn) 對方比自己老了的矛盾結(jié)論。稱為雙生子佯謬。 實際上這種謬誤是不會發(fā)生的，由于兩個時鐘或兩個雙生子的運動狀態(tài)并不對稱（ 例如， 飛離、返回要經(jīng)歷加、減速運動過程），其結(jié)果一定是 的時鐘變慢了， 雙生子 一定比 年輕。附：2021-10-10高一物理61高速世界3魯科版必修S SO O X X YYA B O O S SX XY Y u1xl 特別注意：特別注意：長度縮短效應(yīng)長度縮短效應(yīng)只發(fā)生在相對運動的方向上只發(fā)生在相對運動的方向上如上例中的如上例中的 X X 軸方向上，軸方向上，在在Y Y 軸方向上無軸方向上無長度縮短效應(yīng)長度縮短效應(yīng)動尺變短（空間收縮效應(yīng)）斐克小伙劍術(shù)精，斐克小伙劍術(shù)精，出刺迅捷如流星，出刺迅捷如流星，由