7-5 相對論時空觀與牛頓力學的局限性（教學課件）（人教版2019必修第二冊）

相對論時空觀與牛頓力學的局限性010203目錄相對論時空觀牛頓力學成就局限絕對時空觀04總結提升問題與思考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，該星球上的觀察者測量到的激光的速度是多少？第一部分：絕對時空觀絕對時空觀生活經(jīng)驗讓我們體會到，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。也就是說，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。如果說我看得遠，那是因為我站在巨人們的肩上。問題與思考

我們知道，如果河水中的河水以相對河岸的速度v水岸流動，河中的船以相對于水的速度v船水順流而下，則船相對于岸邊的速度為

因此，前面問題的答案似乎應為1.2c。然而，事實并非如此。

真空中的光速是宇宙中最快的速度。這里怎么出現(xiàn)了1.2倍的光速呢？顯然，在哪里出現(xiàn)了問題！v船岸=v船水+v水岸V水=5m/sV船=5m/s第二部分：相對論時空觀一、牛頓力學與電磁理論的沖突十九世紀，英國科學家麥克斯韋，提出了電磁場理論，預言了電磁波的存在，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：這個速度是相對哪個參考系而言的呢？麥克斯韋（1831—1879）二、邁克爾遜莫雷實驗1887年，美國科學家邁克爾遜和莫雷通過實驗證明了，在不同的參考系中，光的傳播速度都是一樣的！這與牛頓力學中，不同的參考系之間的速度變換關系（伽利略變換）不符！

在實驗事實的面前，許多物理學家仍然立足在牛頓力學時空觀的基礎上，想通過一些理論上的修補工作，解釋實驗現(xiàn)象。阿爾伯特·邁克爾遜（1852—1931）但都沒有成功！三、新思想代表人物

以愛因斯坦和龐加萊為代表的另一批物理學家，堅決主張徹底放棄某些與實驗事實不相符的觀念，如絕對時間的觀念，在實驗事實的基礎上，大膽提出，能夠更好地解釋實驗現(xiàn)象的假設。儒勒·龐加萊（法）（1854-1912）四、相對論的兩個基本假設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。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。阿爾伯特·愛因斯坦（1879—1955）這兩個假設看起來平淡無奇，但如果接受了這兩個假設的觀點，并用它來分析問題，可能會在我們的頭腦中引起一場軒然大波！五、世人的疑惑自然和自然的法則在黑暗中隱藏；上帝說，讓牛頓去吧！于是一切都被照亮。魔鬼說，讓愛因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。

相對論的時空觀念與人們固有的時空觀念差別很大，很難被普通人所理解。人們都稱贊愛因斯坦偉大，但又常常弄不懂這偉大的內(nèi)容。這使人們想起英國詩人波譜的詩句:六、愛因斯坦的解讀“當你和一個美麗的姑娘在一起坐一小時，你感覺只坐了一分鐘，當你坐在火爐旁一分鐘，就好象坐了一小時，這就是相對論?！逼?、同時的相對性車上的觀察者:閃光同時到達車廂的前后兩壁（圖甲）地面上的觀察者:閃光先到達車廂后壁，后到達前壁（圖乙）同時性是相對的八、時間延緩效應由此可見，時間不再是絕對的，而是相對的，這種情況被稱為時間延緩效應。

如果相對地面以v運動的某慣性參考系上的人，觀察與其一起運動的物體完成某個動作的時間間隔為t0，地面上的人觀察該物體在同一地點完成這個動作的時間間隔為t，兩者之間的關系為：九、長度收縮效應

如果有一根桿，與桿相對靜止的人測得桿長是l0，沿著桿的方向，以速度v相對桿運動的人測得桿長是l，那么l0與l兩者之間的關系是：由此可見，空間距離也不再是絕對的，而是相對的，這種情況被稱為長度收縮效應。十、相對論的時空觀

由上面兩個式子可以知道，運動物體的長度（空間距離）和物理過程的快慢（時間進程）都跟物體運動狀態(tài)有關。這個結論具有革命性的意義，它反映的時空觀稱作相對論時空觀。十一、例題探究【問題】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t2十二、問題拓展【探究】事實上，到達地面的μ子，大多產(chǎn)生于距地面8km的高空，科學家們根據(jù)經(jīng)典理論，可以計算出每秒到達地面的μ子個數(shù)。但這個理論數(shù)值小于實際觀察到μ子個數(shù)。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(nèi)，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(shù)多于用牛頓經(jīng)典理論計算的數(shù)值。十三、相對論時空觀的第一次驗證將銫原子鐘放在飛機上，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。實驗結果與理論預言符合的很好。這是相對論的第一次宏觀驗證。1971年銫原子鐘實驗視頻學習資料第三部分：牛頓力學的成就與局限性一、經(jīng)典力學的建立過程伽利略、第谷哥白尼、亞里士多德笛卡爾、胡克、哈雷等經(jīng)典力學金字塔的建立開普勒牛頓經(jīng)典力學的發(fā)展過程楊振寧曾贊頌到：“如果一定要舉出某個人、某一天作為近代科學誕生的標志，我選牛頓《自然哲學的數(shù)學原理》在1687年出版的那一天?！倍?、牛頓力學的成就

牛頓力學的誕生開創(chuàng)了人類科技文明的新紀元，為工業(yè)革命和現(xiàn)代生活奠定了基礎。從地面上物體的運動到天體運動，從攔河筑壩、修建橋梁到設計各種機械，從普通的交通工具到發(fā)射人造衛(wèi)星和宇宙飛船.....

所有這些都符合牛頓力學的規(guī)律。牛頓力學在如此廣泛的領域里與事實相符合，顯示出牛頓力學的正確性和無限魅力。1.實現(xiàn)了人類對自然界認識的第一次理論大綜合。2.確定了自然科學應有的基本特征。3.將“實驗和數(shù)學”相結合的方法推廣到物理學的各個分支，形成了完整的經(jīng)典力學體系。19世紀末-20世紀初，深入到微觀領域，發(fā)現(xiàn)電子、質子、中子等微觀粒子不僅具有粒子性，同時還具有波動性，很多情況下經(jīng)典力學說明不了。和所有的真理一樣，牛頓力學也具有局限性。二、牛頓力學的成就在微觀世界中（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。1.只適用于低速運動，不適用于高速運動；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，不適用于強引力情況。三、牛頓力學的局限性第四部分：總結提升課堂小結AB牛頓力學相對論時間延緩效應長度收縮效應只適用于低速運動，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，不適用于強引力。牛頓力學在宏觀、低速、弱引力的廣闊領域取得了巨大的成功課堂練習【練習1】關于牛頓力學和狹義相對論，下列說法正確的是（）A．牛頓力學適用于宏觀世界弱引力場中的低速運動B．牛頓力學適用于分析高速運動的μ子的壽命C．在狹義相對論中，真空中光速是可變的D．在狹義相對論中，物體的能量與質量無關【參考答案】A課堂練習【練習2】某星際飛船正在遙遠的外太空飛行，假如它的速度可以達到0.7c，在地球上觀測到其經(jīng)過8.76×104h的時間到達某星球，則在飛船上的人看來，其到達此星球需要的時間是（）A．8.76×104h

B．6.26×104hC．12.27×104h

D．16.52×104h【參考答案】B課堂練習【練習3】1905年到1915年，愛因斯坦先后發(fā)表的狹義相對論和廣義相對論在20世紀改變了理論物理學和天文學，取代了主要由牛頓創(chuàng)立的有200年歷史的力學理論。狹義相對論適用于基本粒子及其相互作用，描述了除引力以外的所有物理現(xiàn)象。廣義相對論解釋了引力定律及其與其他自然力的關系，適用于宇宙學和天體物理學領域，包括天文學。下列有關相對論的內(nèi)容，說法正確的是（）A．狹義相對論的兩條基本假設是不確定關系與光速不變原理B．飛船以0.2c的速度航行，若飛船向正前方的某一星球發(fā)射激光，則該星球上的觀察者測量到的激光速度為1.2cC．由于相對論的提出，牛頓力學已經(jīng)失去了它的應用價值D．已知μ子低速運動時的平均壽命是3.0μs。當它以0.99c的速度飛行，若以地面為參考系，此時μ子的平均壽命變長【參考答案】D課堂練習【練習4】如圖所示，位于教室中央的光源發(fā)出一個閃光，閃光照到了教室的前壁和后壁。教室的長度為10m。在平行于教室高速運動的太空飛船上的觀察者（）A．測得照到前壁的光速度小于c B．觀測到飛船上的時間進程比教室快C．測得教室的長度大