7-5 相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性（教學(xué)課件）（人教版2019必修第二冊(cè)）

相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性010203目錄相對(duì)論時(shí)空觀牛頓力學(xué)成就局限絕對(duì)時(shí)空觀04總結(jié)提升問(wèn)題與思考設(shè)想人類(lèi)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)量到的激光的速度是多少？第一部分：絕對(duì)時(shí)空觀絕對(duì)時(shí)空觀生活經(jīng)驗(yàn)讓我們體會(huì)到，時(shí)間像一條看不見(jiàn)的“長(zhǎng)河”，均勻地自行流逝著，空間像一個(gè)廣闊無(wú)邊的房間，它們都不影響物體及其運(yùn)動(dòng)。也就是說(shuō)，時(shí)間與空間都是獨(dú)立于物體及其運(yùn)動(dòng)而存在的。這種絕對(duì)時(shí)空觀，也叫牛頓力學(xué)時(shí)空觀。如果說(shuō)我看得遠(yuǎn)，那是因?yàn)槲艺驹诰奕藗兊募缟稀?wèn)題與思考

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

因此，前面問(wèn)題的答案似乎應(yīng)為1.2c。然而，事實(shí)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(wèn)題！v船岸=v船水+v水岸V水=5m/sV船=5m/s第二部分：相對(duì)論時(shí)空觀一、牛頓力學(xué)與電磁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）二、邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)1887年，美國(guó)科學(xué)家邁克爾遜和莫雷通過(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）但都沒(méi)有成功！三、新思想代表人物

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，在實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上，大膽提出，能夠更好地解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的假設(shè)。儒勒·龐加萊（法）（1854-1912）四、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）這兩個(gè)假設(shè)看起來(lái)平淡無(wú)奇，但如果接受了這兩個(gè)假設(shè)的觀點(diǎn)，并用它來(lái)分析問(wèn)題，可能會(huì)在我們的頭腦中引起一場(chǎng)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(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。

相對(duì)論的時(shí)空觀念與人們固有的時(shí)空觀念差別很大，很難被普通人所理解。人們都稱(chēng)贊愛(ài)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(guó)詩(shī)人波譜的詩(shī)句:六、愛(ài)因斯坦的解讀“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。”七、同時(shí)的相對(duì)性車(chē)上的觀察者:閃光同時(shí)到達(dá)車(chē)廂的前后兩壁（圖甲）地面上的觀察者:閃光先到達(dá)車(chē)廂后壁，后到達(dá)前壁（圖乙）同時(shí)性是相對(duì)的八、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(chēng)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：九、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(chēng)為長(zhǎng)度收縮效應(yīng)。十、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(chēng)作相對(duì)論時(shí)空觀。十一、例題探究【問(wèn)題】有一種基本粒子叫μ子，當(dāng)它低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，它的平均壽命是3.0μs，當(dāng)μ子以0.99c的速度飛行時(shí)，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(wèn)題拓展【探究】事實(shí)上，到達(dá)地面的μ子，大多產(chǎn)生于距地面8km的高空，科學(xué)家們根據(jù)經(jīng)典理論，可以計(jì)算出每秒到達(dá)地面的μ子個(gè)數(shù)。但這個(gè)理論數(shù)值小于實(shí)際觀察到μ子個(gè)數(shù)。這是為什么呢？原來(lái)，由于時(shí)間延緩效應(yīng)，對(duì)于地面觀察者看來(lái)，μ子的平均壽命，已不是3.0μs了，而是約為21μs，在這段時(shí)間內(nèi)，μ子可以飛行更遠(yuǎn)的距離，更多的μ子都能飛越8km的距離到達(dá)地面。因此，實(shí)際觀察到μ子個(gè)數(shù)多于用牛頓經(jīng)典理論計(jì)算的數(shù)值。十三、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)視頻學(xué)習(xí)資料第三部分：牛頓力學(xué)的成就與局限性一、經(jīng)典力學(xué)的建立過(guò)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(xué)金字塔的建立開(kāi)普勒牛頓經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展過(guò)程楊振寧曾贊頌到：“如果一定要舉出某個(gè)人、某一天作為近代科學(xué)誕生的標(biāo)志，我選牛頓《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》在1687年出版的那一天?！倍⑴ｎD力學(xué)的成就

牛頓力學(xué)的誕生開(kāi)創(chuàng)了人類(lèi)科技文明的新紀(jì)元，為工業(yè)革命和現(xiàn)代生活奠定了基礎(chǔ)。從地面上物體的運(yùn)動(dòng)到天體運(yùn)動(dòng)，從攔河筑壩、修建橋梁到設(shè)計(jì)各種機(jī)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(xué)的規(guī)律。牛頓力學(xué)在如此廣泛的領(lǐng)域里與事實(shí)相符合，顯示出牛頓力學(xué)的正確性和無(wú)限魅力。1.實(shí)現(xiàn)了人類(lèi)對(duì)自然界認(rèn)識(shí)的第一次理論大綜合。2.確定了自然科學(xué)應(yīng)有的基本特征。3.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。19世紀(jì)末-20世紀(jì)初，深入到微觀領(lǐng)域，發(fā)現(xiàn)電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子不僅具有粒子性，同時(shí)還具有波動(dòng)性，很多情況下經(jīng)典力學(xué)說(shuō)明不了。和所有的真理一樣，牛頓力學(xué)也具有局限性。二、牛頓力學(xué)的成就在微觀世界中（尺度在10-10m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。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。三、牛頓力學(xué)的局限性第四部分：總結(jié)提升課堂小結(jié)AB牛頓力學(xué)相對(duì)論時(shí)間延緩效應(yīng)長(zhǎng)度收縮效應(yīng)只適用于低速運(yùn)動(dòng)，不適用于高速運(yùn)動(dòng)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(qiáng)引力。牛頓力學(xué)在宏觀、低速、弱引力的廣闊領(lǐng)域取得了巨大的成功課堂練習(xí)【練習(xí)1】關(guān)于牛頓力學(xué)和狹義相對(duì)論，下列說(shuō)法正確的是（）A．牛頓力學(xué)適用于宏觀世界弱引力場(chǎng)中的低速運(yùn)動(dòng)B．牛頓力學(xué)適用于分析高速運(yùn)動(dòng)的μ子的壽命C．在狹義相對(duì)論中，真空中光速是可變的D．在狹義相對(duì)論中，物體的能量與質(zhì)量無(wú)關(guān)【參考答案】A課堂練習(xí)【練習(xí)2】某星際飛船正在遙遠(yuǎn)的外太空飛行，假如它的速度可以達(dá)到0.7c，在地球上觀測(cè)到其經(jīng)過(guò)8.76×104h的時(shí)間到達(dá)某星球，則在飛船上的人看來(lái)，其到達(dá)此星球需要的時(shí)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(xí)【練習(xí)3】1905年到1915年，愛(ài)因斯坦先后發(fā)表的狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論在20世紀(jì)改變了理論物理學(xué)和天文學(xué)，取代了主要由牛頓創(chuàng)立的有200年歷史的力學(xué)理論。狹義相對(duì)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(duì)論解釋了引力定律及其與其他自然力的關(guān)系，適用于宇宙學(xué)和天體物理學(xué)領(lǐng)域，包括天文學(xué)。下列有關(guān)相對(duì)論的內(nèi)容，說(shuō)法正確的是（）A．狹義相對(duì)論的兩條基本假設(shè)是不確定關(guān)系與光速不變?cè)鞡．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(cè)量到的激光速度為1.2cC．由于相對(duì)論的提出，牛頓力學(xué)已經(jīng)失去了它的應(yīng)用價(jià)值D．已知μ子低速運(yùn)動(dòng)時(shí)的平均壽命是3.0μs。當(dāng)它以0.99c的速度飛行，若以地面為參考系，此時(shí)μ子的平均壽命變長(zhǎng)【參考答案】D課堂練習(xí)【練習(xí)4】如圖所示，位于教室中央的光源發(fā)出一個(gè)閃光，閃光照到了教室的前壁和后壁。教室的長(zhǎng)度為10m。在平行于教室高速運(yùn)動(dòng)的太空飛船上的觀察者（）A．測(cè)得照到前壁的光速度小于c B．觀測(cè)到飛船上的時(shí)間進(jìn)程比教室快C．測(cè)得教室的長(zhǎng)度大