人教版高中物理必修二 （相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性）萬有引力與宇宙航行教學(xué)課件

相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性

上節(jié)回顧三種宇宙速度同步衛(wèi)星近地衛(wèi)星第一宇宙速度第二宇宙速度第三宇宙速度生活經(jīng)驗(yàn)讓我們體會(huì)到，時(shí)間好像一條看不見的長(zhǎng)河，均勻地自行流逝著，空間好像一個(gè)廣闊無邊的大房間，它們彼此獨(dú)立，都不影響物體及其運(yùn)動(dòng)。這種絕對(duì)時(shí)空觀，也叫牛頓力學(xué)時(shí)空觀。我們知道，如果河水中的河水以相對(duì)河岸的速度v水流動(dòng)，河中的船以相對(duì)于水的速度v船順流而下，則船相對(duì)于岸邊的速度為v合=v船+v水v=v0+v1這類表達(dá)式，又被稱為伽利略變換，是牛頓力學(xué)，研究相對(duì)運(yùn)動(dòng)問題的基本原理之一。如果有一艘飛船，相對(duì)地面以速度v0=0.2c（c為真空中的光速）勻速運(yùn)動(dòng)，從飛船上，沿飛船前進(jìn)方向，射出一束光，在地面上的人看來，這束光傳播的速度是否應(yīng)為v=v0+c=1.2c呢？1.2倍的光速與我們中學(xué)里學(xué)到的，真空中的光速是宇宙中最快的速度兩者不相符。1887年，美國(guó)科學(xué)家邁克爾遜和莫雷通過實(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，想通過一些理論上的修補(bǔ)工作，解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。以愛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)。愛因斯坦假設(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。車上的觀察者以車廂為參考系，因?yàn)檐噹莻€(gè)慣性系，光向前、后傳播的速率相同，光源又在車廂的中央，閃光當(dāng)然會(huì)同時(shí)到達(dá)前后兩壁對(duì)于車下的觀察者來說，他以地面為參考系，因閃光向前、后傳播的速率對(duì)地面也是相同的，在閃光飛向兩壁的過程中，車廂向前行進(jìn)了一段距離，所以向前的光傳播的路程長(zhǎng)些。他觀測(cè)到的結(jié)果應(yīng)該是：閃光先到達(dá)后壁，后到達(dá)前壁(圖7.5-1乙)。因此，這兩個(gè)事件不是同時(shí)發(fā)生的由此可見，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)間的延緩效應(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，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Δt，兩者之間的關(guān)系為：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，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)度的收縮效應(yīng)。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。這兩個(gè)式子中都有一個(gè)因式：當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)的速度v遠(yuǎn)小于c時(shí)趨近于1。與牛頓經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀一致原來牛頓力學(xué)時(shí)空觀是相對(duì)論時(shí)空觀在低速運(yùn)動(dòng)情況下的特例。經(jīng)典力學(xué)的巨大成就(1)把天體運(yùn)動(dòng)與地面上物體的運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一起來．(2)經(jīng)典力學(xué)和以經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的天體力學(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)．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)完全無關(guān)，時(shí)間與空間也完全無關(guān)．正確理解絕對(duì)時(shí)空觀①時(shí)間和空間是分離的，時(shí)間尺度和空間尺度與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)無關(guān)，都是絕對(duì)的．②經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀認(rèn)為，時(shí)間就其本質(zhì)而言是永遠(yuǎn)均勻地流逝，與任何其他外界事物無關(guān)，空間就其本質(zhì)而言與外界任何事物無關(guān)，它從不運(yùn)動(dòng)，并且永遠(yuǎn)不變．由絕對(duì)時(shí)空觀得到的結(jié)論①同時(shí)的絕對(duì)性在一個(gè)慣性系中的觀察者在某一時(shí)刻觀測(cè)到兩個(gè)事件，對(duì)另一個(gè)做勻速直線運(yùn)動(dòng)的慣性系中的觀察者來說是同時(shí)發(fā)生的，即同時(shí)性與觀察者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)．②時(shí)間間隔的絕對(duì)性任何事件(或物體的運(yùn)動(dòng))所經(jīng)歷的時(shí)間，在不同的參考系中測(cè)量都是相同的，而與參考系(或觀察者)的運(yùn)動(dòng)無關(guān)．③空間距離的絕對(duì)性如果各個(gè)慣性系中用來測(cè)量長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)相同，那么空間兩點(diǎn)的距離也就有絕對(duì)不變的量值，而與慣性系的選擇(或觀察者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài))無關(guān)．經(jīng)典力學(xué)的絕對(duì)時(shí)空觀，割裂了時(shí)間、空間、物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)之間的聯(lián)系，不能解釋高速運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域的許多客觀現(xiàn)象．經(jīng)典力學(xué)的運(yùn)動(dòng)觀，從自然觀角度來說，給出的是一幅機(jī)械運(yùn)動(dòng)的圖景，不能解釋微觀世界豐富多彩的現(xiàn)象．經(jīng)典力學(xué)有它的適用范圍：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；只適用于弱引力情況，不適用于強(qiáng)引力情況．經(jīng)典力學(xué)有它的適用范圍：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；只適用于弱引力情況，不適用于強(qiáng)引力情況．對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)(速度接近真空中的光速)，需要應(yīng)用愛因斯坦的相對(duì)論．當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于真空中的光速時(shí)，相對(duì)論物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別．對(duì)于微觀世界，需要應(yīng)用量子力學(xué)．當(dāng)普朗克常量可以忽略不計(jì)時(shí)，量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別．對(duì)于強(qiáng)引力情況，需要應(yīng)用愛因斯坦引力理論．當(dāng)天體的實(shí)際半徑遠(yuǎn)大于它們的引力半徑時(shí)，愛因斯坦引力理論和牛頓萬有引力定律計(jì)算出的力的差異并不很大．下列說法中正確的是()A．牛頓運(yùn)動(dòng)定律就是經(jīng)典力學(xué)B．經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動(dòng)定律C．牛頓運(yùn)動(dòng)定律可以解決自然界中所有的問題D．經(jīng)典力學(xué)可以解決自然界中所有的問題B經(jīng)典力學(xué)只適用于“宏觀世界”．這里的“宏觀世界”是指()A．行星、恒星、星系等巨大的物質(zhì)領(lǐng)域B．地球表面上的物質(zhì)世界C．人眼能看到的物質(zhì)世界D．不涉及分子、原子、電子等微觀粒子的物質(zhì)世界D關(guān)于經(jīng)典力學(xué)的成就，下列論述正確的是()A．經(jīng)典力學(xué)第一次實(shí)現(xiàn)了對(duì)自然界認(rèn)識(shí)的理論大綜合B．經(jīng)典力學(xué)第一次預(yù)言了宇宙中黑洞的存在C．經(jīng)典力學(xué)第一次向人們展示了時(shí)間的相對(duì)性D．人們借助于經(jīng)典力學(xué)中的研究方法，建立了完整的經(jīng)典物理學(xué)體系A(chǔ)D關(guān)于經(jīng)典力學(xué)的局限性，下列說法正確的是()A．經(jīng)典力學(xué)沒有局限性B．經(jīng)典力學(xué)的應(yīng)用受到物體運(yùn)動(dòng)速度的限制，當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)的速度接近于真空中的光速時(shí)，經(jīng)典力學(xué)就不適用了C．經(jīng)典力學(xué)不適用于微觀領(lǐng)域中物質(zhì)結(jié)構(gòu)和能量不連續(xù)的現(xiàn)象D．經(jīng)典力學(xué)的時(shí)間和空間分離的觀點(diǎn)不準(zhǔn)確BCD根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)知識(shí)，人們對(duì)時(shí)間和空間的認(rèn)識(shí)，下列說法正確的是()A．時(shí)間和空間是絕對(duì)的，與物質(zhì)的存在和物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)都無關(guān)B．時(shí)間和空間可以脫離物質(zhì)而獨(dú)立存在，二者之間也無聯(lián)系C．時(shí)間和空間可以脫離物質(zhì)而獨(dú)立存在，二者之間存在一定的聯(lián)系D．時(shí)間和空間不能脫離物質(zhì)而獨(dú)立存在，二者之間存在一定的聯(lián)系A(chǔ)B課堂小結(jié)1.相對(duì)論時(shí)空觀2.牛頓力學(xué)的成就和局限性時(shí)間的延緩效應(yīng)長(zhǎng)度的收縮效應(yīng)牛頓力學(xué)只適用于低速、宏觀問題。沒有絕對(duì)時(shí)間，也沒有絕對(duì)空間，時(shí)間和空間都是相對(duì)的。THANKS謝謝聆聽5相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性第七章萬有引力與宇宙航行

新課引入新課引入以光速遠(yuǎn)離時(shí)鐘塔看時(shí)鐘塔上的指針是怎樣的？實(shí)驗(yàn)上時(shí)鐘塔的指針應(yīng)是怎樣的？一、相對(duì)論時(shí)空觀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。電磁波的預(yù)言疑問實(shí)驗(yàn)人們的疑問：這個(gè)速度是相對(duì)哪個(gè)參考系而言的？1887年的邁克耳孫—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。一、相對(duì)論時(shí)空觀如何解決？放棄絕對(duì)時(shí)空觀一、相對(duì)論時(shí)空觀12相對(duì)性原理光速不變?cè)硭形锢硪?guī)律在一切慣性參考系中都具有相同的形式。真空中的光速相對(duì)于任何慣性系沿任一方向恒為c，并與光源運(yùn)動(dòng)無關(guān)。狹義相對(duì)論的兩條基本假設(shè)一、相對(duì)論時(shí)空觀假設(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。車上的人觀察光到達(dá)前壁和后壁同時(shí)發(fā)生。地面的人觀察光到達(dá)前壁和后壁不是同時(shí)發(fā)生的。同時(shí)的相對(duì)性一、相對(duì)論時(shí)空觀時(shí)間延緩效應(yīng)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)系是由于v<c，所以總有Δt>Δτ，此種情況稱為時(shí)間延緩效應(yīng)。一、相對(duì)論時(shí)空觀長(zhǎng)度收縮效應(yīng)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)系是由于v<c，所以總有l(wèi)>l0，此種情況稱為長(zhǎng)度收縮效應(yīng)。一、相對(duì)論時(shí)空觀已知μ子低速運(yùn)動(dòng)的平均壽命為3.0μs。有文獻(xiàn)報(bào)道從1981m的高山上測(cè)得563個(gè)μ子，μ子下降的速率為0.99c，在海平面幾乎全部測(cè)到這些μ子。μ子在其壽命期間下降的高度為h=3.0μs×0.99c=891m。即在海平面應(yīng)該探測(cè)不到這些μ子，為什么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象？以μ子為參考系，其下降的高度為在此時(shí)間內(nèi)μ子可以下降的高度為即μ子在其壽命期內(nèi)可以下降到海平面上。一、相對(duì)論時(shí)空觀以地面為參考系，μ子的壽命為在此時(shí)間內(nèi)μ子可以下降的高度為即μ子在其壽命期間內(nèi)可以下降到海平面。已知μ子低速運(yùn)動(dòng)的平均壽命為3.0μs。有文獻(xiàn)報(bào)道從1981m的高山上測(cè)得563個(gè)μ子，μ子下降的速率為0.99c，在海平面幾乎全部測(cè)到這些μ子。μ子在其壽命期間下降的高度為h=3.0μs×0.99c=891m。即在海平面應(yīng)該探測(cè)不到這些μ子，為什么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象？二、牛頓力學(xué)的成就與局限性牛頓力學(xué)宏觀低速!微觀!高速v<<c可與光速相比二、牛頓力學(xué)的成就與局限性相對(duì)論不是為取代牛頓力學(xué)而出現(xiàn)的。可將牛頓力學(xué)看作相對(duì)論的一個(gè)特例。宏觀低速時(shí)，相對(duì)論描述自然地過渡到了牛頓力學(xué)。真理是相對(duì)的。典題剖析例1假設(shè)地面上有一火車以接近光速的速度運(yùn)行，其內(nèi)站立著一個(gè)中等身材的人，站在路旁的人觀察車?yán)锏娜?，觀察的結(jié)果是()A．這個(gè)人是一個(gè)矮胖子B．這個(gè)