高中一年級下學期物理《相對論時空觀與牛頓力學的局限性》課件

相對論時空觀與牛頓力學的局限性問題：?

設(shè)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？17世紀牛頓建立了牛頓運動定律和萬有引力定律，完成了人類對自然界認識的第一次理論大綜合。在此基礎(chǔ)上，科學家們將“實驗和數(shù)學”相結(jié)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，具有解決實際問題的能力。絕對時空觀1.空間和時間都獨立于物體及其運動而存在。2.時間和空間是兩個獨立的觀念,彼此間沒有聯(lián)系。3.通俗地說就是時間、長度和質(zhì)量這三者都與參考系的選取無關(guān)。

這種絕對時空觀，也叫牛頓力學時空觀。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。按照牛頓力學時空觀來看，不同參考系之間的速度存在著變換關(guān)系若河中的水以相對于岸的速度

v

水岸

=2m/s流動，河中的船以相對于水的速度v

船水

=1m/s順流而下

則船相對于岸的速度為

v

船岸＝v

船水＋v

水岸

=3m/s如果按照牛頓力學，

不同參考系之間的速度變換關(guān)系

v

光相對星球＝v

光相對飛船＋v

飛船相對星球

＝c＋0.2c

＝1.2c

相對論時空觀牛頓力學與電磁波理論遇到了矛盾和沖突。19世紀，英國物理學家麥克斯韋根據(jù)電磁場理論預言了電磁波的存在，并證明電磁波的傳播速度等于光速c。

1887年的邁克耳孫—莫雷實驗以及其他一些實驗表明：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參考系之間的速度變換關(guān)系不符。

在牛頓力學理論與電磁波理論的矛盾與沖突面前，一些物理學家仍堅持原有理論的基礎(chǔ)觀念，進行一些修補的工作，而愛因斯坦、龐加萊等人則主張徹底放棄某些與實驗和觀測不符的觀念，如絕對時間的概念，提出能夠更好地解釋實驗事實的假設(shè)。愛因斯坦

狹義相對論的兩個假設(shè)在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的2愛因斯坦的相對性原理真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的1光速不變原理（1）同時是相對的在經(jīng)典物理家的頭腦中，如果兩個事件在一個參考系中看來是同時的，在另一個參考系中看來也一定是同時的，但是如果接受愛因斯坦的兩個假設(shè)，我們會得出“同時是相對的”這樣一個結(jié)論.相對論時空觀v車上的人看到的車廂的長度：車外的人看到的車廂的長度：（2）運動的桿縮短結(jié)論：

一條沿自身長度方向運動的桿，其長度總比桿靜止時的長度小.相對論的時空觀練習：如圖，兩艘飛船A，B沿同一直線同向飛行，相對地面的速度均為v（v接近光速c）。地面上測得它們相距為L，根據(jù)相對論時空觀，則A測得兩飛船間的距離（）A．大于L

B．等于L

C．小于L

D．與v無關(guān)A結(jié)論：火車上的時間進程變慢了，這是時間間隔的相對性，稱為“時間延緩效應”.(3)運動的時鐘變慢a圖以車上的人作為參考系△t＇b圖以站臺上的人作為參考系△t相對論的時空觀相對質(zhì)量在經(jīng)典力學中，物體的質(zhì)量是不變的，但愛因斯坦的狹義相對論指出，物體的質(zhì)量隨速度的增大而增大m0為物體靜止時的質(zhì)量m是物體速度為v時的質(zhì)量c是真空中的光速——動質(zhì)量增大相對論的時空觀

相對論時空觀的第一次宏觀驗證是在1971年進行的。當時在地面上將四只銫原子鐘調(diào)整同步，然后把它們分別放在兩架噴氣式飛機上做環(huán)球飛行，一架向東飛，另一架向西飛。兩架飛機各繞地球飛行一周后回到地面，與留在地面上的銫原子鐘進行比較。實驗結(jié)果與相對論的理論預言符合得很好。從地面上物體的運動到天體的運動，從攔河筑壩、修建橋梁到設(shè)計各種機械，從自行車到汽車、火車、飛機等現(xiàn)代交通工具的運動，從投出籃球到發(fā)射導彈、人造地球衛(wèi)星、宇宙飛船……大到天體運動，小到生活中各種各樣的運動，牛頓力學在如此廣闊的領(lǐng)域里與實際相符合，顯示了牛頓運動定律的正確性和牛頓力學的魅力。牛頓力學的成就：牛頓力學的局限性:(2)微觀世界:電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子,發(fā)現(xiàn)它們不僅具有粒子性,同時還具有波動性,它們的運動規(guī)律在很多情況下不能用牛頓力學來說明。(1)牛頓力學只適用于低速運動,不適用于高速運動。相對論量子力學相對論和量子力學與牛頓力學的關(guān)系：當物體的運動速度遠小于光速

c

時,相對論物理學與牛頓力學的結(jié)論沒有區(qū)別;當另一個重要常數(shù)即普朗克常量h可以忽略不計時,量子力學和牛頓力學的結(jié)論沒有區(qū)別.相對論和量子力學都沒有否定牛頓力學,只是認為牛頓力學是在一定條件下的特殊情形.練習：關(guān)于相對論時空觀與牛頓力學，下列說法正確的是（）A．大到天體，小到微觀粒子，牛頓力學均適用B．相對論與量子力學的出現(xiàn)，否定了牛頓力學的成就C．相對論時空觀認為，物體的長度和質(zhì)量會隨著物體的速度不同而不同D．當物體的速度遠小于光速時，相對論和牛頓力學仍有很大的區(qū)別C課堂小結(jié)一、絕對時空觀二、相對論時空觀四、牛頓力學的成就與局限性狹義相對論的兩個假設(shè)空間和時間都獨立于物體及其運動而存在（1