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）高一物理（人教版2019）

5相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性第七章萬(wàn)有引力與宇宙航行活動(dòng)一：絕對(duì)時(shí)空觀與光速不變實(shí)驗(yàn)之間的矛盾問(wèn)題1：下圖為高速列車行駛時(shí)車廂內(nèi)顯示的列車速度，列車上的乘客觀察到車廂內(nèi)的時(shí)間、長(zhǎng)度與地面上的觀察考看到的相同嗎？時(shí)間和空間都不會(huì)因?yàn)槲矬w的運(yùn)動(dòng)而改變的觀念叫什么？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?。?wèn)題2.假如測(cè)得的光速是1.2C，這與之前我們知道的光速c是自然界最快的速度矛盾嗎？

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問(wèn)題3.電磁波（光）傳播的速度是c。有沒(méi)有指明這個(gè)速度是相對(duì)哪個(gè)參考系的？如果沒(méi)有指明，說(shuō)明了什么？有實(shí)驗(yàn)證據(jù)嗎？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）問(wèn)題4.邁克耳孫一英雷實(shí)驗(yàn)的直接結(jié)果是什么？這一結(jié)果與我們熟悉的速度合成相同嗎？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！問(wèn)題5.在力學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有矛盾時(shí)，不同的物理學(xué)家處理的方法有何差異？

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）問(wèn)題6.為了解決上述矛盾，愛(ài)因斯坦做了什么？?jī)蓚€(gè)假設(shè)的內(nèi)容是什么？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！如圖下所示，一列火車以速度v相對(duì)于地面高速運(yùn)動(dòng)，位于火車正中間的光源，某一時(shí)刻發(fā)出了一個(gè)閃光。問(wèn)題1.以火車為參考系，閃光是否同時(shí)到達(dá)前壁和后壁？問(wèn)題2.以地面為參考系，光剛從光源發(fā)出時(shí)，前壁與后壁離光源是否等距？經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，前壁與后壁離光發(fā)出時(shí)的位置還等距嗎？為什么？問(wèn)題3.根據(jù)光速不變?cè)?，光到達(dá)前壁與后壁還同時(shí)嗎？問(wèn)題4.火車內(nèi)觀察者觀察到光同時(shí)到達(dá)前壁和后壁，在地面觀察者看來(lái)并不同時(shí)，你相信這是真的嗎？你要否定它，首先需要否定什么？活動(dòng)二：同時(shí)的相對(duì)性？活動(dòng)二：同時(shí)的相對(duì)性車上的觀察者:閃光同時(shí)到達(dá)車廂的前后兩壁（圖甲）地面上的觀察者:閃光先到達(dá)車廂后壁，后到達(dá)前壁（圖乙）同時(shí)性是相對(duì)的問(wèn)題5.時(shí)間間隔還是與物體運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)的獨(dú)立存在嗎？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：?jiǎn)栴}6.除了時(shí)間觀念，你認(rèn)為空間距離是否也會(huì)與物體的運(yùn)動(dòng)有關(guān)？

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，這種情況被稱為長(zhǎng)度收縮效應(yīng)。問(wèn)題7.愛(ài)因斯坦基于兩個(gè)假設(shè)推導(dǎo)得到的時(shí)間間隔t和桿長(zhǎng)l的表達(dá)式是怎樣的？它們表達(dá)了怎樣的結(jié)果？

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)空觀稱作相對(duì)論時(shí)空觀。問(wèn)題8.上述表達(dá)式有沒(méi)有得到實(shí)驗(yàn)的證明？對(duì)于地面觀測(cè)者來(lái)說(shuō)，子的平均壽命約為多少？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)1.實(shí)現(xiàn)了人類對(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?；顒?dòng)三：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?；顒?dòng)四：牛頓力學(xué)的局限性課堂練習(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)度大于10m D