7.5相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性課件高一下學(xué)期物理人教版2

相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性現(xiàn)在的機(jī)場(chǎng)，都有水平傳送帶，可以讓旅客走得快一些。假如有一個(gè)傳送帶，以10m/s的速度運(yùn)動(dòng)。這個(gè)時(shí)候，愛因斯坦站在傳送帶上，以相對(duì)于傳送帶1m/s的速度，順著傳送帶的方向向前走。而傳送帶外的地面上站著普朗克。像這樣的操作叫作伽利略變換愛因斯坦就站在傳送帶上一動(dòng)不動(dòng)，手里拿著一個(gè)手電筒，他打開手電筒的開關(guān)，一束光向前射出。我們知道光速大約是每秒30萬千米。對(duì)于普朗克來說，他看到手電筒發(fā)出的光的速度，應(yīng)該是每秒約30萬千米，加上傳送帶的速度10m/s，也就是普朗克看到的光的速度應(yīng)該大于愛因斯坦看到的光的速度。伽利略變換對(duì)于除了光以外的東西，似乎是很好用的。但是一旦在光速上做文章，就立刻破潰了相對(duì)論最核心的一條原理——光速不變?cè)?。?duì)于任何一個(gè)觀察者，無論觀察者處在什么運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，不論他的速度是多少，他探測(cè)到的光速永遠(yuǎn)都是一個(gè)恒定的值。那科學(xué)家究竟是如何驗(yàn)證光速真的是不變的呢？這就要說到19世紀(jì)末的著名實(shí)驗(yàn)——邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)（Michelson-Morleyexperiment）。理解這個(gè)實(shí)驗(yàn)，需要建立三個(gè)階段的認(rèn)知。第一階段，我們要理解：機(jī)械波的傳播是需要介質(zhì)的。光，其實(shí)就是電磁波。跟我們?nèi)粘Ｉ钪薪佑|到的聲波、水波一樣，十九世紀(jì)，英國科學(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。第二階段，波的干涉現(xiàn)象我們要理解一個(gè)物理現(xiàn)象：只要是波，不管是聲波還是光波，它們都存在一個(gè)現(xiàn)象，叫作波的干涉假設(shè)有兩束光波的波峰同時(shí)經(jīng)過，那振動(dòng)幅度更大，能量更強(qiáng)，就會(huì)顯得更明亮。如果是一個(gè)波峰和一個(gè)波谷經(jīng)過，它們的振動(dòng)相互抵消，振幅小，能量弱，就會(huì)變暗。所以當(dāng)兩束光打到同一片區(qū)域發(fā)生干涉現(xiàn)象時(shí)，有的位置是波峰碰波峰，或者波谷碰波谷，有的位置是波峰碰波谷，波峰波谷相遇區(qū)域內(nèi)就會(huì)形成明暗相間的條紋第三階段，我們來了解邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)的原理邁克耳孫（AlbertAbrahammichelson）和莫雷（Edwardmorley）是兩位物理學(xué)家的名字，他們因?yàn)檫@個(gè)實(shí)驗(yàn)獲得了1907年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)是為了驗(yàn)證以太是否存在。首先要明確一點(diǎn)，波相對(duì)于它的介質(zhì)的速度是恒定的。我們說聲速（speedofsound）約是340m/s，其實(shí)指的是聲音相對(duì)于空氣的速度。空氣靜止的時(shí)候，聲速對(duì)于人來說也約是340m/s，但如果聲音是伴隨著一陣風(fēng)迎面吹來的，這個(gè)時(shí)候聲音相對(duì)于你的速度就不是大約340m/s了。以太被假設(shè)為光的傳播介質(zhì)，所以光相對(duì)于以太的速度是恒定的，大約每秒30萬千米。當(dāng)時(shí)的科學(xué)家們假設(shè)以太彌漫在全宇宙空間中，相對(duì)于太陽是靜止的。地球繞太陽公轉(zhuǎn)的速度大約是30km/s，所以地球是在以太中穿行的。人站在地球上，實(shí)際上是時(shí)時(shí)刻刻都有一陣“以太風(fēng)”以30km/s的速度吹來，因?yàn)橐蕴鄬?duì)于太陽靜止，而地球又相對(duì)于太陽公轉(zhuǎn)，所以地球相對(duì)于以太是運(yùn)動(dòng)的那么根據(jù)波的干涉原理，這兩束光匯聚以后打到同一個(gè)地方，就會(huì)發(fā)生前面所說的干涉現(xiàn)象，產(chǎn)生一組明暗相間的條紋。這個(gè)時(shí)候如果轉(zhuǎn)動(dòng)這臺(tái)干涉儀，比如讓它轉(zhuǎn)過45°。那么在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，兩束光相對(duì)于以太風(fēng)的運(yùn)動(dòng)方式一直在改變，所以它們相對(duì)于實(shí)驗(yàn)儀器的速度也一直在變?？梢韵胂?，兩束光的時(shí)間差在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中也一直在改變，最后就會(huì)影響到干涉條紋。也就是如果以太風(fēng)存在的話，干涉條紋的形狀會(huì)發(fā)生變化。（1）以太并不存在，光可以在真空中傳播，不需要任何介質(zhì)；（2）光速跟測(cè)量者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)沒有關(guān)系，它在任何情況下都是不變的。很顯然，地球的公轉(zhuǎn)完全沒有影響到我們測(cè)量的光速大小。不管你怎么轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀器，干涉條紋都不發(fā)生一丁點(diǎn)的變化，所以，邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)的結(jié)果向我們證明了兩件事：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。愛因斯坦對(duì)相對(duì)論的解釋:“當(dāng)你和一個(gè)美麗的姑娘在一起坐一小時(shí)，你感覺只坐了一分鐘，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?！蓖瑫r(shí)性是相對(duì)的車上的觀察者: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）鐘慢效應(yīng)（timedilation）自己不覺得慢，別人看你慢鐘慢效應(yīng)，指的是不同的參考系，在有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，它們對(duì)于同一件事情時(shí)間流逝的快慢，感受是不一樣的。而自己對(duì)于自己參考系里面發(fā)生的事件，時(shí)間快慢不會(huì)有任何變化，這才是對(duì)鐘慢效應(yīng)的正確理解速度越快，時(shí)間越慢如果相對(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，兩者之間的關(guān)系為：時(shí)間延緩效應(yīng)由此可見，時(shí)間不再是絕對(duì)的，而是相對(duì)的，這種情況被稱為鐘慢效應(yīng)的證據(jù)宇宙射線中有各種各樣的粒子，這些射線在射向地球的過程中，是以接近光速的速度運(yùn)動(dòng)的。射線中的粒子在進(jìn)入大氣層以后大多會(huì)經(jīng)歷衰變（decay），衰變成其他粒子。根據(jù)計(jì)算，很多粒子的衰變周期，或者說它的壽命，是非常短的。如果我們用它的壽命乘以它的運(yùn)動(dòng)速度，就能算出這種粒子在衰變前能夠走過的距離。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這個(gè)距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于大氣層的厚度，也就是說，如果這些粒子的壽命真的這么短的話，它們是無法到達(dá)地面，被人類的實(shí)驗(yàn)儀器探測(cè)到的。但事實(shí)并非如此，我們通過實(shí)驗(yàn)手段，探測(cè)到了很多宇宙射線中的粒子，這個(gè)事實(shí)本身就可以用來驗(yàn)證鐘慢效應(yīng)。因?yàn)閷?duì)于地球上的觀察者來說，宇宙射線中的粒子運(yùn)動(dòng)的速度非?？欤运臅r(shí)間是會(huì)膨脹的。可能原來一個(gè)粒子的壽命只有幾納秒（nanosecond，10-9s），但只要它的速度夠快，它的壽命在地球上的人和實(shí)驗(yàn)儀器看來，可能有幾十納秒、幾百納秒。這樣的話，這些粒子就有充足的時(shí)間可以到達(dá)地球表面，鐘慢效應(yīng)就得到了驗(yàn)證。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尺縮效應(yīng)（lengthcontraction）就是一把相對(duì)地面在運(yùn)動(dòng)著的尺子，長度會(huì)在尺子運(yùn)動(dòng)的方向上縮短。這里的縮短，是地面上，相對(duì)于地面靜止的觀察者測(cè)量到的尺子長度會(huì)變短。尺子上有另一個(gè)觀察者的話，他測(cè)量到的尺子長度還是原來的長度假設(shè)這個(gè)時(shí)候愛因斯坦站在地面上不動(dòng)，他可以這樣測(cè)量尺子的長度：當(dāng)尺子的頭部經(jīng)過愛因斯坦的時(shí)候，他記錄下一個(gè)時(shí)間，與此同時(shí)，在尺子的頭部做一個(gè)記號(hào)；當(dāng)尺子的尾部經(jīng)過他的時(shí)候，他也記錄下一個(gè)時(shí)間，并在尺子的尾部也做一個(gè)記號(hào)。這樣的話，對(duì)于愛因斯坦來說，他量出來的尺子的長度，其實(shí)就是他記錄下來的兩個(gè)時(shí)間差，乘以尺子的運(yùn)動(dòng)速度。站在尺子上的普朗克，他要如何去測(cè)量尺子的長度？他只要也記錄下愛因斯坦做這兩個(gè)記號(hào)的時(shí)間差，再乘以愛因斯坦相對(duì)于他的速度，其實(shí)也就是這把尺子的速度，就可以了。最后再去比較這兩個(gè)時(shí)間差之間的關(guān)系，就可以得出尺子的長短到底變化了多少。對(duì)于剛才測(cè)量尺子長度的實(shí)驗(yàn)，愛因斯坦所用的時(shí)間肯定也沒有尺子上普朗克用的時(shí)間長。因?yàn)榻o尺子頭部和尾部做記號(hào)這兩件事，對(duì)于愛因斯坦來說是在一個(gè)地方發(fā)生的，而對(duì)于普朗克來說不是。與桿相對(duì)靜止的人測(cè)得桿長是l0，沿著桿的方向，以速度v相對(duì)桿運(yùn)動(dòng)的人測(cè)得桿長是l，那么l0與l兩者之間的關(guān)系是：【典例6】某宇航員要到離地球5光年的星球上去旅行，如果地球指揮中心希望把這路程縮短為3光年，則他所乘飛船相對(duì)地球的速度為A．0.5cB．0.6cC．0.8cD．0.9c【正確答案】C牛頓力學(xué)的局限性在微觀世界中（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。牛頓力學(xué)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。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: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?！镜淅?】以牛頓運(yùn)動(dòng)定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)的適用范圍是()A．低速、宏觀的運(yùn)動(dòng)問題B．高速、微觀的運(yùn)動(dòng)問題C．低速、微觀的運(yùn)動(dòng)問題D．高速