75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

相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性

年級(jí)：高一年級(jí)學(xué)科：物理（人教版）牛頓力學(xué)時(shí)空觀時(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。

思考若河中的水以相對(duì)于岸的速度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)于岸的速度V船岸如何表示？V船岸=V船水+V水岸伽利略變換，是牛頓經(jīng)典力學(xué)研究相對(duì)運(yùn)動(dòng)問題的基本法則。

思考設(shè)飛船以0.2c的速度航行。向正前方某一星球發(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？根據(jù)v光星=v光船+v船星星球上測量的激光的速度應(yīng)為1.2c。真的是這樣嗎？

經(jīng)典物理學(xué)上的烏云

詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（1831—1879）十九世紀(jì)，英國科學(xué)家麥克斯韋，提出了電磁場理論，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，而且似乎這個(gè)速度無需參考系，是個(gè)常數(shù)。

經(jīng)典物理學(xué)上的烏云

阿爾伯特·邁克爾遜（1852—1931）1887年的邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，他們二人想測量由于地球公轉(zhuǎn)引起的公轉(zhuǎn)切線方向和垂直黃道面方向的光速差異，最后竟然發(fā)現(xiàn)兩個(gè)方向上的光速?zèng)]有區(qū)別，這就證明了在不同的參考系中，光的傳播速度都是一樣的！垂直黃道面方向光速地軸地球公轉(zhuǎn)方向公轉(zhuǎn)切線方向光速

經(jīng)典物理學(xué)上的烏云

開爾文：“物理學(xué)大廈上空的烏云”。光速不變的結(jié)果和牛頓力學(xué)中不同參考系之間的速度變換（伽利略變換）關(guān)系不符。是堅(jiān)持牛頓力學(xué)還是尊重事實(shí)？開爾文（1824—1907）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。愛因斯坦在實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上，大膽提出兩個(gè)假設(shè)。

阿爾伯特·愛因斯坦（德）

（1879—1955）儒勒·龐加萊（法）（1854-1912）（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。兩個(gè)假設(shè)為基礎(chǔ)可以推到令人驚嘆的結(jié)論。（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。相對(duì)論時(shí)空觀同時(shí)性是相對(duì)的結(jié)論：區(qū)別于牛頓力學(xué)時(shí)空觀，運(yùn)動(dòng)的物體，不同參考系中，“同時(shí)”是相對(duì)的?！巴瑫r(shí)”的相對(duì)性相對(duì)論的效應(yīng)：時(shí)間延緩效應(yīng)假設(shè)：火車速度是V，該過程地面參考系用時(shí)是t0，以火車是t

。

小于1，所以t0總是大于t。同一過程，地面上的人用更時(shí)長。這種現(xiàn)象叫時(shí)間延緩效應(yīng)。

時(shí)間延緩效應(yīng)如果以地面為參考系的人測量桿長為，火車上相對(duì)桿靜止的人測得桿為

長度收縮效應(yīng)

由于小于1，所以沿著火車前進(jìn)的方向總有小于。此種情況稱之為長度收縮效應(yīng)。由數(shù)學(xué)推導(dǎo)可得：

相對(duì)論時(shí)空觀

上面兩個(gè)公式表明，運(yùn)動(dòng)物體的長度（空間距離）和物理過程的快慢（時(shí)間進(jìn)程）都跟物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，這個(gè)結(jié)論具有革命性意義，被稱為相對(duì)論時(shí)空觀。相對(duì)論效應(yīng)如何驗(yàn)證呢？宇宙射線與大氣中的分子發(fā)生碰撞，可以在離海平面大約8公里高處產(chǎn)生接近光速的高能μ子，由于μ子是一種不穩(wěn)定的粒子，實(shí)驗(yàn)室測得其靜止時(shí)平均壽命只有3微秒。如何解釋？依據(jù)牛頓力學(xué)時(shí)空觀：μ子前行距離

結(jié)論：幾乎沒有μ子可以到達(dá)地面。事實(shí)：在地面上可以觀測到大量的μ子。

相對(duì)論的驗(yàn)證

相對(duì)論的驗(yàn)證

μ子靜止時(shí)平均壽命是3.0μs，假設(shè)高空中μ子以0.99c的速度飛行若選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由時(shí)間延長效應(yīng)可得：地面觀察者看到μ子的前進(jìn)距離

牛頓力學(xué)的成就牛頓力學(xué)有很多解釋不了的現(xiàn)象牛頓力學(xué)是否還有價(jià)值？當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)速度v遠(yuǎn)小于c時(shí)，趨近于1。此時(shí)，

，

與牛頓經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀一致。原來牛頓的經(jīng)典力學(xué)是相對(duì)論在遠(yuǎn)小于光速情況下的特例。

牛頓力學(xué)的局限性牛頓力學(xué)的適用條件是什么？

牛頓力學(xué)的局限性當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)速度v遠(yuǎn)小于c時(shí)，趨近于1。此時(shí)

，

與牛頓經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀一致。原來牛頓的經(jīng)典力學(xué)是相對(duì)論在遠(yuǎn)小于光速情況下的特例。

牛頓力學(xué)的局限性牛頓力學(xué)取得了輝煌成就，但是真理是相對(duì)的，沒有理論可以窮盡一切真理。相對(duì)論和量子力學(xué)中，牛頓力學(xué)成了低速和宏觀狀態(tài)的特例。適用于速度遠(yuǎn)小于光速c，接近光速時(shí)用相對(duì)論。適用于h可以忽略不計(jì)時(shí)，微觀尺度用量子力學(xué)。

牛頓力學(xué)的局限性相對(duì)論是不是就是最終的理論呢？牛頓經(jīng)典力學(xué)只適用于低速，宏觀問題。2.牛頓力學(xué)