【课件】相对论的时空观与牛顿力学的局限性高一下学期物理人教版（2019）必修第二册.pptx

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1、人教版物理必修二人教版物理必修二第七章第七章 万有引力与宇宙航行万有引力与宇宙航行7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性讨论交流：讨论交流：设想人类可以利用飞船以设想人类可以利用飞船以0.2c0.2c的速度进行星的速度进行星际航行。若飞船向正前方的某一星球发射一际航行。若飞船向正前方的某一星球发射一束激光，该星球上的观察者测量到的激光的束激光，该星球上的观察者测量到的激光的速度是多少速度是多少?我们知道，若河中的水以相对于岸的速度我们知道，若河中的水以相对于岸的速度v v水岸水岸流动流动,河中的船以相对于水的速度河中的船以相对于水的速度v v船水船水顺流而下，则船相对顺流而下，则船相对于岸的速

2、度为于岸的速度为：v船岸船岸=v船水船水+v水岸水岸则有则有：v光观光观=v光船光船+v船观船观v光船光船=cv船观船观=0.2cv光观光观=1.2c 事实并非如此！事实并非如此！一、经典力学的发展过程一、经典力学的发展过程17 17 世世纪纪牛牛顿顿力力学学构构成成了了体体系系。可可以以说说，这这是是物物理理学学第第一一次次伟伟大大的的综综合合。牛牛顿顿建建立立了了两两个个定定律律，一一个个是是运运动动定定律律，一一个个是是万万有有引引力力定定律律，并并发发展展了了变变量量数数学学微微积积分分，具具有有解解决决实实际际问问题题的的能能力力。他他开开拓拓了了天天体体力力学学这这一一科科学学，海

3、海王王星星和和冥冥王王星星的的发发现现就就充充分分显显示示了了这这一一点点 。牛顿二、经典力学的时空观二、经典力学的时空观描述一个物体的运动必须选择一个参考系，然后研究描述一个物体的运动必须选择一个参考系，然后研究这一物体相对于参考系是如何运动的。这一物体相对于参考系是如何运动的。1 1、惯性系与非惯性系：、惯性系与非惯性系：两个小球一起做自由落体运动，均受到重力的作用，两个小球一起做自由落体运动，均受到重力的作用，如果以红球为参考系，则绿球是静止的。而绿球受到如果以红球为参考系，则绿球是静止的。而绿球受到的合外力不为零。所以绿球相对于红球这个参考系而的合外力不为零。所以绿球相对于红球这个参考

4、系而言，并不符合牛顿运动定律。言，并不符合牛顿运动定律。惯性参考系惯性参考系牛顿运动定律成立的参考系牛顿运动定律成立的参考系非惯性参考系非惯性参考系牛顿运动定律不成立的参考系牛顿运动定律不成立的参考系所有相对于惯性系做匀速直线运动的参考系都是惯性系，所有相对于惯性系做匀速直线运动的参考系都是惯性系，而对于惯性系做变速运动的参考系为非惯性系。而对于惯性系做变速运动的参考系为非惯性系。2 2、伽利略的相对性原理、伽利略的相对性原理表述表述1 1：对于所有的惯性系，力学规律都是相同的。对于所有的惯性系，力学规律都是相同的。表述表述2 2：在一个惯性参考系内进行的任何力学实验都在一个惯性参考系内进行的

5、任何力学实验都不能判断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做匀速不能判断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动。直线运动。表述表述3 3：一切惯性系都是等价的。一切惯性系都是等价的。牛顿力学的牛顿力学的经典时空观经典时空观，又称为又称为绝对时空观绝对时空观生活经验让我们体会到，时间像一条看不生活经验让我们体会到，时间像一条看不见的见的“长河长河”，均匀地自行流逝着，空间，均匀地自行流逝着，空间像一个广阔无边的房间，它们都不影响物像一个广阔无边的房间，它们都不影响物体及其运动。也就是说，体及其运动。也就是说，时间与空间都是时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的。独立于物体及其运动而存在的。

6、这种绝对这种绝对时空观，也叫牛顿力学时空观。时空观，也叫牛顿力学时空观。牛顿牛顿三、经典力学遇到的困难三、经典力学遇到的困难牛顿力学与电磁理论的冲突牛顿力学与电磁理论的冲突十九世纪，英国科学家麦克斯韦，提出了电磁场十九世纪，英国科学家麦克斯韦，提出了电磁场理论，预言了电磁波的存在，并从理论上证明了，理论，预言了电磁波的存在，并从理论上证明了，电磁波传播的速度等于光速。人们不禁要问：这电磁波传播的速度等于光速。人们不禁要问：这个速度是相对哪个参考系而言的呢？个速度是相对哪个参考系而言的呢？麦克斯韦18311879阿尔伯特迈克尔逊（18521931）18871887年，美国科学家迈克尔逊和莫雷通过

7、实验证年，美国科学家迈克尔逊和莫雷通过实验证明了，在不同的参考系中，光的传播速度都是一明了，在不同的参考系中，光的传播速度都是一样的！样的！这与牛顿力学中，不同的参考系之间的速这与牛顿力学中，不同的参考系之间的速度变换关系（伽利略变换）不符！度变换关系（伽利略变换）不符！在实验事实的面前，许多物理学家，仍然立足在在实验事实的面前，许多物理学家，仍然立足在牛顿力学时空观的基础上，想通过一些理论上的牛顿力学时空观的基础上，想通过一些理论上的修补工作，解释实验现象。修补工作，解释实验现象。但都没有成功！但都没有成功！四、相对论时空观四、相对论时空观以爱因斯坦和庞加莱为代表以爱因斯坦和庞加莱为代表的另

8、一批物理学家，坚决主的另一批物理学家，坚决主张，彻底放弃某些与实验事张，彻底放弃某些与实验事实不相符的观念，如绝对时实不相符的观念，如绝对时间的观念，在实验事实的基间的观念，在实验事实的基础上，大胆提出，能够更好础上，大胆提出，能够更好地解释实验现象的假设地解释实验现象的假设。儒勒儒勒庞加莱（法）庞加莱（法）（1854-19121854-1912）阿尔伯特阿尔伯特爱因斯爱因斯坦（坦（1879195518791955）相对论的两个基本假设相对论的两个基本假设1.1.相对性原理：相对性原理：在不同的惯性参考系中，物理规律的在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的。形式都是相同的。2.2.光速

9、不变原理：光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系真空中的光速在不同的惯性参考系中，大小都是相同的。中，大小都是相同的。这两个假设看起来平淡无奇，但如果接受了这两个假这两个假设看起来平淡无奇，但如果接受了这两个假设的观点，并用它来分析问题，可能会在我们的头脑设的观点，并用它来分析问题，可能会在我们的头脑中引起一场轩然大波！中引起一场轩然大波！相相对对论论的的时时空空观观念念与与人人们们固固有有的的时时空空观观念念差差别别很很大大，很很难难被被普普通通人人所所理理解解。人人们们都都称称赞赞爱爱因因斯斯坦坦伟伟大大，但但又又常常常常弄弄不不懂懂这这伟伟大的内容。这使人们想起英国诗人大的内容。这

10、使人们想起英国诗人波谱波谱的诗句的诗句:自然和自然的法则在黑暗中隐藏；自然和自然的法则在黑暗中隐藏；上帝说，上帝说，让牛顿去吧！于是让牛顿去吧！于是一切都被照亮。一切都被照亮。魔鬼说，魔鬼说，让爱因斯坦去吧！于是一切又回到黑让爱因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。暗中。爱因斯坦爱因斯坦对相对论的解释对相对论的解释:“当你和一个美丽的姑娘在一起当你和一个美丽的姑娘在一起坐一小时，你感觉只坐了一分钟，坐一小时，你感觉只坐了一分钟，当你坐在火炉旁一分钟，就好象当你坐在火炉旁一分钟，就好象坐了一小时，这就是相对论。坐了一小时，这就是相对论。”相对论时空观相对论时空观1.1.同时是相对的同时是相对的在经典

11、物理家的头脑中，如果两个事件在一个参考系中在经典物理家的头脑中，如果两个事件在一个参考系中看来是同时的，在另一个参考系中看来也一定是同时的，看来是同时的，在另一个参考系中看来也一定是同时的，但是如果接受爱因斯坦的两个假设，我们会得出但是如果接受爱因斯坦的两个假设，我们会得出“同时同时是相对的是相对的”这样一个结论这样一个结论.车上的观察者车上的观察者:闪光同时到达车厢的前后两壁（图甲）闪光同时到达车厢的前后两壁（图甲）地面上的观察者地面上的观察者:闪光先到达车厢后壁，后到达前壁闪光先到达车厢后壁，后到达前壁（图乙）（图乙）v车上的人看到的车上的人看到的车厢的长度：车厢的长度：车外的人看到的车外

12、的人看到的车厢的车厢的长度：长度：2.2.运动的杆缩短运动的杆缩短 结论：结论：一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止静止时的时的长度小长度小.空间距离也不再是绝对的，而是相对的，这种情况被空间距离也不再是绝对的，而是相对的，这种情况被称为称为长度收缩效应长度收缩效应。3.3.运动的时钟变慢运动的时钟变慢 a a图以车上的人作为参考系图以车上的人作为参考系t t0 0b b图以站台上的人作为图以站台上的人作为参考系参考系t t结论：火车结论：火车上的时间进程变慢了，这是上的时间进程变慢了，这是时时间间隔的间间隔的相对性，称为相对性，称为“时间延缓效

13、应时间延缓效应”.如果相对地面以如果相对地面以v v运动的某惯性参考系上的人，运动的某惯性参考系上的人，观察与其一起运动的物体完成某个动作的时间间观察与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为隔为t t0 0，地面上的人观察该物体在同一地点完成，地面上的人观察该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为这个动作的时间间隔为t t，两者之间的关系为：，两者之间的关系为：相对论时空观的第一次宏观验证是在相对论时空观的第一次宏观验证是在 1971 1971 年进行的。年进行的。当时当时在地面上将四只铯原子钟调整同步，然后把它们在地面上将四只铯原子钟调整同步，然后把它们分别放分别放在两架在两架喷气式飞机上

14、做环球飞行，一架向东飞，另一架喷气式飞机上做环球飞行，一架向东飞，另一架 向西飞。两向西飞。两架飞机各绕地球飞行一周后回到地面，架飞机各绕地球飞行一周后回到地面，分别比静止在地面上的分别比静止在地面上的钟慢钟慢5959纳秒和快纳秒和快273273纳秒。实验结果与理论预言符合的很好。纳秒。实验结果与理论预言符合的很好。这是相对论的第一次宏观验证。这是相对论的第一次宏观验证。动钟变慢动钟变慢有一种基本粒子叫有一种基本粒子叫子，当它低速运动时，它的平均寿命子，当它低速运动时，它的平均寿命是是3.03.0s s，当，当子以子以0.99c0.99c的速度飞行时，若选的速度飞行时，若选子为参考子为参考系，

15、系，子的平均寿命是多少？若以地面为参考系，子的平均寿命是多少？若以地面为参考系，子的子的平均寿命是多少？平均寿命是多少？分析：若选分析：若选子为参考系，子为参考系，子的子的平均寿命为平均寿命为t t1 1=3.0=3.0s s；若以地面；若以地面为参考系，为参考系，子的平均寿命为：子的平均寿命为：t t2 2讨论交流：讨论交流：事实上，到达地面的事实上，到达地面的子，大多产生于距地面子，大多产生于距地面8km8km的高空，科的高空，科学家们根据经典理论，可以计算出每秒到达地面的学家们根据经典理论，可以计算出每秒到达地面的子个数。子个数。但这个理论数值小于实际观察到但这个理论数值小于实际观察到子

16、个数。这是为什么呢？子个数。这是为什么呢？原来，由于时间延缓效应，对于地面观察者看来，原来，由于时间延缓效应，对于地面观察者看来，子的平子的平均寿命，已不是均寿命，已不是3.03.0s s了，而是约为了，而是约为2121s s，在这段时间内，在这段时间内，子可以飞行更远的距离，更多的子可以飞行更远的距离，更多的子都能飞越子都能飞越8km8km的距离到的距离到达地面。因此，实际观察到达地面。因此，实际观察到子个数多于用牛顿经典理论计子个数多于用牛顿经典理论计算的数值。算的数值。但是但是，当宏观物体的运动速度远小于光速时（，当宏观物体的运动速度远小于光速时（v vc c），则上），则上面的一些结果

17、就变为面的一些结果就变为llll0 0，t t t t ，因而对于宏观低速，因而对于宏观低速运动的物体，使用牛顿定律来处理问题，还是足够精确的运动的物体，使用牛顿定律来处理问题，还是足够精确的.由上面两个式子可以知道，运动物体的长度（空间距离）和由上面两个式子可以知道，运动物体的长度（空间距离）和物理过程的快慢（时间进程）都跟物体运动状态有关。这个物理过程的快慢（时间进程）都跟物体运动状态有关。这个结论具有革命性的意义，它反映的时空观称作结论具有革命性的意义，它反映的时空观称作相对论时空观相对论时空观。4.4.相对质量相对质量动质量增大动质量增大在经典力学中，物体的质量是不变的，但爱因斯坦的在

18、经典力学中，物体的质量是不变的，但爱因斯坦的狭义相对论指出，物体的质量随速度的增大而增大狭义相对论指出，物体的质量随速度的增大而增大m m0 0为物体静止时的质量为物体静止时的质量m m是物体速度为是物体速度为v v时的长度时的长度c c是真空中的光速是真空中的光速 质量随速度增大而增大质量随速度增大而增大牛顿力学的诞生开创了人类科技文明的新纪元，为工牛顿力学的诞生开创了人类科技文明的新纪元，为工业革命和现代生活奠定了基础。从地面上物体的运动业革命和现代生活奠定了基础。从地面上物体的运动到天体运动，从拦河筑坝、修建桥梁到设计各种机械，到天体运动，从拦河筑坝、修建桥梁到设计各种机械，从普通的交通

19、工具到发射人造卫星和宇宙飞船从普通的交通工具到发射人造卫星和宇宙飞船.所有这些都符合牛顿力学的规律。所有这些都符合牛顿力学的规律。牛顿力学牛顿力学在如此广在如此广泛的领域里与事实相符合，显示出牛顿力学的正确性泛的领域里与事实相符合，显示出牛顿力学的正确性和无限魅力。和无限魅力。经典力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律更是经典力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律更是树立了人们对牛顿物理学的尊敬树立了人们对牛顿物理学的尊敬.五、牛顿力学的成就与局限性五、牛顿力学的成就与局限性大到天体运动，小到生活中各种各样的运动，都符合大到天体运动，小到生活中各种各样的运动，都符合牛顿经典力学，牛顿经典力学覆

20、盖着极广大的范围。牛顿经典力学，牛顿经典力学覆盖着极广大的范围。1.1.牛顿力学的成就牛顿力学的成就(1)(1)实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合。实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合。(2)(2)确定了自然科学应有的基本特征。确定了自然科学应有的基本特征。(3)(3)将将“实验和数学实验和数学”相结合的方法推广到物理学的相结合的方法推广到物理学的各个分支，形成了完整的经典力学体系。各个分支，形成了完整的经典力学体系。1919世纪末世纪末-20-20世纪初，深入到微观领域，发现电子、世纪初，深入到微观领域，发现电子、质子、中子等微观粒子不仅具有质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性粒子性

21、，同时还具有，同时还具有波动性波动性，很多情况下经典力学说明不了。和所有的真，很多情况下经典力学说明不了。和所有的真理一样，牛顿力学也具有局限性。理一样，牛顿力学也具有局限性。2.2.牛顿力学的局限性牛顿力学的局限性牛顿力学牛顿力学只适用于只适用于低速低速运动，不适用于运动，不适用于高速高速运动；运动；只适用于只适用于宏观宏观世界，不适用于世界，不适用于微观微观世界；世界；只适用于只适用于弱引力弱引力情况，不适用于情况，不适用于强引力强引力情况。情况。在微观世界中（尺度在在微观世界中（尺度在1010-10-10m m以下），由于物质的以下），由于物质的存在和运动存在和运动形式形式（波粒二象性）

22、，较宏观世界，有（波粒二象性），较宏观世界，有较大的不同较大的不同,牛顿力学也不适用。牛顿力学也不适用。低速与高速低速与高速:(1)(1)低速低速:通常所见物体的运动通常所见物体的运动,如行驶的汽车、发射如行驶的汽车、发射的导弹、人造地球卫星及宇宙飞船等物体皆为低速运的导弹、人造地球卫星及宇宙飞船等物体皆为低速运动物体。动物体。(2)(2)高速高速:有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近速相接近,这样的速度称为高速。这样的速度称为高速。经典力学、相对论和量子理论的比较经典力学、相对论和量子理论的比较:1.1.狭义相对论狭义相对论:经典力学适用于低速

23、运动的物体经典力学适用于低速运动的物体;狭义相狭义相对论阐述物体在以接近光速运动时所遵循的规律。对论阐述物体在以接近光速运动时所遵循的规律。2.2.量子力学量子力学:经典力学适用于宏观世界经典力学适用于宏观世界;量子力学能够正量子力学能够正确描述微观粒子的运动规律。确描述微观粒子的运动规律。3.3.广义相对论广义相对论:经典力学在弱引力的情况下与实验结果符经典力学在弱引力的情况下与实验结果符合得很好合得很好;爱因斯坦的广义相对论能够解释强引力情况下爱因斯坦的广义相对论能够解释强引力情况下的作用规律。的作用规律。练习练习.话说有兄弟两个，哥哥乘坐宇宙飞船以接近光的速度离话说有兄弟两个，哥哥乘坐宇

24、宙飞船以接近光的速度离开地球去遨游太空，经过一段时间返回地球，哥哥惊奇地发开地球去遨游太空，经过一段时间返回地球，哥哥惊奇地发现弟弟比自己要苍老许多，则该现象的科学解释是现弟弟比自己要苍老许多，则该现象的科学解释是()A A哥哥在太空中发生了基因突变，停止生长哥哥在太空中发生了基因突变，停止生长了了B B弟弟思念哥哥而加速生长弟弟思念哥哥而加速生长了了C C由相对论可知，物体速度越大，在其上的时间进程就越慢，由相对论可知，物体速度越大，在其上的时间进程就越慢，生理过程也越生理过程也越慢慢D D这是神话，科学无法解释这是神话，科学无法解释C C解析：根据相对论的时间延缓效应，当飞船速度接近光速解析：根据相对论的时间延缓效应，当飞船速度接近光速时，时间会变慢时间延缓效应对生命过程、化学反应等时，时间会变慢时间延缓效应对生命过程、化学反应等也是成立的飞船运行的速度越大，时间延缓效应越明显，也是成立的飞船运行的速度越大，时间延缓效应越明显，人体的新陈代谢越缓慢答案：人体的新陈代谢越缓慢答案：C C