【课件】相对论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、V水岸=5m/sv船水=15m/s船船相对河岸的相对河岸的速度是多少？速度是多少？v船岸船岸=v船水船水+v水岸水岸V人=0.2倍光速飞船上宇航员发出的飞船上宇航员发出的激光速度是多少？激光速度是多少？答案：等于光速！答案：等于光速！答案答案似乎应为似乎应为1.2c1.2c。然而，事实并非如此。然而，事实并非如此。阅读教材65页麦克斯韦（18311879）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，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？迈克尔逊莫雷实验 1887 1887年，美国科学家年，美国科学家迈克尔逊和莫雷迈克

2、尔逊和莫雷通过实验证明了，通过实验证明了，在不同的参考系中，光在不同的参考系中，光的传播速度都是一样的的传播速度都是一样的！这与牛顿力学中，这与牛顿力学中，不同的参考系之间的速度变换关系（伽利不同的参考系之间的速度变换关系（伽利略变换）不符！略变换）不符！阿尔伯特迈克尔逊（18521931）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，在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的。物理规律的形式都是相同的。2.2.光速不变原理：光速不变原理：真空中的光速在不真空中的光速在不同的惯性参考系中，大小都是相同的。同的惯性参考系中，大小都是相同的。阿尔伯特爱因斯坦（187

3、91955）同时的相对性时间延缓效应 相对相对地面地面以以 v 运动运动的某惯性参考系上的人，观察与其一起运动的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隔物体完成某个动作的时间间隔为为，地面上的人观察该物体在同一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地点完成这个动作的时间间隔为为t t，两者之间的关系为：，两者之间的关系为：相对论相对论的思想实验：有一对双胞胎兄弟，其中一个跨上一宇宙的思想实验：有一对双胞胎兄弟，其中一个跨上一宇宙飞船作长程太空旅行，而另一个则留在地球。结果当旅行者回到地飞船作长程太空旅行，而另一个则留在地球。结果当旅行者回到地球后，我们发

4、现他比他留在地球的兄弟更年轻。球后，我们发现他比他留在地球的兄弟更年轻。长度收缩效应长度收缩效应 如果如果有一根杆，与杆相对静止的人测得杆长是有一根杆，与杆相对静止的人测得杆长是l0，沿着杆的方向，以速度沿着杆的方向，以速度v相对杆运动的人测得杆长是相对杆运动的人测得杆长是l，那么那么l0与与l两者之间的关系是：两者之间的关系是：你可以做到“缩地成寸”吗？时时间间和和空空间间彼彼此此独独立立、互互不不关关联联，都都不不影影响响物物质质及及其其运运动动。时时间间和和空空间间独立与物体及其运动而存在的。这是独立与物体及其运动而存在的。这是绝对时空观，也叫牛顿力学绝对时空观，也叫牛顿力学时空观时空观

5、牛顿力学牛顿力学时空观时空观爱因斯坦爱因斯坦时空观时空观时间时间和空间被联系在一起，它们和空间被联系在一起，它们互相联系又互相互相联系又互相制约，制约，运动运动物体的长度物体的长度（空间距离）和物理过程的快慢（时间进程）都跟物体运动状态（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有关，这反映这反映的时空观称作的时空观称作相对论时空观相对论时空观。爱因斯坦还把时间看作第四维，与爱因斯坦还把时间看作第四维，与三维的空间一起组成了三维的空间一起组成了四维时空四维时空。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

6、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大的的内容。这使人们想起英国诗人内容。这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自然和自然的法则在黑暗中隐藏；上帝说，让牛顿去吧！隐藏；上帝说，让牛顿去吧！于是一切都被照亮。魔鬼说，于是一切都被照亮。魔鬼说，让爱因斯坦去吧！于是一切让爱因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。又回到黑暗中。世人的疑惑【问题】【问题】有一有一种粒子种粒子叫叫子，当它低速运动时，它的平均寿命是子，当它低速运动时，它的平均寿命是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

7、行时，若选子为参考系，子为参考系，子的平均寿命是子的平均寿命是多少？若以地面为参考系，多少？若以地面为参考系，子的平均寿命是多少？子的平均寿命是多少？【解解】若选若选子为参考系，子为参考系，子的平均寿命为子的平均寿命为t t1 1=3.0=3.0s s；若若以地面为参考系，以地面为参考系，子的平均寿命为子的平均寿命为t t2 2相对论时空观的第一次宏观验证教材P67物理学史经典力学的建立过程经经典典力力学学金金字字塔塔的的建建立立经经典典力力学学的的发发展展过过程程杨振宁杨振宁曾赞颂到：曾赞颂到：“如果如果一定要举出某个人、某一一定要举出某个人、某一天作为近代科学诞生的标天作为近代科学诞生的标

8、志，我选牛顿志，我选牛顿自然哲学自然哲学的数学原理的数学原理在在16871687年出年出版的那一天。版的那一天。”牛顿力学的成就 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到天体运动，从拦河筑坝、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，从普通的交通工具到发射人造卫星和宇宙修建桥梁到设计各种机械，从普通的交通工具到发射人造卫星和宇宙飞船飞船.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泛的领域里在如此广泛的领

9、域里与事实相符合，显示出牛顿力学的正确性和无限魅力。与事实相符合，显示出牛顿力学的正确性和无限魅力。牛顿力学的局限性1.1.只适用于只适用于低速低速运动，不适用于高速运动；运动，不适用于高速运动；2.2.只适用于只适用于宏观宏观世界，不适用于微观世界；世界，不适用于微观世界；3.3.只适用于只适用于弱引力弱引力情况，不适用于强引力情况。情况，不适用于强引力情况。小结AB牛顿力学相对论时间延缓效应时间延缓效应长度收缩效应长度收缩效应只适用于只适用于低速运动，不适用于高速运动低速运动，不适用于高速运动只适用于只适用于宏观世界，不适用于微观世界宏观世界，不适用于微观世界只适用于只适用于弱引力，不适用于强引力。弱引力，不适用于强引力。牛顿力学在牛顿力学在宏观、低速、弱引力宏观、低速、弱引力的广阔领域取得了巨大的成功的广阔领域取得了巨大的成功THANKS