7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 课件—2020-2021学年【新教材】人教版(2019)高中物理必修第二册29张PPT

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7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 课件—2020-2021学年【新教材】人教版(2019)高中物理必修第二册29张PPT

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(共29张PPT)
7.5
相对论时空观与牛顿力学的局限性
设想人类可以利用飞船以
0.2c
的速度
进行星际航行。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
到的激光的速度是多少?
生活经验让我们体会到,时间像一条看不见的“长
河”,均匀地自行流逝着,空间像一个广阔无边的房间,它
们都不影响物体及其运动。也就是说,时间与空间都是独
立于物体及其运动而存在的。这种绝对时空观,也叫牛顿
力学时空观。
我们知道,若河中的水以相对于岸的速度
v
水岸流动,
河中的船以相对于水的速度
v
船水顺流而下,则船相对于岸
的速度为
v
船岸=
v
船水+
v
水岸
因此,前面问题的答案似乎应为
1.2c。然而,事实并
非如此!
一、相对论时空观
19世纪,英国物理学家麦克斯韦根据电磁场理论预言了电磁波的存在,并证明电磁波的传播速度等于光速
c。人们自然要问:这个速度是相对哪个参考系而言的?一些物理学家对这个问题进行了研究。在实验研究中,1887
年的迈克耳孙—莫雷实验以及其他一些实验表明:
在不同的参考系中,光的传播速度都是一样的!这与牛顿
力学中不同参考系之间的速度变换关系不符。
在牛顿力学理论与电磁波理论的矛盾与冲突面前,一
些物理学家仍坚持原有理论的基础观念,进行一些修补的
工作,而爱因斯坦、庞加莱等人则主张彻底放弃某些与实验和观测不符的观念,如绝对时间的概念,提出能够更好
地解释实验事实的假设。
爱因斯坦假设

(1)在不同的惯性参考系中,物理规律的形式都是相同的;
(2)真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。
在经典物理学家的头脑中,如果两个事件在一个参考
系中是同时的,在另一个参考系中一定也是同时的。但是,
如果接受了爱因斯坦的两个假设,还是这样吗?
假设一列火车沿平直轨道飞快地匀速行驶。车厢中央
的光源发出了一个闪光,闪光照到了车厢的前壁和后壁。
车上的观察者以车厢为参考系,因为车厢是个惯性系,光
向前、后传播的速率相同,光源又在车厢的中央,闪光当
然会同时到达前后两壁(图
7.5-1
甲)。
对于车下的观察者来说,他以地面为参考系,因闪光
向前、后传播的速率对地面也是相同的,在闪光飞向两壁
的过程中,车厢向前行进了一段距离,所以向前的光传播
的路程长些。他观测到的结果应该是
:闪光先到达后壁,
后到达前壁(图
7.5-1
乙)。因此,这两个事件不是同时发
生的。
在爱因斯坦两个假设的基础上,经过严格的数学推导,可以得到下述结果。如果相对于地面以
v
运动的惯性参考系上的人观察到
与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为Δτ,地面
上的人观察到该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔
为Δt,那么两者之间的关系是
:
1、时间延缓效应
2、长度收缩效应
如果与杆相对静止的人测得杆长是
L0
,沿着杆的方向,以
v
相对杆运动的人测得杆长是
L,那么两者之间的关系是:
(1)式和(2)式表明
:运动物体的长度(空间距离)
和物理过程的快慢(时间进程)都跟物体的运动状态有关。
这个结论具有革命性的意义,它所反映的时空观称作相对论时空观。
要验证(1)(2)两式是否正确,首先要找到高速运动的物体。科学家发现
?
子以
0.99
c
甚至更高的速度飞行。根据经典理论可计算每秒到达地球的
?
子数,这个数值小于实际观察到的?子数。观察到的现象与经典理论产生了矛盾。
相对于光速而言,低速运动即可近似认为速度为
0,即
若选择与
?
子一起运动的某一物体为参考系,此时
?
子的
平均寿命是
3.0
?s。对于地面上的观测者来说,由(1)式
计算可知
?
子平均寿命约为
21
?s。由于平均寿命增大,飞
行的距离也变大,因而在地面附近实际观测到的
?
子的数
量就大于经典理论作出的预言。
相对论时空观的第一次宏观验证是在
1971
年进行的。
当时在地面上将四只铯原子钟调整同步,然后把它们分别
放在两架喷气式飞机上做环球飞行,一架向东飞,另一架
向西飞。两架飞机各绕地球飞行一周后回到地面,与留在
地面上的铯原子钟进行比较。实验结果与相对论的理论预
言符合得很好。(在这个实验中,原子钟计时的差异实际是狭义相对论和广义相对论两种效应的结果。)
二、牛顿力学的成就与局限性
牛顿力学的基础是牛顿运动定律,万有引力定律的建
立与应用更是确立了人们对牛顿力学的尊敬。从地面上物体的运动到天体的运动,从拦河筑坝、修建桥梁到设计各种机械,从自行车到汽车、火车、飞机等现代交通工具的运动,从投出篮球到发射导弹、人造地球卫星、宇宙飞船……所有这些都服从牛顿力学的规律。牛顿力学在如此广阔的领域里与实际相符合,显示了牛顿运动定律的正确性和牛顿力学的魅力。
但是,通过前面的学习,我们已经知道物体在以接近
光速运动时所遵从的规律,有些是与牛顿力学的结论并不相同的。除了高速运动,牛顿力学在其他方面是否也有局限性?
19
世纪末和
20
世纪初,物理学研究深入到微观世界,发
现了电子、质子、中子等微观粒子,而且发现它们不仅具
有粒子性,同时还具有波动性,它们的运动规律在很多情
况下不能用牛顿力学来说明。20
世纪
20
年代,量子力学建立了,它能够很好地描述微观粒子运动的规律,并在现
代科学技术中发挥了重要作用。
然而,基于实验检验的牛顿力学不会被新的科学成
就所否定,而是作为某些条件下的特殊情形,被包括在新的科学成就之中。当物体的运动速度远小于光速
c

(c

3×108
m/s),相对论物理学与经典物理学的结论没有
区别;当另一个重要常数即普朗克常量
h
可以忽略不计时
(h

6.63×10-34
J·s),量子力学和牛顿力学的结论没有
区别。相对论与量子力学都没有否定过去的科学,而只认为过去的科学是自己在一定条件下的特殊情形。
(1)电子、质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性,同时还具有波动性,它们的运动规律在很多情况下不能用经典力学来说明,而量子力学能够正确地描述微观粒子的运动规律.
(2)经典力学的适用范围:只适用于低速运动,不适用于高速运动;只适用于宏观世界,不适用于微观世界.
牛顿力学的成就与局限
(3)了解低速与高速
①低速:通常所见物体的运动,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动物体.
②高速:有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近,这样的速度称为高速.
对于低速运动问题,一般用经典力学规律来处理.对于高速运动问题,经典力学已不再适用,需要用相对论知识来处理.
课堂练习

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