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必修二第七章
7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性
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v船岸如何表示？
新课引入
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？
是1.2c吗？
新课引入
当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
根据上式前面问题，则有：
v光观=v光船+v船观
v光船=c
v船观=0.2c
v光观=1.2c
问题的答案似乎应为 1.2c，然而，事实并非如此！因为经典力学不再适用。经典力学只适用于解决低速运动问题，不能用来处理高速运动问题，要解决这一问题就需要用到相对论时空观。
新课引入
麦克斯韦
麦克斯韦电磁场理论的建立
电磁波的传播速度等于光速 c
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。这个速度是相对哪个参考系而言的？
相对论时空观
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所以证明电磁波的传播速度等于光速c，无论对于哪个参考系而言都是一样的。
这与牛顿力学中不同参考系之问的速度变换关系不符。
相对论时空观
迈克尔逊:波兰裔美国藉物理学家。
爱因斯坦的两个假设：
在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的；
真空中的光速在不同的惯性参系中大小都是相同的。
光速不变原理
车上的观察者
地面的观察者
相对论时空观
如果相当于地面以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，则
时间延缓效应
相对论时空观
Δt= _____________
Δτ
1-
由于 1－ < 1，所以总有 Δt >Δτ，此种情况称为时间延缓效应。
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
长度收缩效应
由于1－ < 1，所以总有 l < l0，此种情况称为长度收缩效应。
相对论时空观
已知μ子低速运动时的平均寿命是3.0 μs。当μ子以0.99c的速度飞行，若选择μ子为参考系，此时μ子的平均寿命是多少？对于地面上的观测者来说，平均寿命又是多少？
设以μ子为参考系时的平均寿命为 t
设对于地面上的观测者来说，平均寿命 t0
t=3.0 μs
代入数据：
思考
动钟变慢，根据狭义相对论，随着物体（观察者所见到的）运动速度的加快，时间会变慢。
相对论时空观
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。它们的时间有什么不同？
①向东飞行时铯原子钟的度数比地球上的铯原子钟慢了这是因为向东飞行速度比地面上的大；
②向西飞行的铯原子钟比地球上的快了，这是因为向西飞飞机的速度和地球自转相抵消，它们的速度比地面上的小；
牛顿力学的成就与局限性
适用于宏观物体，不适用于微观物体
牛顿力学的成就与局限性
适用于低速物体运动，不适用于高速运动。
牛顿力学的成就与局限性
1、牛顿力学的成就
（1）经典力学的基础是牛顿运动定律，牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的广阔区域，包括天体力学的研究中，经受了实践的检验，取得了巨大的成就.
（2）牛顿运动三定律和万有引力定律把天体的运动与地面上物体的运动统一起来，是人类对自然界认识的第一次大综合，是人类认识史上的一次重大飞跃.
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
牛顿力学的成就与局限性
2、局限性
（1）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。所以经典力学只适用于物体的低速运动。
（2）在微观世界中，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，量子力学能很好地描述微观粒子的运动规律。经典力学不适用于微观领域中物质结构和能量不连续的现象
（3）经典力学规律只在惯性参考系中成立，经典力学规律只能用于宏观、低速（与光速相比）的情形，且只在惯性参考系中成立。
牛顿力学的成就与局限性
说明
（1）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;
（2）当物体的运动速度远小于光速 c 时（c ＝ 3×108 m/s），相对论物理学与经典物理学的结论没有区别；
（3）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。
（4）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。
宇宙大爆炸理论大爆炸理论成功地解释了很 多观测事实，分析表明，我们的宇宙是在约138亿年以前从一个尺度极小的状态发展演化来的在这个过程中，宇宙的温度从高到低，先是生成一些基本粒子形态的物质，接着产生了原子、分 子等各种物质，物质再进一步聚集起来形成星系，成为我们今天看到的宇宙。
宇宙的起源与演化
天文学家根据对各种恒星的观测和理论研究，弄清楚了恒星演化的整个过程，并认识到恒星 的寿命主要取决于它的质量。
恒星的演化
典型例题
例1.经典力学只适用于“宏观世界”，这里的“宏观世界”是指(　　)
A．行星、恒星、星系等巨大的物质领域
B．地球表面上的物质世界
C．人眼能看到的物质世界
D．不涉及分子、原子、电子等微观粒子的物质世界
D
典型例题
例2.下列说法正确的是(　　)
A．经典力学能够说明微观粒子的规律性；
B．经典力学适用于宏观物体的低速运动问题，不适用于高速运动的物体；
C．相对论与量子力学的出现，说明经典力学已失去意义；
D．对于宏观物体的高速运动问题，经典力学仍适用。
B
典型例题
例3.下列说法正确的是（　　）
A．相对论和量子力学的出现彻底否认了经典力学
B．经典力学适用于宏观低速物体，也适用于微观高速物体
C．开普勒的三大定律揭示了行星运动的规律，其中的第三定律只适用于椭圆轨道而不适用于圆形轨道
D．卡文迪许通过“美丽”的扭秤实验测出了万有引力常量的值，使得牛顿的万有引力定律能够定量解决更多的问题
D
1.牛顿力学适用于低速物体运动，不适用于高速运动。
2.牛顿力学适用于宏观物体，不适用于微观物体。
3.高速物体的运动使用狭义相对论。
4.微观物体的运动使用量子力学。
课堂小结
5.爱因斯坦的两个假设
相对性原理：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的；光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。
时间延缓效应、长度收缩效应
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