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5 相对论时空观与牛顿力学的局限性
第七章 万有引力与宇宙航行
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在19世纪和20世纪之交，许多人陶醉于经典物理学的巨大成功之中，似乎完善的理论和技术的进步给人们这样种感觉：物理学这座庄严雄伟、动人心弦的美丽殿堂已经建成了。
1900年，英国著名物理学家开尔文踌躇满志地宜告，在已经基本建成的科学大厦中,后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。
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但是，就在这尽善尽美之中，也还是有一点小小的遗憾，用开尔文的话说，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵小小的令人不安的乌云。
这两朵乌云其中一个是迈克尔逊莫雷实验。对迈克尔逊莫雷实验的解释及一系列有关的工作，把人们带人了一个以相对论为标志的全新高速运动世界。
根据爱因斯坦自己的回忆，他从16岁起就开始
思考这样一个问题：“如果我以光速追光波，
将会看到什么 ”这个问题困扰他10年之久。
为什么这个问题难以解决呢？这是因为：如果认为观察者看到的是一个静止不前的电磁振荡，与直觉经验不符；而如果认为看到的是一个以一定速度行进的光，则违反了速度合成法则。
你思考过这个问题吗？你的看法如何？
一、相对论时空观
☆情境导入
1、 在以速度v向前行驶的火车上，小明相对于火车以速度u向前运动，以站在地面上的观察者而言，小明的速度v1应该是多少？如果小明相对于火车以速度u向后运动，以站在地面上的观察者而言，小明的速度v2应该是多少？
☆交流讨论
一、相对论时空观
2、根据同样的原理，由于地球自西向东自转，所以地球上A点和B点观测到的光速应该有何不同？（假设光速为c，AB两点的速度均为v）
A
B
一、相对论时空观
3、了解迈克尔逊莫雷实验，知道光速与我们刚才的推测有何不同？爱因斯坦做了哪些大胆的假设和推测？
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。
爱因斯坦假设 ：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考系中大小都是相同的。
一、相对论时空观
4、根据光速不变的假设，分析以下情景：
在以速度v匀速向前行驶的汽车车顶有一光源，对站在车内与车相对静止的观察者而言，光束从车顶到车底需要多少时间？
一、相对论时空观
4、根据光速不变的假设，分析以下情景：
对站在地面上静止的观察者来说，他观测的光束是什么运动，光束照射到车底需要多少时间？
一、相对论时空观
4、根据光速不变的假设，分析以下情景：
分析两次时间，找到两次时间的关联
一、相对论时空观
时间延缓效应
5、现代高能物理研究常用的粒子加速器中，粒子可以被加速到0.999 8c的高速，这时从加速器中高速运动的粒子的角度观测，原长1 m的管道，沿它运动方向测量仅有约2 cm了。
查阅相关资料，分析其原因。
一、相对论时空观
按照狭义相对论时空观，空间也与运动密切相关，即对某物体空间广延性的观测，与观测者和该物体的相对运动有关。
长度缩短效应
1、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：
2、根据关系式，总有 Δt >Δτ，此种情况称为时间延缓效应。
☆梳理深化
一、相对论时空观
3、长度收缩效应
☆巩固提升
例1、在某地发生两件事，静止位于该地的甲测得时间间隔为4s，若相对甲做匀速直线运动的乙测得时间间隔为5s，则乙相对于甲的运动速度是多少？
解：由题意可知：
△t=5s △τ=4s， 由公式
得：乙相对于甲的运动速度是
一、相对论时空观
练习1、一列火车以速度v相对地面运动。如果地面上的人测得，某光源发出的闪光同时到达车厢的前壁和后壁，以下说法中正确的是（ ）
A．火车上的人测得，闪光先到达前壁
B．火车上的人测得，闪光先到达后壁
C．火车上的人测得，闪光同时到达车厢的前壁和后壁
D．条件不足，无法确定
A
一、相对论时空观
练习2、（多选）如果有一支静止时长30 m的火箭，以光速的二分之一的速度从观察者的身边掠过，以下说法中正确的是 （ ）
A.地面上的观察者测得的火箭长为30 m
B.地面上的观察者测得的火箭长小于30 m
C.地面上的观察者测得的火箭长大于30 m
D.火箭上的观察者测得的火箭长为30 m
BD
一、相对论时空观
从亚里士多德到牛顿到爱因斯坦，人们对自然规律的认识经历了怎样的改变？
二、牛顿力学的成就与局限性
☆情境导入
☆交流讨论
1、根据所学内容想一想，哪些成就得益于牛顿的经典力学理论。
二、牛顿力学的成就与局限性
（1）牛顿运动三定律和万有引力定律把天体的运动与地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。
（2）经典力学的基础，在以后的200多年里几乎统治了物理学的各个领域。
☆交流讨论
1、根据所学内容想一想，哪些成就得益于牛顿的经典力学理论。
二、牛顿力学的成就与局限性
（3）经典力学和以经典力学为基础发展起来的天体力学、材料力学和结构力学等得到了广泛的应用，并取得了巨大的成就。
（4）18世纪60年代，力学和热力学的发展及其与生产的结合，使机器和蒸汽机得以改进和推广，引发了第一次工业革命。
二、牛顿力学的成就与局限性
（5）由牛顿力学定律导出的动量守恒定律、机械能守恒定律等,是航空航天技术的理论基础。火箭、人造地球卫星、航天飞机、宇宙飞船行星探测器等航天器的发射,都是牛顿力学规律的应用范例。
（6）经典力学是最早形成的物理理论,后来的许多理论,包括相对论和量子力学,它们的形成都受到经典力学的影响。
☆交流讨论
1、根据所学内容想一想，哪些成就得益于牛顿的经典力学理论。
2、根据所学内容想一想，牛顿的经典力学理论在哪方面具有局限性。
二、牛顿力学的成就与局限性
（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，以此延伸出了爱因斯坦的相对论。
（2）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。
3、根据所学内容想一想，牛顿的经典力学理论与相对论、量子力学有何关系？在现代社会学习经典力学是否还有意义？
三、牛顿力学的成就与局限性
（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。当物体的运动速度远小于光速 c 时 ，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，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。
二、牛顿力学的成就与局限性
（2）牛顿的方法可称为“归纳-演绎法”。第一个大量运用数学方法系统地整理物理学理论的是牛顿，他的方法与一般演绎法的不同之处在于:演绎的结果必须诉诸实验验证。
伽利略和牛顿的科学方法影响深远，成为后来物理学家的一种朴实的自发倾向,并不断得到发展和完善,逐渐成为一种传统，甚至作为社会科学和哲学的方法论，意义也是很大的。
3、根据所学内容想一想，牛顿的经典力学理论与相对论、量子力学有何关系？在现代社会学习经典力学是否还有意义？
☆梳理深化
二、牛顿力学的成就与局限性
1、牛顿力学的适用条件：低速宏观的物体
2、高速运动的物体：相对论理论
3、微观世界的物体：量子力学理论
4、牛顿力学是相对论和量子力学在某种
条件下的近似理论，对于指导生活有巨大作用。
☆巩固提升
例3.下列说法正确的是（ ）
A.由于相对论、量子论的提出，经典力学己经失去了它的意义
B.经典力学在今天广泛应用，它的正确性无可怀疑，仍可普遍适用
C.在经典力学中，物体的质量随运动状态而改变
D.狭义相对论认为，长度、时间的测量结果都与物体运动状态有关
二、牛顿力学的成就与局限性
D
课堂小结
小结
1
2
3
光速不变原理和时间延缓效应
相对论的其他效应
牛顿力学的成就与局限性
课外拓展-广义相对论
广义相对论（General Relativity） 描写物质间引力相互作用的理论。其基础由A.爱因斯坦于1915年
完成，1916年正式发表。这一理论首次把引
力场解释成时空的弯曲。
广义相对论是一种关于万有引力本质的理论。爱因斯坦曾经一度试图把万有引力定律纳入相对论的框架，几经失败后，他终于认识到，狭义相对论容纳不了万有引力定律。于是，他将狭义相对性原理推广到广义相对性，又利用在局部惯性系中万有引力与惯性力等效的原理，建立了用弯曲时空的黎曼几何描述引力的广义相对论理论。
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