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(共23张PPT)
7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性
人教版（2019）物理（必修第二册）
第七章 万有引力与宇宙航行
老师： 授课时间：
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？
v船岸=v船水+v水岸
V水=5m/s
V船=5m/s
因此，前面问题的答案似乎应为1.2c。
然而，事实并非如此。
一、牛顿力学的经典时空观
描述一个物体的运动必须选择一个参考系，然后研究这一物体相对于参考系是如何运动的。
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。而绿球受到的合外力不为零。所以绿球相对于红球这个参考系而言，并不符合牛顿运动定律。
惯性参考系——牛顿运动定律成立的参考系
非惯性参考系——牛顿运动定律不成立的参考系
1、惯性系与非惯性系
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。
一、牛顿力学的经典时空观
表述1：对于所有的惯性系，力学规律都是相同的。
2、伽利略的相对性原理
表述2：在一个惯性参考系内进行的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直线运动。
表述3：一切惯性系都是等价的。
一、牛顿力学的经典时空观
绝对的真实的数学时间，就其本质而言，是永远均匀地流逝，与任何外界无关，绝对空间就其本质而言是与任何外界事物无关的，它从不运动，并且永远不变，这就是经典力学的时空观。也称绝对时空观。
绝对时空观：
牛顿：“如果说我看得远，那是因为我站在巨人们的肩上。”
二、相对论时空观
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？
1.牛顿力学与电磁理论的冲突
麦克斯韦（1831—1879）
二、相对论时空观
1887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样的！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！
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修补工作，解释实验现象。
阿尔伯特·迈克尔逊（1852—1931）
但都没有成功！
迈克尔—逊莫雷实验
以爱因斯坦和庞加莱为代表的另一批物理学家，坚决主张彻底放弃某些与实验事实不相符的观念，如绝对时间的观念，在实验事实的基础上，大胆提出，能够更好地解释实验现象的假设。
儒勒·庞加莱（法）
（1854-1912）
二、相对论时空观
新思想代表人物
二、相对论时空观
相对论的时空观念与人们固有的时空观念差别很大，很难被普通人所理解。人们都称赞爱因斯坦伟大，但又常常弄不懂这伟大的内容。这使人们想起英国诗人波谱的诗句:
自然和自然的法则在黑暗中隐藏；上帝说，让牛顿去吧！于是一切都被照亮。魔鬼说，让爱因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。
世人的疑惑
二、相对论时空观
同时性是相对的
车上的观察者:闪光同时到达车厢的前后两壁（图甲）
地面上的观察者:闪光先到达车厢后壁，后到达前壁（图乙）
同时的相对性
二、相对论时空观
如果有一根杆，与杆相对静止的人测得杆长是l0，沿着杆的方向，以速度v相对杆运动的人测得杆长是l，那么l0与l两者之间的关系是：
由此可见，空间距离也不再是绝对的，而是相对的，这种情况被称为长度收缩效应。
长度收缩效应
二、相对论时空观
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。
相对论的时空观
二、相对论时空观
相对论时空观的第一次验证
将铯原子钟放在飞机上，沿赤道向东和向西绕地球一周，回到原处后，分别比静止在地面上的钟慢59纳秒和快273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。
1971年铯原子钟实验
三、牛顿力学的成就与局限性
经典力学的建立过程
伽利略、第谷
哥白尼、亚里士多德
笛卡尔、胡克、哈雷等
经典力学金字塔的建立
开普勒
牛顿
经典力学的发展过程
杨振宁曾赞颂到：“如果一定要举出某个人、某一天作为近代科学诞生的标志，我选牛顿《自然哲学的数学原理》在1687年出版的那一天。”
三、牛顿力学的成就与局限性
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飞船.....
所有这些都符合牛顿力学的规律。牛顿力学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和无限魅力。
三、牛顿力学的成就与局限性
时间均匀地自行流逝，空间像广阔无边的舞台，时间和空间彼此独立、互不关联，都不影响物质及其运动。时间和空间独立与物体及其运动而存在的。这是绝对时空观，也叫牛顿力学时空观。
牛顿力学时空观
爱因斯坦时空观
相对时空观中，时间和空间被联系在一起，它们互相联系又互相制约，物质的运动对时间和空间有一定的影响。爱因斯坦还把时间看作第四维，与三维的空间一起组成了四维时空。
三、牛顿力学的成就与局限性
1. 实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合。
2. 确定了自然科学应有的基本特征。
3. 将“实验和数学”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。
19世纪末-20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粒子性，同时还具有波动性，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。
牛顿力学的成就
三、牛顿力学的成就与局限性
在微观世界中（尺度在10-10m以下），由于物质的存在和运动形式（波粒二象性），较宏观世界，有较大的不同,牛顿力学也不适用。
1.只适用于低速运动，不适用于高速运动；
2.只适用于宏观世界，不适用于微观世界；
3.只适用于弱引力情况，不适用于强引力情况。
牛顿力学的局限性
课堂小结
课堂练习
1.(牛顿力学的局限性)关于牛顿力学的适用范围,下列说法正确的是(　　)
A.宏观高速问题
B.微观低速问题
C.宏观低速问题
D.微观高速问题
答案:C
解析:牛顿力学局限于运动速率远小于真空中光速的宏观物体,对高速运动的物体和微观粒子不适用,所以只有C正确。
课堂练习
2.(长度收缩效应的理解)一艘太空飞船静止时的长度为30 m,他以0.6c(c为光速)的速度沿长度方向飞行越过地球,下列说法正确的是(　　)
A.飞船上的观测者测得该飞船的长度小于30 m
B.地球上的观测者测得该飞船的长度小于30 m
C.飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度小于c
D.地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度小于c
答案:B
知光信号的速度都等于c,C、D错误。
课堂练习
3.(时间延缓效应的应用)近地卫星以7.9 km/s的最大运行速度环绕地球匀速运行。其上安装的一只完好的手表走过了1 min,地面上的人认为这只表走过这1 min“实际”上花了多少时间
答案:(1+3.47×10-10) min
解析:卫星上测到的时间Δτ=1 min,卫星运行的速度v=7.9×103 m/s,由相对论原理知,地面上的人观测到的时间为
说明,即使对于人造卫星这样的速度,相对论效应也是微不足道的。
多谢欣赏！

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