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(共21张PPT)
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
活动一：绝对时空观与光速不变实验之间的矛盾
问题1：下图为高速列车行驶时车厢内显示的列车速度，列车上的乘客观察到车厢内的时间、长度与地面上的观察考看到的相同吗？时间和空间都不会因为物体的运动而改变的观念叫什么？
绝对时空观
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。
如果说我看得远，那是因为我站在巨人们的肩上。
问题2.假如测得的光速是1.2C，这与之前我们知道的光速c是自然界最快的速度矛盾吗？
我们知道，如果河水中的河水以相对河岸的速度v水岸流动，河中的船以相对于水的速度v船水顺流而下，则船相对于岸边的速度为
因此，前面问题的答案似乎应为1.2c。然而，事实并非如此。
真空中的光速是宇宙中最快的速度。这里怎么出现了1.2倍的光速呢？显然，在哪里出现了问题！
v船岸=v船水+v水岸
V水=5m/s
V船=5m/s
问题3.电磁波（光） 传播的速度是c。有没有指明这个速度是相对哪个参考系的？如果没有指明，说明了什么？有实验证据吗？
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？
麦克斯韦（1831—1879）
问题4.迈克耳孙一英雷实验的直接结果是什么？这一结果与我们熟悉的速度合成相同吗？
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！
问题5.在力学理论与实验结果有矛盾时，不同的物理学家处理的方法有何差异？
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）
问题6.为了解决上述矛盾，爱因斯坦做了什么？两个假设的内容是什么？
1.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。
2.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。
阿尔伯特·爱因斯坦（1879—1955）
这两个假设看起来平淡无奇，但如果接受了这两个假设的观点，并用它来分析问题，可能会在我们的头脑中引起一场轩然大波！
如图下所示，一列火车以速度v相对于地面高速运动，位于火车正中间的光源，某一时刻发出了一个闪光。
问题1.以火车为参考系，闪光是否同时到达前壁和后壁？
问题2.以地面为参考系，光刚从光源发出时，前壁与后壁离光源是否等距？经过一段时间后，前壁与后壁离光发出时的位置还等距吗？为什么？
问题3.根据光速不变原理，光到达前壁与后壁还同时吗？
问题4.火车内观察者观察到光同时到达前壁和后壁，在地面观察者看来并不同时，你相信这是真的吗？你要否定它，首先需要否定什么？
活动二：同时的相对性
？
活动二：同时的相对性
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）
同时性是相对的
问题5.时间间隔还是与物体运动无关的独立存在吗？
由此可见，时间不再是绝对的，而是相对的，这种情况被称为时间延缓效应。
如果相对地面以v运动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为t0，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为t，两者之间的关系为：
问题6.除了时间观念，你认为空间距离是否也会与物体的运动有关？
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。
问题7.爱因斯坦基于两个假设推导得到的时间间隔 t和杆长l的表达式是怎样的？它们表达了怎样的结果？
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。
问题8.上述表达式有没有得到实验的证明？对于地面观测者来说，子的平均寿命约为多少？
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
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。
活动三：牛顿力学的成就
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。
活动四：牛顿力学的局限性
课堂练习
【练习1】关于牛顿力学和狭义相对论，下列说法正确的是（　　）
A．牛顿力学适用于宏观世界弱引力场中的低速运动
B．牛顿力学适用于分析高速运动的μ子的寿命
C．在狭义相对论中，真空中光速是可变的
D．在狭义相对论中，物体的能量与质量无关
【参考答案】A
课堂练习
【练习2】某星际飞船正在遥远的外太空飞行，假如它的速度可以达到0.7c，在地球上观测到其经过8.76×104 h的时间到达某星球，则在飞船上的人看来，其到达此星球需要的时间是（　　）
A．8.76×104 h B．6.26×104 h
C．12.27×104 h D．16.52×104 h
【参考答案】B
课堂练习
【练习3】1905年到1915年，爱因斯坦先后发表的狭义相对论和广义相对论在20世纪改变了理论物理学和天文学，取代了主要由牛顿创立的有200年历史的力学理论。狭义相对论适用于基本粒子及其相互作用，描述了除引力以外的所有物理现象。广义相对论解释了引力定律及其与其他自然力的关系，适用于宇宙学和天体物理学领域，包括天文学。下列有关相对论的内容，说法正确的是（　　）
A．狭义相对论的两条基本假设是不确定关系与光速不变原理
B．飞船以0.2c的速度航行，若飞船向正前方的某一星球发射激光，则该星球上的观察者测量到的激光速度为1.2c
C．由于相对论的提出，牛顿力学已经失去了它的应用价值
D．已知μ子低速运动时的平均寿命是3.0μs。当它以0.99c的速度飞行，若以地面为参考系，此时μ子的平均寿命变长
【参考答案】D
课堂练习
【练习4】如图所示，位于教室中央的光源发出一个闪光，闪光照到了教室的前壁和后壁。教室的长度为10m。 在平行于教室高速运动的太空飞船上的观察者（　　）
A．测得照到前壁的光速度小于c
B．观测到飞船上的时间进程比教室快
C．测得教室的长度大于10m
D．观察到光先到达后壁
【参考答案】B
课堂练习
【练习5】宇宙飞船以速度v相对地面作匀速直线飞行。某一时刻，飞船头部的宇航员向飞船尾部发出一光讯号，光速为c，经 （飞船上的钟测量） 时间后，被尾部接收器收到。由此可知飞船固有长度为（　　）
A． B．
C． D．
【参考答案】A

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