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第5节 相对论时空观与牛顿力学的局限性
第7章
目 录
CONTENTS
相对论时空观
01
牛顿力学的成就与局限性
02
01
相对论时空观
爱丁顿通过实验首次验证了广义相对论。
爱因斯坦创立了相对论，阐述了物体以接近光速运动所遵循的规律，得出了一些不同于经典力学的观念和结论。
导学探究
地球绕太阳公转的速度是3×104 m/s，设在美国伊利诺斯州费米实验室的圆形粒子加速器可以把电子加速到0.999 999 999 987倍光速的速度，请思考：
(1)在狭义相对论中，地球的公转速度属于低速还是高速？被加速器加速后的电子的速度属于低速还是高速？
　地球的公转速度属于低速，被加速器加速后的电子的速度属于高速。
(2)在地面上校准的两只钟，一只留在地面上，一只随宇宙飞船遨游太空，隔一段时间飞船返回地面时，两只钟显示的时间相同吗？有什么差别？
　不相同。随飞船旅行的时钟变慢。
（1）相对性原理：不同惯性参考系，物理规律相同
（2）光速不变原理：任何惯性系，光速不变
1、两条基本假设：
导学探究
如图，如果两个事件在一个参考系中是同时的，在另一个参考系中也是同时的吗？
火车上的观察者观测到：闪光会同时到达前后两壁。
地面上的观察者观测到：闪光会先到到后壁，后到达前壁。
狭义相对论认为：同时是相对的。
（1）相对时间
狭义相对论认为时间不是绝对的（即固定不变的）。
——动时钟变慢
如何理解时间延缓效应
2、狭义相对论结论：
高速运动的惯性系中发生的物理过程，所经历的时间比在这个惯性系中直接观察到的时间长。惯性系的速度越大，我们观察到的过程所经历的时间就越长。
列车参考系：
{BDBED569-4797-4DF1-A0F4-6AAB3CD982D8}事件
位置
时刻
经历时间
发出一束光
A点
????1′
?????′=????2′?????1′
接收一束光
A点
????2′
{BDBED569-4797-4DF1-A0F4-6AAB3CD982D8}事件
位置
时刻
经历时间
发出一束光
A点
接收一束光
A点
时钟延缓
?????′=2????????
?
c是真空中的光速
{BDBED569-4797-4DF1-A0F4-6AAB3CD982D8}事件
位置
时刻
经历时间
发出一束光
A点
????1
?????=????2?????1
接收一束光
B点
????2
{BDBED569-4797-4DF1-A0F4-6AAB3CD982D8}事件
位置
时刻
经历时间
发出一束光
A点
接收一束光
B点
地面参考系：
时钟延缓
(12?????????)2=????2+(12?????????)2
?
?????=2????/????1?????2????2
?
时间延缓效应： ，
?????′为相对地面以速度v运动的惯性参考系上的人测定的时间， ?t为地面上的人测定的时间， ?t > ?????′
?
?????=?????′1?????2????2
?
由于 ，总有△t > ?t′，此种情况称为时间延缓效应
——动长度变短
（2）相对长度
2、狭义相对论结论：
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
地面参考系：
{BDBED569-4797-4DF1-A0F4-6AAB3CD982D8}事件
位置
时刻
经历时间
杆右端B’经过地面A点
地面A点
????1
?????=????2?????1
杆左端A’经过地面A点
地面A点
????2
{BDBED569-4797-4DF1-A0F4-6AAB3CD982D8}事件
位置
时刻
经历时间
杆右端B’经过地面A点
地面A点
杆左端A’经过地面A点
地面A点
长度收缩效应
列车参考系：
{BDBED569-4797-4DF1-A0F4-6AAB3CD982D8}事件
位置
时刻
经历时间
A经过列车B’点
列车B’点
????1′
?????′=????2′?????1′
A经过列车A’点
列车A’点
????2′
{BDBED569-4797-4DF1-A0F4-6AAB3CD982D8}事件
位置
时刻
经历时间
A经过列车B’点
列车B’点
A经过列车A’点
列车A’点
长度收缩效应
1.设某人在速度为0.5c的飞船上打开一个光源，(c为真空中传播的光速)则下列说法正确的是
A.飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为1.5c
B.飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为0.5c
C.在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是
D.在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c
√
根据爱因斯坦的光速不变原理可知，即光在真空中沿任何方向传播速度都是c，则观察者在地面上任何地方和在飞船中观测光的速度均为c，故选D。
2. 假设地面上有一火车以接近光速的速度运行，其内站立着一个中等身材的人，站在路旁的人观察车里的人，观察的结果是
A.这个人是一个矮胖子
B.这个人是一个瘦高个子
C.这个人矮但不胖
D.这个人瘦但不高
√
取路旁的人为惯性参考系，车上的人相对于路旁的人高速运动，根据长度收缩效应，人在运动方向上将变窄，但在垂直于运动方向上没有发生变化，故选D。
3.话说有兄弟两个，哥哥乘坐宇宙飞船以接近光速的速度离开地球去遨游太空，经过一段时间返回地球，哥哥惊奇地发现弟弟比自己要苍老许多，则该现象的科学解释是
A.哥哥在太空中发生了基因突变，停止生长了
B.弟弟思念哥哥而加速生长
C.由相对论可知，物体速度越大，其时间进程越慢，生理进程也越慢
D.这是神话，科学无法解释
√
正确。
02
牛顿力学的成就与局限性
牛顿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，是人类认识史上的第一次重大飞跃。
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应用，并取得了巨大成就。
1. 牛顿力学的成就
像一切科学一样，它没有也不会穷尽一切真理，它也有自己的局限性．它像一切科学理论一样，是一部“未完成的交响曲”．
（1）只适用于物体的低速运动
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。
（2）只适用于宏观世界，不适用于微观世界
19世纪末到20世纪初，人们相继发现了电子、质子、中子等微观粒子，发现它们不仅具有粒子性，面且具有波动性，它们的运动规律不能用经典力学描述。 20世纪20年代，建立了量子力学，它能够正确地描述微观粒子运动的规律性。
2. 牛顿力学的成就与局限性
（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。
思考：相对论和量子力学的出现，是否表示经典力学失去了意义?
【答案】对于高速运动（速度接近真空中的光速），需要应用爱因斯坦的狭义相对论。当物体的运动速度远小于真空中的光速时，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别。
对于微观世界，需要应用量子力学。当普朗克常数可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别。
黑 洞
引力波
(1)相对论和量子力学的出现，说明经典力学已失去意义。(　　)
(2)原子中电子的运动能用经典力学进行解释。(　　)
(3)空气中灰尘的运动能用经典力学进行解释。(　　)
(4)牛顿力学只适用于世界上普通的物体，研究天体的运动牛顿力学就无能为力了。(　　)
(5)洲际导弹的速度可达到6 000 m/s，在这种高速运动状态下，牛顿力学不适用。(　　)
(6)对于质子、电子的运动情况，牛顿力学同样适用。(　　)
×
×
√
×
×
×
1.判断正误
2. (2022·绵阳市高一期末)关于牛顿力学理论，下述说法中正确的是
A.牛顿力学适用于宏观、低速、弱引力场
B.相对论和量子力学证明了牛顿力学是错误和过时的
C.牛顿力学认为时空是相对的
D.牛顿力学可以预言各种尺度下的运动
√
3.下列运动中，不能用牛顿力学规律描述的是
A.子弹的飞行
B.粒子接近光速运动
C.“复兴号”动车从广州向北京奔驰
D.神舟十三号飞船绕地球运动
√
牛顿力学规律只适用宏观低速物体，不适用微观高速粒子的运动，则不能用牛顿力学规律描述的是粒子接近光速运动。故选B。
4.（多选题）以下说法正确的是
A.经典物理学家认为如果两个事件在一个参考系中是同时的，在另一个
参考系中也是同时的
B.对于宏观物体的低速运动问题，量子力学与牛顿力学的结论是一致的
C.牛顿力学不仅适用于宏观物体的低速运动，也适用于微观粒子的高速
运动
D.相对论与量子力学否定了牛顿力学理论
√
√
课堂小结
相对论时空观与
牛顿力学的局限性
相对论
时空观
牛顿力学的
成就与局限性
光速不变原理：c=3×108米/秒
相对性原理：时间和空间都是相对的
经典力学适用于低速宏观运动
不适用于高速微观运动
科学是不断发展和完善的
时间延缓效应：
长度收缩效应：

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