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(共38张PPT)
相对论时空观与牛顿力学的局限性
至少需要接收几颗卫星的信号才能准确定位？
北斗卫星导航系统
1 爱因斯坦狭义相对论的基本假设
知道爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设。
3 牛顿力学的局限性
知道牛顿力学只适用于低速、宏观物体的运动
学习目标
2 相对论时空观
知道同时的相对性和长度、时间间隔相对性的表达式
时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的。
绝对时空观
“绝对空间，就其本性来说，与任何外在的情况无关，始终保持着相似和不变。”
“绝对的纯粹的数学的时间，就其本身和本性来说，均匀地流逝而与任何外在的情况无关。”
——牛顿 《自然哲学的数学原理》
牛顿
绝对时空观
经典力学中的速度变换关系
!
光在真空中的速度不依赖于参考系。
狭义相对论产生的历史背景
牛顿力学与电磁场理论的冲突
麦克斯韦
反光镜 C
反光镜 B
分光镜 A
观测屏 D
光源 S
迈克尔孙—莫雷实验
狭义相对论产生的历史背景
1887年，迈克尔孙和莫雷在美国克利夫兰用迈克尔逊干涉仪测量两垂直光的光速差值。实验结果证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的！
光速在不同惯性系和不同方
向上都是相同的！
在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的。
狭义相对论的两个假设
真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。
狭义相对论的相对性原理
光速不变原理
光速具有绝对性。问题出现在绝对时空观念上。
史实资料——说明光速不变
九百多年前，有一次非常著名的超新星爆发事件，当时北宋王朝的天文学家做了详细的记载。
据史书称：爆发出现在宋仁宗至和元年（1504年）五月。在开始的二十三天中这颗超新星非常之亮，白天也能在天空上看得到它，随后逐渐变暗，直到嘉佑元年（1056年）三月，才不能为肉眼看见，前后历时二十二个月。这次爆发的残骸就形成了著名的金牛座中的星云,叫做蟹状星云。
蟹状星云
任务一 阅读资料，回答问题
史实资料——说明光速不变
当恒星发生超新星爆发时，它的外围物质向四面八方飞散。有些爆发物会向着地球运动，如图A处，有些则在垂直方向运动，如图B处。
(1) 如果光速服从经典的速度变换关系，试估算A、B处的强光到达地球的时间差。
(2) 将上述结果与史实对比，说明了什么？
地球
超新星
A
B
光年
史实资料——说明光速不变
地球
A
B
超新星
解：(1) 如果光速服从经典的速度变换关系，那么A点向我们发出的光的速度是 ，而B点向我们发来的光的速度大约仍是，这样，由A点发的光到达地球的时间是 ，由B点发的光到达地球的时间是 ，代入 、的数值，得
年。
史实资料——说明光速不变
地球
A
B
超新星
(2) 如(1)所述，
我们至少在25年的时间内都可以看到爆发时产生的强光。然而，历史记载，岁余稍没，一年多就看不见强光了。这就证明光速并不遵从经典的速度变换关系。
相对论时空观——同时的相对性
在车厢参考系系（惯性系）中观察：
系观察，光信号同时到达车厢前后壁。
物理规律：
系
在地面参考系系（惯性系）中观察：
物理规律 形式不变
系
系
在系观察，光信号先到达后壁，后到达前壁
结论：
“同时”是相对的，它决定于选用哪一个参考系。当参考系变化时，同时的事件可能变成不同时。
相对论时空观——同时的相对性
相对论时空观——时间延缓效应
反射板
雷达
相对论时空观——时间延缓效应
甲
乙
在S系中测量发生在S系中的事件，测得的时间为原时。
站在甲的立场：
甲钟
原时
相对论时空观——时间延缓效应
原时
甲钟
站在甲的立场：
乙钟
甲的结论是：乙钟比我的钟慢了。
相对论时空观——时间延缓效应
站在甲的立场：
动时
相对论时空观——时间延缓效应
乙钟
站在乙的立场：
乙钟
原时
甲钟
乙的结论是：甲钟比我的钟慢了。
动时
相对论时空观——时间延缓效应
结论：运动的钟会变慢。
相对论时空观——时间延缓效应
任务二 推导原时与动时的关系
相对论时空观——时间延缓效应
这种情况称为时间延缓效应。
任务二 推导原时与动时的关系
相对论时空观——时间延缓效应
相对论时空观——长度收缩效应
系中测量尺子的长度为，称为静长。
系中测量尺子的长度为，称为动长。
系
系
（沿尺子的方向）
这种情况称为长度收缩效应。
甲
系
乙
系
（沿尺子的方向）
甲
系
（沿尺子的方向）
乙
系
甲看到乙的尺子缩短了。
乙看到甲的尺子缩短了。
相对论时空观——长度收缩效应
站在甲的立场
站在乙的立场
相对论时空观的验证
从东向西飞行
从西向东飞行
比静止在地面上的钟快了273纳秒左右
比静止在地面上的钟慢了59纳秒左右
实验结果与相对论的理论预言符合得很好。
宇宙射线中的粒子跟大气分子碰撞可以产生一种新的粒子叫 子， 子以甚至更高的速度飞行。根据经典理论可计算出每秒到达地球的 子数，但这个数值小于实际观察到的 子数。
相对论时空观的验证
子低速运动时，它的平均寿命是。当 子以的速度飞行时，(1)若选 子为参考系， 子的平均寿命是多少？(2)若以地面为参考系， 子的平均寿命是多少？(3)如何解释地面附近实际观测到的 子数大于经典理论作出的预言？
任务三 应用所学，解释现象
相对论时空观的验证
(2) 若以地面为参考系， 子的平均寿命为
解：(1) 若选 子为参考系， 子的平均寿命为；
任务三 应用所学，解释现象
(3) 由于平均寿命增加，飞行的距离也变大了，所以在地面附近实际
相对论时空观的验证
观测到的 子的数量就多了。
有传言称，根据相对论时空观，速度越快，时间越慢，如果乘坐宇宙飞船以光速飞行，就实现可以长生不老了。你同意这种说法吗？
这种说法是错误的。飞船内部的时间会正常流逝。
任务四 应用所学，辨别传言
相对论时空观的理解
高铁列车以400km的时速相对地面做匀速直线运动。地面一事件历时10s，在列车参考系测得此事件历时多久？
地面上的事件在地面参考系测量的是原时，
在列车参考系测量得到的时间为动时
相对论时空观的理解
只有当运动速度非常接近光速时，静止者看到运动者的时间延缓效应才会明显。
相对论时空观的理解
时间延缓的比率
速度
5
4
3
2
1
运动物体的速度与时间延缓的关系
牛顿力学的成就与局限性
1. 举例说明，哪些成就得益于牛顿力学理论？
2. 牛顿力学理论的适用条件是什么？
3. 牛顿力学理论与相对论物理学、量子力学有何关系？
低速运动，宏观物体。
拦河筑坝，修建桥梁，发射卫星……
它作为某些条件下的特殊情形，被包含在相对论、量子力学之中。
任务五 阅读教材，回答问题
北斗卫星导航系统
A
B
C
北斗卫星导航系统
受相对论效应的影响，卫星和地面接收机的时间流逝并不同步，需要引入第四颗卫星，用于同步各颗卫星和接收机的时间。
课堂检测
如图所示，某人在地面测量身高为，当她乘坐火箭以的速度匀速离开地面，在火箭里再次测量身高，得到的结果应该是（ ）
>1.65m
<1.65m
=1.65m
不确定
0
(a) 在地面测量
(b) 在火箭上测量
0
C
课堂小结
爱
因
斯
坦
狭
义
相
对
论
基
本
假
设
相对论时空观
狭义相对论的相对性原理
光速不变原理
同时的相对性
长度收缩效应
牛顿力学的局限性
低速
宏观
量子
力学
远小于时的特殊情形
高速
微观
可忽略时的特殊情形
时间延缓效应
课后作业
阅读教材“科学漫步”栏目，了解宇宙的起源与演化，了解恒星的演化。

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