资源简介

(共49张PPT)
第五节
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
目录
素养目标
01
课程导入
02
新课讲解
03
总结归纳
04
课堂练习
05
素养目标
1.通过运动的相对性，知道时空观与参考系的联系；知道牛顿引入绝对时空观的原因
2.通过对相对论的理论基础与相对论时空观的几个推论的了解，知道相对论时空观对人们认识世界的影响。并能知道绝对时空观与相对论时空观的主要区别
3.通过理解教材上的分析过程，知道时间延缓效应和长度收缩效应以及相应的表达式
在科幻电影中，常有这样的情形：以 0.2c 的速度的飞船正在进行星际航行。若飞船向正前方的某一星球发射一束激光，以便测量其间距离，那么该星球上的观察者测量到的激光的速度是多少？
要解决这个问题，我们需要先了解一下不同的时空观……
新课讲解
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。
v水岸
v船水
v水岸
v船岸
v船水
船相对岸边的速度：
温故知新
具体到我们在进行科学研究时，描述一个物体的运动，必须选择一个参考系（参照物），然后研究这一物体相对于参考系是如何运动的。
例如： 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
简单来说：相对于物体做匀速直线运动的参考系都是惯性系，而对于物体做变速运动的参考系为非惯性系。
回到刚才的问题，星球上的观察者测量到的激光的速度是多少？
问题的答案似乎应为 1.2c，然而，事实并非如此！因为经典力学不再适用。经典力学只适用于解决宏观低速运动问题，不能用来处理高速运动或者微观问题，要解决这一问题就需要用到相对论时空观。
相对论时空观
牛顿力学与电磁理论的冲突
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
1887年，美国科学家迈克耳孙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！
迈克耳孙——莫雷实验
迈克尔逊——莫雷实验：如果地球和以太存在相对运动，则两束光返回的时间会有微小差别，但实验中并未发现任何时间差
这样就出现了矛盾：用牛顿经典力学的绝对时空观来看问题的答案似乎应为 1.2 c，然而，用迈克尔孙-莫雷实验却明白无误地说明，答案应该仍然是 c。科学家为此争论不休，直到爱因斯坦提出相对论时空观。
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）
爱因斯坦
相对论的两个基本假设
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。
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。
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！
牛顿力学与电磁理论的冲突
思考讨论：在经典物理学中，如果两个事件在一个参考系中是同时的，在另一个参考系中一定也是同时的。但是，如果按照爱因斯坦的两个假设，结论还是这样吗？
时间和空间是相互联系、相互影响的，并且与物质的存在及运动有关。
相对论时空观的内容
同时的相对性
相对论时空观
假设一列火车沿平直轨道飞快的匀速行驶。车厢中央光源发出闪光，闪光照射到车厢前壁和后壁。
车厢中的观察者以车厢为参考系
车下的观察者以地面为参考系
同时的相对性——车厢中的观察者以车厢为参考系
相对论时空观
车内观察者看到闪光同时传到前后两壁
同时的相对性——车下的观察者以地面为参考系
相对论时空观
车下观察者看到闪光先到达后壁，后到达前壁
同时性是相对的！！
同时的相对性
相对论时空观
假设一列火车沿平直轨道飞快的匀速行驶。车厢中央地板光源发出激光，车厢高度为 d，光速为 c
车厢中的观察者以车厢为参考系
车下的观察者以地面为参考系
激光源
d
同时的相对性——车厢中的观察者以车厢为参考系
相对论时空观
激光源
d
同时的相对性——车下的观察者以地面为参考系
相对论时空观
激光源
d
v
d
激光源
d
v t
同时的相对性——车下的观察者以地面为参考系
相对论时空观
同时的相对性——时间延缓效应
相对论时空观
由于 ，所以总有 Δt >Δτ，此种情况称为时间延缓效应。
（1）
如果相当于地面以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，则
事实上，上述例子中的火车在运动的速度相比于光速，是很小的，由此引起的时间延缓效应不明显，如果火车的运动速度很大，我们就可以在上面放置时钟，那么就会出现这样的现象：
火车上的人看时钟，没有什么异常；
地面的人看时钟，由于时间延缓效应，时钟变慢了。
这样的现象称为动钟变慢
同时的相对性——长度收缩效应
相对论时空观
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
（2）
由于 ，所以总有 l < l0，此种情况称为长度收缩效应。
同样上述例子中的火车，如果火车的运动速度很大，我们就可以在上面放置直尺，那么就会出现这样的现象：
火车上的人看直尺，没有什么异常；
地面的人看直尺，由于长度收缩效应，直尺变短了。
这样的现象称为动尺变短
（1）式和（2）式表明：运动物体的长度（空间距离）和物理过程的快慢（时间进程）都跟物体的运动状态有关。
这个结论具有革命性的意义，它所反映的时空观称作相对论时空观。
爱尔兰物理学家佛兹杰拉德提出，物质会在运动的方向上收缩（缩小），这意味着根据一个静止观察者的观点，一枚以接近光线运行的火箭所表现出的长度会比它静止时更短，尽管乘坐火箭的人看来并没有什么两样。
爱因斯坦指出，任何物体以光速运动时，其长度将会缩短为零。
相对论还有一个重要观点是，物体的质量也会随着速度的增大而变化，我们称为动质变大。这一点在微观粒子的高速运动中尤为显著。
牛顿力学的成就与局限性
1.牛顿力学的成就：
牛顿力学的基础是牛顿运动定律,万有引力定律的建立与应用更是确定了人们对牛顿力学的尊敬.在宏观物体做低速运动的广阔领域，牛顿力学与实际相符合,显示了牛顿运动定律的正确性和牛顿力学的魅力.
2.牛顿力学的局限性:
①微观世界:电子、质子、中子等微观粒子，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。
②牛顿力学只适用于低速运动，不适用于高速运动。
3.相对论和量子力学与牛顿力学的关系：
当物体的运动速度远小于光速c时，相对论物理学与牛顿力学的结论没有区别；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.相对论和量子力学都没有否定牛顿力学,只是认为牛顿力学是在一定条件下的特殊情形.
按照万有引力定律，宇宙中的星系之间存在引力，随着时间的推移，它们有可能会互相靠拢。然而，1929年美国天文学家哈勃发现，银河系以外的大多数星系都在远离我们而去，距离越远，离开的速度越大。这表明，我们所处的宇宙正在膨胀。
宇宙留给人们的思考和疑问深邃而广阔
宇宙的起源与演化
天文学家根据各种恒星的观测和理论研究，弄清楚了恒星演化的整个过程，并认识到恒星的寿命主要取决于它的质量。
几十年来，科学家们一直在寻找黑洞。
2016年2月11日，科学家宣布激光干涉引力波天文台（LIGO）探测到了由黑洞合并产生的一个时间极短的引力波信号，这次探测和后来的探测结果证明了黑洞的存在
恒星的演化
经典例题
1.下列运动，不能用牛顿力学规律描述的是( )
A.子弹的飞行
B.“复兴号”动车的运行
C.粒子以接近光速运动
C
1.答案：C
解析：牛顿力学适用于宏观、低速物体的运动，不适用于高速运动和微观粒子的运动；故子弹的飞行、“复兴号”动车的运行可以用牛顿力学规律描述；粒子以接近光速运动不能用牛顿力学规律描述。故选C。
经典例题
2.关于牛顿力学、相对论和量子力学的说法，正确的是( )
A.牛顿力学仅适用于宏观、低速运动的物体
B.在不同惯性系中物理规律是不同的
C.真空中一艘速度为0.7c的飞船上发出一束光线，则光速为1.7c
D.在速度为0.7c的飞船上观察地面上的物体长度为L，则物体的实际长度比L短
A
经典例题
2.答案：A
解析：A.牛顿力学仅适用于宏观、低速运动的物体，故A正确;
B.在不同惯性系中物理规律是相同的，故B错误;
C.根据光速不变原理可知，真空中一艘速度为0.7c的飞船上发出一束光线，则光速为c，故C错误;
D.在速度为0.7c的飞船上观察地面上的物体长度为L，根据尺缩效应可知，物体的实际长度比L长，故D错误。故选A。
经典例题
3.如图，假设一列火车沿平直轨道飞快地匀速向右行驶。车厢中央的光源发出了一个闪光。下列说法正确的是( )
A.地面上的人看到的光速等于原光速加上火车的速度
B.地面上的人看到的光速等于原光速减去火车的速度
C.地面上的人看到前后两道光速同时到达前后壁
D.火车上的人看到前后两道光速同时到达前后壁
D
经典例题
3.答案：D
解析：ABC.地面上的观察者认为地面是一个惯性系，闪光向前、后传播的速度相对地面也是相同的，地面上的人看到的光速就是原光速。但闪光飞向两壁的过程中，车厢向前行进了一段距离，所以向前的光传播的路程长些，到达前壁的时间也就晚些。故ABC错误；
D.因为车厢是个惯性系，光向前、后传播的速度相同，光源又在车厢的中央，火车上的人看到前后两道闪光会同时到达前、后两壁。故D正确。
故选D。
经典例题
4.下列说法正确的是( )
A.狭义相对论下的时空观是一种绝对时空观
B.牛顿力学取得了巨大成就，适用于一切领域
C.现代物理学的发展说明牛顿力学是错误且毫无意义的
D.狭义相对论的其中一个假设是在不同的惯性参考系中物理规律的形式都是相同的
D
经典例题
4.答案：D
解析：A.经典力学的时空观是一种绝对时空观，经典力学的时空观认为，时间、空间均是绝对的，与物体的运动状态无关，同时也是绝对的，即在一个参考系中同时发生的两个事件，对不同参考系中的观察者来说也是同时发生的，故A错误；B.牛顿力学适用于宏观、低速的物体，故B错误；C.现代物理学的发展说明牛顿力学是正确且十分具有意义的，故C错误；D.狭义相对论的其中一个假设是在不同的惯性参考系中物理规律的形式都是相同的，故D正确。故选D。
经典例题
5.2020年诺贝尔物理学奖授予了三位科学家，其中英国科学家罗杰 彭罗斯发现黑洞的形成是广义相对论的有力预测。根据相对论的观点，下列说法正确的是( )
A.越靠近黑洞，时钟会变得越快
B.光速的测量结果与参考系的运动速度有关
C.同一物体的长度的测量结果与物体相对观测者运动的速度有关
D.若两件事在某观察者看来是同时发生的，则在其他观察者看来也必定是同时发生的
C
经典例题
5.答案：C
解析：A.越靠近黑洞，引力越大，时钟会变慢，A错误；
B.根据光速不变原理可知，光在真空中的速度以任何参考系都是恒定的，B错误；
C.同一物体的长度的测量结果与物体相对观测者运动的速度有关，这就是相对论中的“尺缩效应”，C正确；
D.若两件事在某观察者看来是同时发生的，则在其他观察者看来不一定是同时发生的，D错误。
故选C。
牛顿力学在宏观、低速、弱引力的广阔领域取得了巨大的成功
只适用于低速运动，不适用于高速运动
只适用于宏观世界，不适用于微观世界
只适用于弱引力，不适用于强引力。
相对论时空观
牛顿力学的成就与局限性
（1）时间延缓效应
（2）长度收缩效应
1.如图所示，一列车以接近光速的速度从地面上观察者面前水平驶过。与坐在列车内乘客的观测结果相比，地面上静止的观察者观测车内同一站立的乘客( )
A.体型变瘦
B.体型变胖
C.身高变高
D.身高变矮
A
答案：A
解析：根据相对论尺缩效应可知，在运动方向上，人的宽度要减小，在垂直于运动方向上，人的高度不变：则与坐在列车内乘客的观测结果相比，地面上静止的观察者观测车内同一站立的乘客体型变瘦，身高不变。故选A。
2.在高速行进的火车车厢正中的闪光灯发一次闪光向周围传播，闪光到达车厢后壁时，一只小猫在车厢后端出生，闪光到达车厢前壁时，两只小鸡在车厢前端出生.则( )
A.在火车上的人看来，一只小猫先出生
B.在火车上的人看来，两只小鸡先出生
C.在地面上的人看来，一只小猫先出生
D.在地面上的人看来，两只小鸡先出生
C
答案：C
解析：火车中的人认为，车厢是个惯性系，光向前向后传播的速度相等，光源在车厢中央，闪光同时到达前后两壁，则在火车上的人看来，小猫和小鸡同时出生，故A、B错误；地面上的人认为，地面是一个惯性系，光向前向后传播的速度相等，向前传播的路程长些，到达前壁的时刻晚些，故在地面上的人看来，一只小猫先出生，故C正确，D错误.
3.某考生现在正在完成100分钟的期末物理考试，假设一艘飞船相对该考生以0.3c的速度匀速飞过（c为真空中的光速），则飞船上的观察者根据相对论认为该考生考完这场考试所用时间( )
A.大于100分钟 B.等于100分钟 C.小于100分钟 D.不能确定
A
4.关于牛顿力学与相对论，以下说法正确的是( )
A.中国东风27超高音速导弹的飞行速度可达到3400m/s，牛顿力学不再适用
B.真空中的光速大小在不同的惯性参考系中都是相同的
C.牛顿力学在微观领域物质结构中不适用，因此带电粒子在电场中的运动不满足牛顿运动定律
D.对于地面上静止不动的物体，在不同参考系中测得该物体的长度都是一样的
B
答案：B
解析：A.中国东风27超高音速导弹的运动属于低速宏观的运动，故A错误;
B.根据狭义相对论的光速不变原理，真空中光速在不同的惯性参考系中是相同的，故B正确;
C.狭义相对论即适用于高速运动的物体，也适用于低速运动的物体，经典力学是狭义相对论在低速( )条件下的近似，理想状态下，带电粒子在电场中的运动也可以使用牛顿运动定律，故C错误;
D.根据尺缩效应，相对论时空观认为运动的尺子会变短，如果物体在地面上静止不动，在相对于地面运动的参考系里面测出物体的长度和在地面上测出物体的长度是不一样的，故D错误。

展开更多......

收起↑