必修2第五章第二節(jié)：經典時空觀與相對論時空觀ppt課件

1、第二節(jié)：經典時空觀與相對論時空觀廣東翁源第一高級中學廣東翁源第一高級中學物理組：趙書華物理組：趙書華前面幾章介紹了經典力學牛頓力學最基本的內容。前面幾章介紹了經典力學牛頓力學最基本的內容。牛頓力學的基礎就是以牛頓命名的那三條定律，牛頓力學的基礎就是以牛頓命名的那三條定律，這一理論形成于十七世紀，在以后的兩個多世紀里，這一理論形成于十七世紀，在以后的兩個多世紀里，牛頓力學對科學和技術的發(fā)展起了巨大的推動作用，牛頓力學對科學和技術的發(fā)展起了巨大的推動作用，同時自身也得到了很大發(fā)展。同時自身也得到了很大發(fā)展。但是，進入二十世紀，但是，進入二十世紀，物理學研究的領域開始深入到了微觀高速領域，物理學研究

2、的領域開始深入到了微觀高速領域，微觀微觀高速高速如原子、電子粒子，如原子、電子粒子，光、電磁波及粒子衰變，速光、電磁波及粒子衰變，速度為光速或接近光速度為光速或接近光速m1010 sm/8103 空間尺度空間尺度這時人們發(fā)現(xiàn)牛頓力學在這些領域不再適用這時人們發(fā)現(xiàn)牛頓力學在這些領域不再適用物理學的發(fā)展要求對牛頓力學以及某些長期物理學的發(fā)展要求對牛頓力學以及某些長期認為是不言自明的基本觀念作出根本性的變革，認為是不言自明的基本觀念作出根本性的變革， 物理學需要一場革命！物理學需要一場革命！二十世紀初誕生的相對論和量子力學就是這場二十世紀初誕生的相對論和量子力學就是這場從經典物理向近代物理變革的標志

3、從經典物理向近代物理變革的標志本節(jié)介紹相對論的基礎知識本節(jié)介紹相對論的基礎知識. 伽利略相對性原理伽利略相對性原理對于第一個問題，牛頓力學的回答是干脆的：對于第一個問題，牛頓力學的回答是干脆的：第一個問題第一個問題對于不同的參照系，對于不同的參照系，基本力學定律的形式是完全一樣嗎？基本力學定律的形式是完全一樣嗎？對于任何慣性參照系，牛頓定律都成立，對于任何慣性參照系，牛頓定律都成立，這也就是說，對于不同的慣性參照系，這也就是說，對于不同的慣性參照系，力學的基本定律力學的基本定律牛頓定律的形式是一樣的。牛頓定律的形式是一樣的。這一結論稱作伽利略相對性原理或力學相對性原理這一結論稱作伽利略相對性原

4、理或力學相對性原理一、一、 經典力學時空觀經典力學時空觀甲甲 maF 乙乙maF 慣性參照系慣性參照系牛頓定律適用的參照系牛頓定律適用的參照系相對慣性系作勻速直線運動的參照系相對慣性系作勻速直線運動的參照系例例甲甲乙乙vv站臺站臺選擇的參考系不同，對運動的描述就不同：選擇的參考系不同，對運動的描述就不同：例如：讓兩小球從同一高度同時自由下落。例如：讓兩小球從同一高度同時自由下落。符合牛頓運動定律符合牛頓運動定律不符合牛頓運動定律不符合牛頓運動定律慣性系慣性系非慣性系非慣性系第二個問題第二個問題相對于不同的參照系長度和時間相對于不同的參照系長度和時間的測量是一樣的嗎？的測量是一樣的嗎？對于空間和

5、時間測量的問題，對于空間和時間測量的問題，牛頓力學是用絕對空間和絕對時間的概念來回答。牛頓力學是用絕對空間和絕對時間的概念來回答。. 絕對時空觀絕對時空觀所謂絕對空間是指長度的量度與參照系無關；所謂絕對空間是指長度的量度與參照系無關；絕對時間是指時間的量度與參照系無關絕對時間是指時間的量度與參照系無關這就是說，兩點之間的距離，這就是說，兩點之間的距離，無論在那個慣性系中測量都是一樣的；無論在那個慣性系中測量都是一樣的；同樣，前后發(fā)生的兩個事件之間的時間，同樣，前后發(fā)生的兩個事件之間的時間，無論在那個慣性系中測量都是一樣的無論在那個慣性系中測量都是一樣的如果甲測的小球如果甲測的小球下落時間為下落

6、時間為如果乙測的小球如果乙測的小球下落時間為下落時間為tt tt 例例甲甲乙乙vu站臺站臺牛頓本人曾說：牛頓本人曾說：“絕對空間，就其本性而言絕對空間，就其本性而言與外界任何事物無關，而永遠是相同的和不動的與外界任何事物無關，而永遠是相同的和不動的”，“絕對的、真正的和數(shù)學上的時間自己流逝著，絕對的、真正的和數(shù)學上的時間自己流逝著，并由于它的本性而均勻地與任何外界對象無關地流逝著。并由于它的本性而均勻地與任何外界對象無關地流逝著?！卑凑者@種觀點：時間和空間是彼此獨立，按照這種觀點：時間和空間是彼此獨立，互不相關并且獨立于物質和運動之外的，互不相關并且獨立于物質和運動之外的，不受物質和運動的影響

7、。不受物質和運動的影響。 絕對時空觀絕對時空觀根據(jù)絕對時空觀，得出幾個結論根據(jù)絕對時空觀，得出幾個結論p同時絕對性同時絕對性p時間間隔的絕對性時間間隔的絕對性p空間距離的絕對性空間距離的絕對性p質量恒定不變質量恒定不變牛頓的伽利略相對性原理和絕對時空觀牛頓的伽利略相對性原理和絕對時空觀是作為兩個基本假設提出來的，是作為兩個基本假設提出來的，它之所以為人們接受承認它之所以為人們接受承認一方面是牛頓力學在解決力學問題獲得的巨大功；一方面是牛頓力學在解決力學問題獲得的巨大功；另一方面觀察結果與人們的經驗相符。另一方面觀察結果與人們的經驗相符。但是十九世紀中葉，但是十九世紀中葉，人們在研究與物體運動有

8、關的電磁現(xiàn)象時，人們在研究與物體運動有關的電磁現(xiàn)象時，發(fā)現(xiàn)在電磁現(xiàn)象的規(guī)律不符合相對性原理發(fā)現(xiàn)在電磁現(xiàn)象的規(guī)律不符合相對性原理其中最典型的就是光速的問題其中最典型的就是光速的問題這一結論還特別為后來的很多精確的實驗所證實，這一結論還特別為后來的很多精確的實驗所證實，最著名的是最著名的是18871887年邁克爾遜和莫雷所做的實驗。年邁克爾遜和莫雷所做的實驗。它們都明確無誤地證明光速的測量結果與光源和它們都明確無誤地證明光速的測量結果與光源和測量者的相對運動無關，亦即與參照系無關。測量者的相對運動無關，亦即與參照系無關?？梢姽夂碗姶挪ǖ倪\動不服從伽利略相對原理可見光和電磁波的運動不服從伽利略相對原

9、理. .任何參照系中測得的光在真空的任何參照系中測得的光在真空的速率都應該是這一數(shù)值速率都應該是這一數(shù)值1810992 mSc.伽利略相對原理和電磁規(guī)律的矛盾伽利略相對原理和電磁規(guī)律的矛盾促使人們思考下述問題：促使人們思考下述問題：絕對時空觀的觀念是不是需要絕對時空觀的觀念是不是需要修正？修正？困惑困惑 ？這個時候整個物理學界陷入這個時候整個物理學界陷入愛因斯坦愛因斯坦: Einstein: Einstein現(xiàn)代時空的創(chuàng)始人現(xiàn)代時空的創(chuàng)始人2020世紀最偉大的科學家世紀最偉大的科學家 愛因斯坦對這個問題進行愛因斯坦對這個問題進行了深入研究，了深入研究，并在并在19051905年發(fā)表了論文年發(fā)表

10、了論文 論動體的電動力學論動體的電動力學在這篇論文里對上述問題在這篇論文里對上述問題作出了對整個物理學界乃作出了對整個物理學界乃至整個科學界都有變革意至整個科學界都有變革意義的回答義的回答 相對論的時空觀念與人們固有的時空觀念差別很大，很難被普通人所理解。人們都稱贊愛因斯坦偉大，但又常常弄不懂這偉大的內容。這使人們想起英國詩人波譜歌頌牛頓的詩句: 自然界和自然界的規(guī)律隱藏在黑暗中，自然界和自然界的規(guī)律隱藏在黑暗中， 上帝說：上帝說：“讓牛頓去吧，讓牛頓去吧，”于是一切都成為光明。于是一切都成為光明。后人續(xù)寫道后人續(xù)寫道: : 上帝說完多少年之后，上帝說完多少年之后， 魔鬼說：魔鬼說：“讓愛因斯

11、坦去吧，讓愛因斯坦去吧，”于是一切又回到黑暗中。于是一切又回到黑暗中。在這篇論文中，愛因斯坦提出了兩個假設在這篇論文中，愛因斯坦提出了兩個假設并在這兩個假設的基礎上構筑了狹義相對論力學并在這兩個假設的基礎上構筑了狹義相對論力學二、狹義相對論時空觀二、狹義相對論時空觀 . . 愛因斯坦假設愛因斯坦假設 愛因斯坦相對性原理愛因斯坦相對性原理物理學定律在所有的慣性系中都是一樣的，物理學定律在所有的慣性系中都是一樣的，也就是說，物理學定律與慣性系的選擇無關也就是說，物理學定律與慣性系的選擇無關愛因斯坦相對性原理和牛頓相對性原理比較，愛因斯坦相對性原理和牛頓相對性原理比較，前者是后者的推廣前者是后者的推

12、廣這就使得相對性原理不僅適用于力學現(xiàn)象，這就使得相對性原理不僅適用于力學現(xiàn)象，而且適用于所有物理現(xiàn)象，包括電磁現(xiàn)象在內。而且適用于所有物理現(xiàn)象，包括電磁現(xiàn)象在內。 光速不變原理光速不變原理在任何慣性系中，在任何慣性系中，自由空間真空中的光速具有相同的量值自由空間真空中的光速具有相同的量值也就是說，不管光源與觀察者的相對運動如何，也就是說，不管光源與觀察者的相對運動如何，在任一慣性系中的觀察者所觀測到的真空中的在任一慣性系中的觀察者所觀測到的真空中的光速都是相等的，光速都是相等的，就是在看來如此簡單且最一般的兩個假設的基礎上就是在看來如此簡單且最一般的兩個假設的基礎上愛因斯坦建立了一套完整的理論

13、愛因斯坦建立了一套完整的理論狹義相對論狹義相對論 愛因斯坦相對性原理愛因斯坦相對性原理物理學定律在所有的慣物理學定律在所有的慣性系中都是一樣的，也性系中都是一樣的，也就是說，物理學定律與就是說，物理學定律與慣性系的選擇無關慣性系的選擇無關光速不變原理光速不變原理在任何慣性系中，自由在任何慣性系中，自由空間真空中的光速空間真空中的光速具有相同的量值具有相同的量值 Einstein Einstein 的相對性理論的相對性理論 是是 Newton Newton理論的發(fā)展理論的發(fā)展討論討論一切物一切物理規(guī)律理規(guī)律力學力學規(guī)律規(guī)律 觀念上的變革觀念上的變革革命性革命性( (相對性相對性) )光速光速同時

14、同時時間與空間時間與空間質量質量經典時空觀經典時空觀狹義相對論時空觀狹義相對論時空觀相對的相對的絕對的不變）絕對的不變）絕對的絕對的與運動無關，絕對的與運動無關，絕對的與運動無關，不變的與運動無關，不變的相對的相對的與運動有關，相對的與運動有關，相對的隨速度增加而增大隨速度增加而增大 、 狹義相對論時空觀狹義相對論時空觀設想一列火車以速度設想一列火車以速度v v勻速向右運動，火車中勻速向右運動，火車中央有一信號燈，在經過地面央有一信號燈，在經過地面O O點時發(fā)出一光信點時發(fā)出一光信號號. . 1) 1) 沿兩慣性系相對運動方向發(fā)生的兩個事件，沿兩慣性系相對運動方向發(fā)生的兩個事件，在其中一個慣性

15、系中表現(xiàn)同時，在另一慣性系中觀在其中一個慣性系中表現(xiàn)同時，在另一慣性系中觀察總是在前一慣性系運動的后方那一事件先發(fā)生。察總是在前一慣性系運動的后方那一事件先發(fā)生。 2) 2) 對不同參考系，同樣兩事件之間的時間間隔是不同的。對不同參考系，同樣兩事件之間的時間間隔是不同的。 結論結論即：時間量度是相對的，并且與相對運動速度有關。即：時間量度是相對的，并且與相對運動速度有關。 S S相對相對S S 系的速度越大，在系的速度越大，在S S系測兩事件的時間間隔系測兩事件的時間間隔就越長。就越長。時間延緩動鐘變慢）時間延緩動鐘變慢） 愛因斯坦曾經言，愛因斯坦曾經言，兩個校準好的鐘，當一兩個校準好的鐘，當

16、一個沿閉合路線運動返回個沿閉合路線運動返回原地時，它記錄的時間原地時，它記錄的時間比原地不動的鐘會慢一比原地不動的鐘會慢一些。這已被高精度的銫些。這已被高精度的銫原子鐘超音速環(huán)球飛行原子鐘超音速環(huán)球飛行實驗所證實。實驗所證實。相對論預言 慢 ( 184 23 ) 10 - 9 s實 測 慢 ( 203 10 ) 10 - 9 s221cutt DD雙生子佯謬運動的時鐘變慢了，但運動是相對的，假設將會得出附：S SO O X X YYA B O O S SX XY Y u1xl 特別注意：特別注意：長度縮短效應只發(fā)生在相對運動的方向上長度縮短效應只發(fā)生在相對運動的方向上如上例中的如上例中的 X

17、X 軸方向上，軸方向上，在在Y Y 軸方向上無長度縮短效應軸方向上無長度縮短效應動尺變短空間收縮效應）動尺變短空間收縮效應）斐克小伙劍術精，斐克小伙劍術精，出刺迅捷如流星，出刺迅捷如流星，由于空間收縮性，由于空間收縮性，長劍變成小鐵釘長劍變成小鐵釘. .檢測題檢測題 有關科學家和涉及的事實，正確的說有關科學家和涉及的事實，正確的說法是法是 A哥白尼創(chuàng)立了日心說哥白尼創(chuàng)立了日心說 B伽利略發(fā)現(xiàn)了行星運動規(guī)律伽利略發(fā)現(xiàn)了行星運動規(guī)律 C. 惠更斯解決了彈性碰撞問題惠更斯解決了彈性碰撞問題 D愛因斯坦提出了量子論愛因斯坦提出了量子論檢測題 一列火車以速度一列火車以速度v相對地面運動如果地面相對地面運

18、動如果地面上的人測得，某光源發(fā)出的閃光同時到達車上的人測得，某光源發(fā)出的閃光同時到達車廂的前壁和后壁，以下說法中正確的是廂的前壁和后壁，以下說法中正確的是 A火車上的人測得，閃光先到達前壁火車上的人測得，閃光先到達前壁B火車上的人測得，閃光先到達后壁火車上的人測得，閃光先到達后壁C火車上的人測得，閃光同時到達車廂火車上的人測得，閃光同時到達車廂 的的前壁前壁 和后壁和后壁D條件不足，無法確定條件不足，無法確定檢測題p 有三個完全相同的時鐘，時鐘有三個完全相同的時鐘，時鐘A放在地面上，時放在地面上，時鐘鐘B、C分別放在兩個火箭上，以速度分別放在兩個火箭上，以速度vB和和vC朝朝同一方向飛行，同一方向飛行，vBvC 對于地面上的觀察者對于地面上的觀察者來說，則以下說法中正確的是來說，則以下說法中正確的是p A時鐘時鐘