7.5相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性課件-高一下學(xué)期物理人教版

第5節(jié)相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性第七章萬(wàn)有引力與宇宙航行設(shè)想人類可以利用飛船以0.2c的速度進(jìn)行星際航行。若飛船向正前方的某一星球發(fā)射一束激光，根據(jù)v光船=v光+v船該星球上的觀察者測(cè)量到的激光的速度是否為1.2c，事實(shí)是這樣嗎？然而，事實(shí)并非如此。1.了解相對(duì)論時(shí)空觀，知道時(shí)間延緩效應(yīng)和長(zhǎng)度收縮效應(yīng)。2.認(rèn)識(shí)牛頓力學(xué)的成就、適用范圍及局限性。3.了解科學(xué)理論的相對(duì)性，體會(huì)科學(xué)理論是不斷發(fā)展和完善的。知識(shí)點(diǎn)一：牛頓力學(xué)時(shí)空觀在牛頓力學(xué)時(shí)空觀里，時(shí)間像一條看不見的“長(zhǎng)河”，均勻地自行流逝著，空間像一個(gè)廣闊無(wú)邊的房間，它們都不影響物體及其運(yùn)動(dòng)。所以不管選什么參考系，不管物體怎么運(yùn)動(dòng)，物體的時(shí)間、長(zhǎng)度、質(zhì)量等等的測(cè)量結(jié)果肯定是一樣的。時(shí)間與空間都是獨(dú)立于物體及其運(yùn)動(dòng)而存在的。這種絕對(duì)時(shí)空觀，也叫牛頓力學(xué)時(shí)空觀。若河中的水以相對(duì)于岸的速度v水岸流動(dòng)，河中的船以相對(duì)于水的速度v船水順流而下，則船相對(duì)于岸的速度為v船岸＝v船水＋v水岸前面問(wèn)題的答案似乎應(yīng)為1.2c，然而，事實(shí)并非如此！因?yàn)榻?jīng)典力學(xué)不再適用。經(jīng)典力學(xué)只適用于解決低速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，不能用來(lái)處理高速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，要解決這一問(wèn)題就需要用到相對(duì)論時(shí)空觀。知識(shí)點(diǎn)二：相對(duì)論時(shí)空觀19世紀(jì)，英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋根據(jù)電磁場(chǎng)理論預(yù)言了電磁波的存在，并證明電磁波的傳播速度等于光速c。這個(gè)速度是相對(duì)哪個(gè)參考系而言的？麥克斯韋英國(guó)物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家邁克耳孫:波蘭裔美國(guó)藉物理學(xué)家。1887年的邁克耳孫—莫雷實(shí)驗(yàn)以及其他一些實(shí)驗(yàn)表明：在不同的參考系中，光的傳播速度都是一樣的所以證明電磁波的傳播速度等于光速c，無(wú)論對(duì)于哪個(gè)參考系而言都是一樣的。（1）相對(duì)性原理：在不同的慣性參考系中，物理規(guī)律的形式都是相同的；表明在任何慣性系中研究某個(gè)物體的某一運(yùn)動(dòng)過(guò)程，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律形式不變。1、愛因斯坦的兩個(gè)假設(shè)（2）光速不變?cè)恚赫婵罩械墓馑僭诓煌膽T性參考系中大小都是相同的。表明了經(jīng)典時(shí)空觀與相對(duì)論時(shí)空觀的不同。在經(jīng)典物理學(xué)中，如果兩個(gè)事件在一個(gè)參考系中是同時(shí)的，在另一個(gè)參考系中一定也是同時(shí)的。但是，如果按照愛因斯坦的兩個(gè)假設(shè)，結(jié)論還是這樣嗎？2、相對(duì)論時(shí)空觀的內(nèi)容根據(jù)愛因斯坦假設(shè)：真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的，兩個(gè)事件在一個(gè)參考系中是同時(shí)的，在另一個(gè)參考系中不一定也是同時(shí)的。認(rèn)為時(shí)間和空間是相互聯(lián)系、相互影響的，并且與物質(zhì)的存在及運(yùn)動(dòng)有關(guān)。例如：假設(shè)一列火車沿平直軌道飛快地勻速行駛。車廂中央的光源發(fā)出了一個(gè)閃光，閃光照到了車廂的前壁和后壁。（1）車上的觀察者以車廂為參考系，閃光到達(dá)前后兩壁的時(shí)間相同嗎？（2）車下的觀察者來(lái)說(shuō)，以地面為參考系，閃光到達(dá)前后兩壁的時(shí)間相同嗎？對(duì)于車下的觀察者來(lái)說(shuō)，他以地面為參考系，因閃光向前、后傳播的速率對(duì)地面也是相同的，在閃光飛向兩壁的過(guò)程中，車廂向前行進(jìn)了一段距離，所以向前的光傳播的路程長(zhǎng)些。他觀測(cè)到的結(jié)果應(yīng)該是：閃光先到達(dá)后壁，后到達(dá)前壁。因此，這兩個(gè)事件不是同時(shí)發(fā)生的。3、時(shí)間延緩效應(yīng)

如果相當(dāng)于地面以v運(yùn)動(dòng)的慣性參考系上的人觀察到與其一起運(yùn)動(dòng)的物體完成某個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔為Δτ，地面上的人觀察到該物體在同一地點(diǎn)完成這個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔為Δt，則

（1）如果與桿相對(duì)靜止的人測(cè)得桿長(zhǎng)是l0

，沿著桿的方向，以v相對(duì)桿運(yùn)動(dòng)的人測(cè)得桿長(zhǎng)是l，那么兩者之間的關(guān)系是

4、長(zhǎng)度收縮效應(yīng)

（2）（1）式和（2）式表明：運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度（空間距離）和物理過(guò)程的快慢（時(shí)間進(jìn)程）都跟物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。這個(gè)結(jié)論具有革命性的意義，它所反映的時(shí)空觀稱作相對(duì)論時(shí)空觀。愛爾蘭物理學(xué)家佛茲杰拉德提出，物質(zhì)會(huì)在運(yùn)動(dòng)的方向上收縮（縮?。?，這意味著根據(jù)一個(gè)靜止觀察者的觀點(diǎn)，一枚以接近光線運(yùn)行的火箭所表現(xiàn)出的長(zhǎng)度會(huì)比它靜止時(shí)更短，盡管乘坐火箭的人看來(lái)并沒(méi)有什么兩樣。愛因斯坦指出，任何物體以光速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其長(zhǎng)度將會(huì)縮短為零。思考與討論：有一種基本粒子叫μ子，當(dāng)它低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，它的平均壽命是3.0μs，當(dāng)μ子以0.99c的速度飛行時(shí)，若選μ子為參考系，μ子的平均壽命是多少？若以地面為參考系，μ子的平均壽命是多少？【分析】若選μ子為參考系，μ子的平均壽命為t1=3.0μs；若以地面為參考系，μ子的平均壽命為：t2事實(shí)上，到達(dá)地面的μ子，大多產(chǎn)生于距地面8km的高空，科學(xué)家們根據(jù)經(jīng)典理論，可以計(jì)算出每秒到達(dá)地面的μ子個(gè)數(shù)。但這個(gè)理論數(shù)值小于實(shí)際觀察到μ子個(gè)數(shù)。這是為什么呢？原來(lái)，由于時(shí)間延緩效應(yīng)，對(duì)于地面觀察者看來(lái)，μ子的平均壽命，已不是3.0μs了，而是約為21μs，在這段時(shí)間內(nèi)，μ子可以飛行更遠(yuǎn)的距離，更多的μ子都能飛越8km的距離到達(dá)地面。因此，實(shí)際觀察到μ子個(gè)數(shù)多于用牛頓經(jīng)典理論計(jì)算的數(shù)值。知識(shí)點(diǎn)三：牛頓力學(xué)的成就與局限性1、牛頓力學(xué)的成就(1)把天體運(yùn)動(dòng)與地面上物體的運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一起來(lái)。(2)經(jīng)典力學(xué)和以經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的天體力學(xué)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)等。(3)力學(xué)和熱力學(xué)的發(fā)展及其與生產(chǎn)的結(jié)合引發(fā)了第一次工業(yè)革命。(4)由牛頓運(yùn)動(dòng)定律導(dǎo)出的動(dòng)量守恒定律、機(jī)械能守恒定律等是航空航天技術(shù)的理論基礎(chǔ)。2、牛頓力學(xué)的局限性(1)經(jīng)典力學(xué)是從日常機(jī)械運(yùn)動(dòng)中總結(jié)出來(lái)的，超出這個(gè)范圍，經(jīng)典力學(xué)常常就不適用了。(2)絕對(duì)時(shí)空觀：牛頓認(rèn)為，時(shí)間、空間與物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)完全無(wú)關(guān)，時(shí)間與空間也完全無(wú)關(guān)。在微觀世界中（尺度在10-10m以下），由于物質(zhì)的存在和運(yùn)動(dòng)形式（波粒二象性），較宏觀世界，有較大的不同,牛頓力學(xué)也不適用。3、正確理解絕對(duì)時(shí)空觀(1)時(shí)間和空間是分離的，時(shí)間尺度和空間尺度與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)，都是絕對(duì)的。(2)經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀認(rèn)為，時(shí)間就其本質(zhì)而言是永遠(yuǎn)均勻地流逝，與任何其他外界事物無(wú)關(guān)，空間就其本質(zhì)而言與外界任何事物無(wú)關(guān)，它從不運(yùn)動(dòng)，并且永遠(yuǎn)不變。(1)同時(shí)的絕對(duì)性在一個(gè)慣性系中的觀察者在某一時(shí)刻觀測(cè)到兩個(gè)事件，對(duì)另一個(gè)做勻速直線運(yùn)動(dòng)的慣性系中的觀察者來(lái)說(shuō)是同時(shí)發(fā)生的，即同時(shí)性與觀察者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)。(2)時(shí)間間隔的絕對(duì)性任何事件(或物體的運(yùn)動(dòng))所經(jīng)歷的時(shí)間，在不同的參考系中測(cè)量都是相同的，而與參考系(或觀察者)的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。(3)空間距離的絕對(duì)性如果各個(gè)慣性系中用來(lái)測(cè)量長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)相同，那么空間兩點(diǎn)的距離也就有絕對(duì)不變的量值，而與慣性系的選擇(或觀察者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài))無(wú)關(guān)。4、由絕對(duì)時(shí)空觀得到的結(jié)論5、經(jīng)典力學(xué)有它的適用范圍只適用于低速運(yùn)動(dòng)，不適用于高速運(yùn)動(dòng)；只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界；只適用于弱引力情況，不適用于強(qiáng)引力情況。低速和高速的區(qū)別：(1)低速：通常所見物體的運(yùn)動(dòng)，如行駛的汽車、發(fā)射的導(dǎo)彈、人造地球衛(wèi)星及宇宙飛船等物體皆為低速運(yùn)動(dòng)物體。(2)高速：有些微觀粒子在一定條件下其速度可以與光速相接近，這樣的速度稱為高速。1、經(jīng)典力學(xué)只適用于“宏觀世界”，這里的“宏觀世界”是指(

)A．行星、恒星、星系等巨大的物質(zhì)領(lǐng)域B．地球表面上的物質(zhì)世界C．人眼能看到的物質(zhì)世界D．不涉及分子、原子、電子等微觀粒子的物質(zhì)世界D2、一艘太空飛船靜止時(shí)的長(zhǎng)度為30m，他以0.6c（c為光速）的速度沿長(zhǎng)度方向飛行經(jīng)過(guò)地球，下列說(shuō)法正確的是（）A．飛船上的觀測(cè)者測(cè)得該飛船的長(zhǎng)度小于30mB．地球上的觀測(cè)者測(cè)得該飛船的長(zhǎng)度小于30mC．飛船上的觀測(cè)者測(cè)得地球上發(fā)來(lái)的光信號(hào)速度小于cD．地球上的觀測(cè)者測(cè)得飛船上發(fā)來(lái)的光信號(hào)速度小于cB3、關(guān)于經(jīng)典力學(xué)、狹義相對(duì)論和量子力學(xué)，下列說(shuō)法中正確的是(

)A．狹義相對(duì)論和經(jīng)典力學(xué)是相互對(duì)立的、互不相容的兩種理論；B．在物體高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律遵循狹義相對(duì)論，在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體的運(yùn)動(dòng)遵循牛頓運(yùn)動(dòng)定律；C．經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀物體的運(yùn)動(dòng)，量子力學(xué)適用于微觀粒子的運(yùn)動(dòng)；D．不論是宏觀物體，還是微觀粒子，經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué)都是適用的。BC一、牛頓力學(xué)時(shí)空觀時(shí)間與空間都是獨(dú)立于物體及其運(yùn)動(dòng)而