【物理】相對(duì)論時(shí)空觀 課件 2023-2024學(xué)年高一下學(xué)期物理人教版（2019）必修第二冊(cè)

7.5相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性復(fù)習(xí)回顧：1、衛(wèi)星的追及和相遇問題的兩類情況?2、衛(wèi)星變軌的供需關(guān)系？3、衛(wèi)星變軌中的四句口訣（詩）？4、飛船對(duì)接的兩種方案？5、同步衛(wèi)星，近地衛(wèi)星和赤道上物體的速度加速度角速度等關(guān)系？6、什么是連續(xù)群和衛(wèi)星群？自然和自然的法則在黑暗中隱藏；上帝說，讓牛頓去吧！于是一切都被照亮。魔鬼說，讓愛因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動(dòng)定律，萬有引力定律更是樹立了人們對(duì)牛頓物理學(xué)的尊敬。物理學(xué)家楊振寧曾贊頌到：“如果一定要舉出某個(gè)人、某一天作為近代科學(xué)誕生的標(biāo)志，我選牛頓《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》在1687年出版的那一天?！迸ｎD的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》被評(píng)價(jià)為科學(xué)史上最偉大的著作經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展過程一、絕對(duì)時(shí)空觀（牛頓力學(xué)時(shí)空觀）1.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。在牛頓力學(xué)時(shí)空觀里，時(shí)間像一條看不見的“長河”，均勻地自行流逝著，空間像一個(gè)廣闊無邊的房間，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、長度、質(zhì)量等等的測(cè)量結(jié)果肯定是一樣的。所以時(shí)間就是表示一個(gè)變化的過程。1.河水、樹木，這是個(gè)事件還是個(gè)事物？2.河水在流動(dòng)，樹木在生長呢？什么是時(shí)間？事物事件3.如果沒有了時(shí)間，水還流動(dòng)嗎，樹木還在生長嗎？4.要是沒有空間樹木往哪里長，水往哪里流呢？

我們知道，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，該星球上的觀察者測(cè)量到的激光的速度是否為1.2c？v光觀=v光船+v船觀v光船=cv船觀=0.2cv光觀=1.2c事實(shí)并非如此！思考：19世紀(jì)，英國物理學(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？麥克斯韋英國物理學(xué)家、數(shù)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，無論對(duì)于哪個(gè)參考系而言都是一樣的。邁克爾遜:波蘭裔美國藉物理學(xué)家二、相對(duì)論時(shí)空觀在牛頓力學(xué)理論與電磁波理論的矛盾與沖突面前，一此物理學(xué)家仍堅(jiān)持原有理論的基礎(chǔ)觀念，進(jìn)行一些修補(bǔ)的工作，而愛因斯坦、龐加萊等人則主張徹底放棄某些與實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)不符的觀點(diǎn)，如絕對(duì)時(shí)間的概念，提出能夠更好地解釋實(shí)驗(yàn)事實(shí)的假設(shè)。愛因斯坦龐加萊1.相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)（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。（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。2.相對(duì)論時(shí)空觀的內(nèi)容：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)。3.幾個(gè)效應(yīng)（1）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Δt=_____________Δτ1-（1）由于1－<1，所以總有Δt>Δτ，此種情況稱為時(shí)間延緩效應(yīng)。（2）長度收縮效應(yīng)如果與桿相對(duì)靜止的人測(cè)得桿長是l0

，沿著桿的方向，以v相對(duì)桿運(yùn)動(dòng)的人測(cè)得桿長是l，那么兩者之間的關(guān)系是l=l01-（2）由于1－<1，所以總有l(wèi)<l0，此種情況稱為長度收縮效應(yīng)。愛因斯坦指出，任何物體以光速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其長度將會(huì)縮短為零。注意：①沿著運(yùn)動(dòng)方向上的長度變短了，速度越大，變短得越多；②在垂直于運(yùn)動(dòng)方向上長度不變.（3）質(zhì)量增加效應(yīng)m=_____________m01-m0為物體靜止時(shí)的質(zhì)量，m為物體以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量，那么兩者之間的關(guān)系是由于1－<1，所以總有m0<m，此種情況稱為質(zhì)量增加效應(yīng)。

由上面三個(gè)式子可以知道，運(yùn)動(dòng)物體的長度（空間距離）和物理過程的快慢（時(shí)間進(jìn)程）以及物體的質(zhì)量都跟物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。這個(gè)結(jié)論具有革命性的意義，它反映的時(shí)空觀稱作相對(duì)論時(shí)空觀。

相對(duì)論時(shí)空觀的第一次宏觀驗(yàn)證是在1971年進(jìn)行的。當(dāng)時(shí)在地面上將四只銫原子鐘調(diào)整同步，然后把它們分別放在兩架噴氣式飛機(jī)上做環(huán)球飛行，一架向東飛，另一架向西飛。兩架飛機(jī)各繞地球飛行一周后回到地面，與留在地面上的銫原子鐘進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與相對(duì)論的理論預(yù)言符合得很好。根據(jù)狹義相對(duì)論，隨著物體（觀察者所見到的）運(yùn)動(dòng)速度的加快，時(shí)間會(huì)變慢。推測(cè)：向東飛行速度比地面上的大，所以向東飛行時(shí)銫原子鐘的度數(shù)應(yīng)該比地球上的銫原子鐘慢了；而向西飛飛機(jī)的速度和地球自轉(zhuǎn)相抵消，它們的速度比地面上的小，所以向西飛行的銫原子鐘應(yīng)該比地球上的快。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：將銫原子鐘放在飛機(jī)上，沿赤道向東和向西繞地球一周，回到原處后，分別比靜止在地面上的鐘慢59納秒和快273納秒。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)言符合的很好。這是相對(duì)論的第一次宏觀驗(yàn)證。例1.如圖所示，強(qiáng)強(qiáng)乘坐速度為0.9c(c為光速)的宇宙飛船追趕正前方的壯壯，壯壯的飛行速度為0.5c，強(qiáng)強(qiáng)向壯壯發(fā)出一束光進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，則壯壯觀測(cè)到該光束的傳播速度為(

)A．0.4c B．0.5c

C．0.9c

D．1.0c解析：根據(jù)光速不變?cè)?，在一切慣性參考系中測(cè)量到真空中的光速c都一樣，而壯壯所處參考系即為慣性參考系，因此壯壯觀察到的光速為1.0c，選項(xiàng)D正確。D例2.以下哪項(xiàng)屬于愛因斯坦對(duì)相對(duì)論提出的基本假設(shè)(

)

BA.一條沿自身長度方向運(yùn)動(dòng)的桿，其長度總比桿靜止時(shí)的長度小B.在不同的慣性參考系中，物理規(guī)律的形式都是相同的C.真空中的光速在不同的慣性參考系中是不相同的D.相對(duì)論認(rèn)為時(shí)間和空間與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)解析

愛因斯坦對(duì)相對(duì)論提出的兩條基本假設(shè)為：在不同的慣性參考系中，物理規(guī)律的形式都是相同的；真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的，故B正確.

CA.&1&

B.&2&

C.&3&

D.&4&

例4.假設(shè)地面上有一火車以接近光速的速度運(yùn)行，其內(nèi)站立著一個(gè)中等身材的人，站在路旁的人觀察車?yán)锏娜耍^察的結(jié)果是()A.這個(gè)人是一個(gè)矮胖子 B.這個(gè)人是一個(gè)瘦高個(gè)子C.這個(gè)人矮但不胖 D.這個(gè)人瘦但不高解析取路旁的人為慣性系，車上的人相對(duì)于路旁的人高速運(yùn)動(dòng)，根據(jù)長度收縮效應(yīng)，人在運(yùn)動(dòng)方向上將變窄，但在垂直于運(yùn)動(dòng)方向上沒有發(fā)生變化，故選D.D三、牛頓力學(xué)的成就與局限性1.牛頓力學(xué)的成就牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動(dòng)定律，在低速、宏觀、弱引力的廣闊領(lǐng)域，牛頓力學(xué)取得了巨大的成就。牛頓力學(xué)又稱為經(jīng)典力學(xué)。研究方法的代表伽利略的“自然數(shù)學(xué)法”和牛頓的“歸納演繹法”推動(dòng)了物理、數(shù)學(xué)和哲學(xué)的發(fā)展主要成就天體力學(xué)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)等得到了廣泛的應(yīng)用18世紀(jì)60年代，力學(xué)和熱力學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用，引發(fā)了第一次工業(yè)革命動(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.研究方法和主要成就地面上物體運(yùn)動(dòng)天體的運(yùn)動(dòng)攔河筑壩各種機(jī)械投出的籃球

所有這些都服從牛頓力學(xué)的規(guī)律。牛頓力學(xué)在如此廣闊的領(lǐng)域里與實(shí)際相符合，顯示了牛頓運(yùn)動(dòng)定律的正確性和牛頓力學(xué)的魅力。導(dǎo)彈發(fā)射人造衛(wèi)星宇宙飛船隨著物體運(yùn)動(dòng)速度的加快，時(shí)間會(huì)變慢。以接近光速運(yùn)行的火箭的長度會(huì)比它靜止時(shí)更短，盡管乘坐火箭的人看來并沒有什么兩樣。愛因斯坦指出，任何物體以光速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其長度將會(huì)縮短為零。物體的質(zhì)量隨速度的增大而增大

1905年，愛因斯坦提出，物體高速時(shí)（接近光速），物體所占空間（如長度），物理、化學(xué)過程，生命持續(xù)時(shí)間，都與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，時(shí)間與空間都與運(yùn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)了------------狹義相對(duì)論牛頓力學(xué)的局限性從低速到高速適用：低速物體運(yùn)動(dòng)，不適用于高速運(yùn)動(dòng)。高速：雙生子佯謬低速：投出的籃球倫琴湯姆生貝克勒耳第二次革命的導(dǎo)火索，是物理學(xué)史上的三大發(fā)現(xiàn)：倫琴發(fā)現(xiàn)X射線、湯姆生發(fā)現(xiàn)電子、貝克勒耳發(fā)現(xiàn)天然放射線，使物理學(xué)的研究從宏觀領(lǐng)域進(jìn)入了微觀世界。從宏觀到微觀

19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，人們相繼發(fā)現(xiàn)了電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子，發(fā)現(xiàn)它們不僅具有粒子性，而且具有波動(dòng)性，它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不能用經(jīng)典力學(xué)描述。

20世紀(jì)20年代，普朗克建