人教版 (2019)必修 第二册第七章 万有引力与宇宙航行5 相对论时空观与牛顿力学的局限性图文课件ppt

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1．知道什么是绝对时空观和相对论时空观。2．知道爱因斯坦的两个假设。3．知道时间延缓效应和长度收缩效应。4．了解牛顿力学的局限性和适用范围。
设想人类可以利用飞船以0.2c的速度进行星际航行。若飞船向正前方的某一星球发射一束激光，该星球上的观察者测量到的激光的速度是多少？
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。
我们知道，若河中的水以相对于岸的速度 v 水岸流动，河中的船以相对于水的速度 v 船水顺流而下，则船相对于岸的速度为 v 船岸＝ v 船水＋ v 水岸 因此，前面问题的答案似乎应为1.2c。然而，事实并非如此！
19世纪，英国物理学家麦克斯韦根据电磁场理论预言了电磁波的存在，并证明电磁波的传播速度等于光速 c。人们自然要问：这个速度是相对哪个参考系而言的？一些物理学家对这个问题进行了研究。在实验研究中,1887 年的迈克耳孙—莫雷实验以及其他一些实验表明：在不同的参考系中，光的传播速度都是一样的！这与牛顿力学中不同参考系之间的速度变换关系不符。
在牛顿力学理论与电磁波理论的矛盾与冲突面前，一 些物理学家仍坚持原有理论的基础观念，进行一些修补的 工作，而爱因斯坦、庞加莱等人则主张彻底放弃某些与实验和观测不符的观念，如绝对时间的概念，提出能够更好 地解释实验事实的假设。
爱因斯坦假设 ：(1)在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的；(2)真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。
假设一列火车沿平直轨道飞快地匀速行驶。车厢中央 的光源发出了一个闪光，闪光照到了车厢的前壁和后壁。 车上的观察者以车厢为参考系，因为车厢是个惯性系，光 向前、后传播的速率相同，光源又在车厢的中央，闪光当 然会同时到达前后两壁（图 7.5-1 甲）。
在经典物理学家的头脑中，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， 如果接受了爱因斯坦的两个假设，还是这样吗？
对于车下的观察者来说，他以地面为参考系，因闪光 向前、后传播的速率对地面也是相同的，在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。他观测到的结果应该是 ：闪光先到达后壁，后到达前壁（图 7.5-1 乙）。因此，这两个事件不是同时发生的。
在爱因斯坦两个假设的基础上，经过严格的数学推导,可以得到下述结果。
如果相对于地面以 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，那么两者之间的关系是
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
（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。
要验证（1）（2）两式是否正确，首先要找到高速运动的物体。科学家发现 µ 子以 0.99 c 甚至更高的速度飞行。根据经典理论可计算每秒到达地球的 µ 子数，这个数值小于实际观察到的µ子数。观察到的现象与经典理论产生了矛盾。
已知μ子低速运动时的平均寿命是3.0μs。当μ子以0.99c的速度飞行，若选择μ子为参考系，此时μ子的平均寿命是多少？对于地面上的观测者来说，平均寿命又是多少？
设以μ子为参考系时的平均寿命为∆t
设对于地面上的观测者来说，平均寿命∆t0
由于平均寿命增大，飞行的距离也变大，因而在地面附近实际观测到的µ子的数量就大于经典理论作出的预言。
相对论时空观的第一次宏观验证是在 1971 年进行的。 当时在地面上将四只铯原子钟调整同步，然后把它们分别放在两架喷气式飞机上做环球飞行，一架向东飞，另一架 向西飞。两架飞机各绕地球飞行一周后回到地面，与留在地面上的铯原子钟进行比较。实验结果与相对论的理论预言符合得很好。
牛顿力学的成就与局限性
1.经典力学（牛顿力学）的成就(1) 实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合。(2) 确定了自然科学应有的基本特征。(3) 将“实验和数学”相结合的方法推广到物理学的各个分支，形成了完整的经典力学体系。 经典力学在宏观、低速、弱引力的广阔领域；包括天体力学的研究中经受住了实践的检验，取得了巨大的成功。
大到天体运动，小到生活中各种各样的运动，都符合牛顿经典力学，牛顿经典力学覆盖着极广大的范围。
如果一定要某个人、某一天作为近代科学诞生的标志，我选牛顿《自然哲学的数学原理》在1687 年出版的那一天。——杨振宁
像一切科学一样，牛顿力学没有也不会穷尽一切真理，它也有自己的局限性。它像一切科学理论一样，是一部“未完成的交响曲”。
2、经典力学(牛顿力学)的适用范围（1）经典力学只适用于处理物体的低速运动(v≪c)．（2）经典力学不适用于微观领域中能量不连续的运动．（3）经典力学规律只在惯性参考系中成立——经典力学规律只能用于宏观、低速(与光速相比)的情形，且只在惯性参考系中成立．
1、(多选)接近光速飞行的飞船和地球上各有一个相同的铯原子钟，飞船和地球上的人观测这两个钟的快慢，下列说法正确的有(　　)A．飞船上的人观测到飞船上的钟较快B．飞船上的人观测到飞船上的钟较慢C．地球上的人观测到地球上的钟较快D．地球上的人观测到地球上的钟较慢
2、(多选)关于经典力学、狭义相对论和量子力学，下列说法正确的是 (　　)A．狭义相对论和经典力学是相互对立、互不相容的两种理论B．在物体高速运动时，物体的运动规律适用狭义相对论理论，在低速运动时，物体的运动适用牛顿运动定律C．经典力学适用于宏观物体的运动，量子力学适用于微观粒子的运动D．不论是宏观物体，还是微观粒子，经典力学和量子力学都是适用的
3、在静止坐标系中的正立方体边长为l0，另一坐标系以相对速度v平行于正立方体的一边运动.问在后一坐标系中的观察者测得的立方体的体积是多少？