高一物理61高速世界3鲁科版必修2ppt课件

1、2022-1-31第1节：高速世界2022-1-31前面几章引见了经典力学牛顿力学最根本的内容。前面几章引见了经典力学牛顿力学最根本的内容。牛顿力学的根底就是以牛顿命名的那三条定律，牛顿力学的根底就是以牛顿命名的那三条定律，这一实际构成于十七世纪，在以后的两个多世纪里，这一实际构成于十七世纪，在以后的两个多世纪里，牛顿力学对科学和技术的开展起了宏大的推进作用，牛顿力学对科学和技术的开展起了宏大的推进作用，同时本身也得到了很大开展。同时本身也得到了很大开展。但是，进入二十世纪，但是，进入二十世纪，物理学研讨的领域开场深化到了微观高速领域，物理学研讨的领域开场深化到了微观高速领域，微观微观高速高速

2、如原子、电子粒子，如原子、电子粒子，光、电磁涉及粒子衰变，速度光、电磁涉及粒子衰变，速度为光速或接近光速为光速或接近光速m1010 sm/8103 空间尺度空间尺度2022-1-31这时人们发现牛顿力学在这些领域不再适用这时人们发现牛顿力学在这些领域不再适用物理学的开展要求对牛顿力学以及某些长期物理学的开展要求对牛顿力学以及某些长期以为是不言自明的根本观念作出根本性的变革，以为是不言自明的根本观念作出根本性的变革， 物理学需求一场革命！物理学需求一场革命！二十世纪初诞生的相对论和量子力学就是这场二十世纪初诞生的相对论和量子力学就是这场从经典物理向近代物理变革的标志从经典物理向近代物理变革的标志

3、本节引见相对论的根底知识本节引见相对论的根底知识2022-1-31. 伽利略相对性原理伽利略相对性原理对于第一个问题，牛顿力学的回答是干脆的：对于第一个问题，牛顿力学的回答是干脆的：第一个问题第一个问题对于不同的参照系，对于不同的参照系，根本力学定律的方式是完全一样吗？根本力学定律的方式是完全一样吗？对于任何惯性参照系，牛顿定律都成立，对于任何惯性参照系，牛顿定律都成立，这也就是说，对于不同的惯性参照系，这也就是说，对于不同的惯性参照系，力学的根本定律力学的根本定律牛顿定律的方式是一样的。牛顿定律的方式是一样的。这一结论称作伽利略相对性原理或力学相对性原理这一结论称作伽利略相对性原理或力学相对

4、性原理一、一、 经典力学时空观经典力学时空观2022-1-31甲甲 maF 乙乙maF惯性参照系惯性参照系牛顿定律适用的参照系牛顿定律适用的参照系相对惯性系作匀速直线运动的参照系相对惯性系作匀速直线运动的参照系例例甲甲乙乙vv站台站台2022-1-31选择的参考系不同，对运动的描画就不同：选择的参考系不同，对运动的描画就不同：例如：让两小球从同一高度同时自在下落。例如：让两小球从同一高度同时自在下落。符合牛顿运动定律符合牛顿运动定律不符合牛顿运动定律不符合牛顿运动定律惯性系惯性系非惯性系非惯性系2022-1-31第二个问题第二个问题相对于不同的参照系长度和时间的相对于不同的参照系长度和时间的丈

5、量是一样的吗？丈量是一样的吗？对于空间和时间丈量的问题，对于空间和时间丈量的问题，牛顿力学是用绝对空间和绝对时间的概念来回答。牛顿力学是用绝对空间和绝对时间的概念来回答。. 绝对时空观绝对时空观所谓绝对空间是指长度的量度与参照系无关；所谓绝对空间是指长度的量度与参照系无关；绝对时间是指时间的量度与参照系无关绝对时间是指时间的量度与参照系无关这就是说，两点之间的间隔这就是说，两点之间的间隔 ，无论在那个惯性系中丈量都是一样的；无论在那个惯性系中丈量都是一样的；同样，前后发生的两个事件之间的时间，同样，前后发生的两个事件之间的时间，无论在那个惯性系中丈量都是一样的无论在那个惯性系中丈量都是一样的2

6、022-1-31假设甲测的小球假设甲测的小球下落时间为下落时间为假设乙测的小球下假设乙测的小球下落时间为落时间为tt tt 例例甲甲乙乙vu站台站台2022-1-31牛顿本人曾说：牛顿本人曾说：“绝对空间，就其本性而言绝对空间，就其本性而言与外界任何事物无关，而永远是一样的和不动的，与外界任何事物无关，而永远是一样的和不动的，“绝对的、真正的和数学上的时间本人流逝着，绝对的、真正的和数学上的时间本人流逝着，并由于它的本性而均匀地与任何外界对象无关地流逝着。并由于它的本性而均匀地与任何外界对象无关地流逝着。按照这种观念：时间和空间是彼此独立，按照这种观念：时间和空间是彼此独立，互不相关并且独立于

7、物质和运动之外的，互不相关并且独立于物质和运动之外的，不受物质和运动的影响。不受物质和运动的影响。 绝对时空观绝对时空观2022-1-31根据绝对时空观，得出几个结论p 同时绝对性p 时间间隔的绝对性p 空间间隔 的绝对性p 质量恒定不变2022-1-31牛顿的伽利略相对性原理和绝对时空观牛顿的伽利略相对性原理和绝对时空观是作为两个根本假设提出来的，是作为两个根本假设提出来的，它之所以为人们接受成认它之所以为人们接受成认一方面是牛顿力学在处理力学问题获得的宏大功；一方面是牛顿力学在处理力学问题获得的宏大功；另一方面察看结果与人们的阅历相符。另一方面察看结果与人们的阅历相符。但是十九世纪中叶，但

8、是十九世纪中叶，人们在研讨与物体运动有关的电磁景象时，人们在研讨与物体运动有关的电磁景象时，发如今电磁景象的规律不符合相对性原理发如今电磁景象的规律不符合相对性原理其中最典型的就是光速的问题其中最典型的就是光速的问题2022-1-31这一结论还特别为后来的很多准确的实验所证明，这一结论还特别为后来的很多准确的实验所证明，最著名的是最著名的是18871887年迈克尔逊和莫雷所做的实验。年迈克尔逊和莫雷所做的实验。它们都明确无误地证明光速的丈量结果与光源和它们都明确无误地证明光速的丈量结果与光源和丈量者的相对运动无关，亦即与参照系无关。丈量者的相对运动无关，亦即与参照系无关。可见光和电磁波的运动不

9、服从伽利略相对原理可见光和电磁波的运动不服从伽利略相对原理. .任何参照系中测得的光在真空的任何参照系中测得的光在真空的速率都应该是这一数值速率都应该是这一数值1810992 mSc.2022-1-31伽利略相对原理和电磁规律的矛盾伽利略相对原理和电磁规律的矛盾促使人们思索下述问题：促使人们思索下述问题：绝对时空观的观念是不是需求绝对时空观的观念是不是需求修正？修正？困惑困惑 ？这个时候整个物理学界堕入这个时候整个物理学界堕入2022-1-31爱因斯坦爱因斯坦: Einstein: Einstein现代时空的开创人现代时空的开创人2020世纪最伟大的科学家世纪最伟大的科学家 爱因斯坦对这个问题

10、进展爱因斯坦对这个问题进展了深化研讨，了深化研讨，并在并在19051905年发表了论文年发表了论文 在这篇论文里对上述问题在这篇论文里对上述问题作出了对整个物理学界乃作出了对整个物理学界乃至整个科学界都有变革意至整个科学界都有变革意义的回答义的回答2022-1-31 相对论的时空观念与人们固有的时空观念差别很大，很难被普通人所了解。人们都称誉爱因斯坦伟大，但又经常弄不懂这伟大的内容。这使人们想起英国诗人波谱歌颂牛顿的诗句: 自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中， 上帝说：上帝说：“让牛顿去吧，于是一切都成为光明。让牛顿去吧，于是一切都成为光明。后人续写道后人续写道

11、: : 上帝说完多少年之后，上帝说完多少年之后， 魔鬼说：魔鬼说：“让爱因斯坦去吧，于是一切又回到黑暗中。让爱因斯坦去吧，于是一切又回到黑暗中。2022-1-31在这篇论文中，爱因斯坦提出了两个假设在这篇论文中，爱因斯坦提出了两个假设并在这两个假设的根底上构筑了狭义相对论力学并在这两个假设的根底上构筑了狭义相对论力学二、狭义相对论时空观二、狭义相对论时空观 . . 爱因斯坦假设爱因斯坦假设 爱因斯坦相对性原理爱因斯坦相对性原理物理学定律在一切的惯性系中都是一样的，物理学定律在一切的惯性系中都是一样的，也就是说，物理学定律与惯性系的选择无关也就是说，物理学定律与惯性系的选择无关爱因斯坦相对性原理

12、和牛顿相对性原理比较，爱因斯坦相对性原理和牛顿相对性原理比较，前者是后者的推行前者是后者的推行2022-1-31这就使得相对性原理不仅适用于力学景象，这就使得相对性原理不仅适用于力学景象，而且适用于一切物理景象，包括电磁景象在内。而且适用于一切物理景象，包括电磁景象在内。 光速不变原理光速不变原理在任何惯性系中，在任何惯性系中，自在空间真空中的光速具有一样的量值自在空间真空中的光速具有一样的量值也就是说，不论光源与察看者的相对运动如何，也就是说，不论光源与察看者的相对运动如何，在任一惯性系中的察看者所观测到的真空中的在任一惯性系中的察看者所观测到的真空中的光速都是相等的，光速都是相等的，就是在

13、看来如此简单且最普通的两个假设的根底上就是在看来如此简单且最普通的两个假设的根底上爱因斯坦建立了一套完好的实际爱因斯坦建立了一套完好的实际狭义相对论狭义相对论2022-1-31 爱因斯坦相对性原理爱因斯坦相对性原理物理学定律在一切的惯物理学定律在一切的惯性系中都是一样的，也性系中都是一样的，也就是说，物理学定律与就是说，物理学定律与惯性系的选择无关惯性系的选择无关光速不变原理光速不变原理在任何惯性系中，自在在任何惯性系中，自在空间真空中的光速空间真空中的光速具有一样的量值具有一样的量值 Einstein Einstein 的相对性实际的相对性实际 是是 Newton Newton实际的开展实际

14、的开展讨论讨论一切物一切物理规律理规律力学力学规律规律2022-1-31 观念上的变革观念上的变革革命性革命性( (相对性相对性) )光速光速同时同时时间与空间时间与空间质量质量经典时空观经典时空观狭义相对论时空观狭义相对论时空观相对的相对的绝对的不变绝对的不变绝对的绝对的与运动无关，绝对的与运动无关，绝对的与运动无关，不变的与运动无关，不变的相对的相对的与运动有关，相对的与运动有关，相对的随速度添加而增大随速度添加而增大2022-1-31、 狭义相对论时空观狭义相对论时空观想象一列火车以速度想象一列火车以速度v v匀速向右运动，火车中央匀速向右运动，火车中央有一信号灯，在经过地面有一信号灯，

15、在经过地面O O点时发出一光信号点时发出一光信号. .2022-1-312022-1-312022-1-31 1) 1) 沿两惯性系相对运动方向发生的两个事件，沿两惯性系相对运动方向发生的两个事件，在其中一个惯性系中表现同时，在另一惯性系中察在其中一个惯性系中表现同时，在另一惯性系中察看总是在前一惯性系运动的后方那一事件先发生。看总是在前一惯性系运动的后方那一事件先发生。 2) 2) 对不同参考系，同样两事件之间的时间间隔是不同的。对不同参考系，同样两事件之间的时间间隔是不同的。 结论结论即：时间量度是相对的，并且与相对运动速度有关。即：时间量度是相对的，并且与相对运动速度有关。 S S相对相

16、对S S 系的速度越大，在系的速度越大，在S S系测两事件的时间间隔就系测两事件的时间间隔就越长。越长。2022-1-31时间延缓动钟变慢 爱因斯坦曾经言，爱因斯坦曾经言，两个校准好的钟，当一个两个校准好的钟，当一个沿闭合道路运动前往原地沿闭合道路运动前往原地时，它记录的时间比原地时，它记录的时间比原地不动的钟会慢一些。这已不动的钟会慢一些。这已被高精度的铯原子钟超音被高精度的铯原子钟超音速环球飞行实验所证明。速环球飞行实验所证明。相对论预言 慢 ( 184 23 ) 10 - 9 s实 测慢 ( 203 10 ) 10 - 9 s221cutt DD2022-1-31双生子佯谬是一对双生子。

17、 乘高速飞船到太空 和遨游一段 比本人老了，根据运动的相对性 ， 和运动的时钟变慢了，但运动是相对的，都以为对方的钟在运动，这将会导致双方都以为对方的钟变慢了的矛盾结论。这就是时钟佯谬。假设时间后前往地球 ， 发现对方 将会得出也发现 对方比本人老了的矛盾结论。称为双生子佯谬。 实践上这种错误是不会发生的，由于两个时钟或两个双生子的运动形状并不对称 例如， 飞离、前往要阅历加、减速运动过程，其结果一定是 的时钟变慢了， 双生子 一定比 年轻。附：2022-1-31SSO O X X YYA B O O S SX XY Y u1xl 特别留意：特别留意：长度缩短效应只发生在相对运动的方向上长度缩

18、短效应只发生在相对运动的方向上如上例中的如上例中的 X X 轴方向上，轴方向上，在在Y Y 轴方向上无长度缩短效应轴方向上无长度缩短效应动尺变短空间收缩效应斐克小伙剑术精，斐克小伙剑术精，出刺迅捷如流星，出刺迅捷如流星，由于空间收缩性，由于空间收缩性，长剑变成小铁钉长剑变成小铁钉. .2022-1-31检测题l 有关科学家和涉及的现实，正确的说法是 l A哥白尼创建了日心说l B伽利略发现了行星运动规律l C. 惠更斯处理了弹性碰撞问题l D爱因斯坦提出了量子论2022-1-31检测题检测题l 一列火车以速度v相对地面运动假设地面上的人测得，某光源发出的闪光同时到达车厢的前壁和后壁，以下说法中正确的选项是 lA火车上的人测得，闪光先到达前壁lB火车上的人测得，闪光先到达后壁lC火车上的人测得，闪光同时到达车厢 的前壁 和后壁l