【课件】相对论时空观与经典力学的局限性高一下学期物理人教版（2019）必修第二册+

第五节

经典力学的局限性2023/8/31经典力学体系静力学(描述静止物体)运动学(描述物体运动)动力学(描述物体受力作用下的运动)经典力学(牛顿力学)牛顿伽利略、第谷哥白尼、亚里士多德笛卡尔、胡克、哈雷等牛顿所说:"如果说我看得远,那是因为我站在巨人们的肩上。"经典力学金字塔的建立开普勒万有引力定律牛顿三大定律亚里士多德伽利略笛卡儿惠更斯牛顿国别生活年代古希腊,约公元前384～公元前322年意大利,1564～1642年法国,1596～1650年荷兰,1629～1695年英国,1642～1727年主要的科学研究方法观察、思维、推理观察实验、假设、数学推理三者相结合实验观察、数学推理实验、数学推理归纳与演绎、综合与分析、实验观察等力学方面的主要成就两个反面的结论:①力是维持物体运动的原因。②重的物体比轻的物体下落得快。①自由落体运动规律。②力学相对性原理惯性定律①制成了世界上第一架计时摆钟。②测量出重力加速度的值。①三大运动定律、②万有引力定律。科学家对经典力学的贡献经典力学适用范围经典力学只适用于惯性系、低速、宏观、弱引力的情况。牛顿力学的绝对时空观绝对的，真正的和数学的时间自己流逝着，并由于它的本性而均匀的与任何外界对象无关的流逝着。——牛顿绝对空间，就其本质来说，独立于外界任何事物，总是始终如一和静止不动的。

——牛顿伽利略和牛顿的绝对时空观认为，同一物体运动的时间和长度（位移）在不同的参考系中，测量结果是相同的。任务一：绝对时空观与光速不变实验之间的矛盾(1)同时的绝对性(2)时间间隔的绝对性(3)空间距离的绝对性

时间、长度和质量这三者都与参考系的运动无关。经典物理学理论我们知道，如果河水中的河水以相对河岸的速度v水流动，河中的船以相对于水的速度v船顺流而下，则船相对于岸边的速度为v合=v船+v水v=v0+v1这类表达式，又被称为伽利略变换，是牛顿力学，研究相对运动问题的基本原理之一。如果有一艘飞船，相对地面以速度v0=0.2c（c为真空中的光速）匀速运动，从飞船上，沿飞船前进方向，射出一束光，在地面上的人看来，这束光传播的速度是否应为v=v0+c=1.2c呢？1887年。当时认为光的传播介质是“以太”。由此产生了一个新的问题：地球以每秒30公里的速度绕太阳运动，就必须会遇到每秒30公里的“以太风”迎面吹来，同时，它也必须对光的传播产生影响。这个问题的产生，引起人们去探讨“以太风”存在与否。如果存在以太，则当地球穿过以太绕太阳公转时，在地球通过以太运动的方向测量的光速（当我们对光源运动时）应该大于在与运动垂直方向测量的光速（当我们不对光源运动时）。结论：在不同的参考系中，光的传播速度都是一样的。（即光速不变原理）与经典力学矛盾以爱因斯坦和庞加莱为代表的另一批物理学家，坚决主张，彻底放弃某些与实验事实不相符的观念，如绝对时间的观念，在实验事实的基础上，大胆提出，能够更好地解释实验现象的假设。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。说明同时具有相对性，时间的量度是相对的.和光速不变紧密联系在一起的是：在某一惯性系中同时发生的两个事件，在相对于此惯性系运动的另一惯性系中观察，并不一定是同时发生的。1.同时是相对的任务二：相对论时空观

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。

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。不敢相信图中的横线是平行的,不过它就是平行的两个位于中心的圆哪个大?其实一样大的!

狭义相对论时空观(1)同时是相对的(3)动尺变短（长度收缩）(4)运动的物体质量变大

（质增效应）(1)不同惯性参考系,物理规律相同1.两条基本假设(2)任何惯性系,光速不变2.狭义相对论结论(2)动钟变慢（时间膨胀）

时间、长度和质量这三者都与参考系的运动有关。“狭义”表示它只适用于

惯性参考系。(2)动钟变慢（时间膨胀）经典力学的巨大成就(1)把天体运动与地面上物体的运动统一起来．(2)经典力学和以经典力学为基础发展起来的天体力学、材料力学和结构力学等．(3)力学和热力学的发展及其与生产的结合引发了第一次工业革命．(4)由牛顿运动定律导出的动量守恒定律、机械能守恒定律等是航空航天技术的理论基础．经典力学的局限性1．经典力学是从日常机械运动中总结出来的，超出这个范围，经典力学常常就不适用了．2．绝对时空观：牛顿认为，时间、空间与物质及其运动完全无关，时间与空间也完全无关。经典力学的绝对时空观，割裂了时间、空间、物质及其运动之间的联系，不能解释高速运动领域的许多客观现象．经典力学的运动观，从自然观角度来说，给出的是一幅机械运动的图景，不能解释微观世界丰富多彩的现象。经典力学有它的适用范围：只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界；只适用于弱引力情况，不适用于强引力情况．

对于高速运动(速度接近真空中的光速)，需要应用爱因斯坦的相对论．当物体的运动速度远小于真空中的光速时，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别．对于微观世界，需要应用量子力学．当普朗克常量可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别．对于强引力情况，需要应用爱因斯坦引力理论．当天体的实际半径远大于它们的引力半径时，爱因斯坦引力理论和牛顿万有引力定律计算出的力的差异并不很大．1.下列说法中正确的是()A．牛顿运动定律就是经典力学B．经典力学的基础是牛顿运动定律C．牛顿运动定律可以解决自然界中所有的问题D．经典力学可以解决自然界中所有的问题B2.经典力学只适用于“宏观世界”．这里的“宏观世界”是指()A．行星、恒星、星系等巨大的物质领域B．地球表面上的物质世界C．人眼能看到的物质世界D．不涉及分子、原子、电子等微观粒子的物质世界D3.关于经典力学的成就，下列论述正确的是()A．经典力学第一次实现了对自然界认识的理论大综合B．经典力学第一次预言了宇宙中黑洞的存在C．经典力学第一次向人们展示了时间的相对性D．人们借助于经典力学中的研究方法，建立了完整的经典物理学体系AD4.关于经典力学的局限性，下列说法正确的是()A．经典力学没有局限性B．经典力学的应用受到物体运动速度的限制，当物体运动的速度接近于真空中的光速时，经典力学就不适用了C．经典力学不适用于微观领域中物质结构和能量不连续的现象D．经典力学的时间和空间分离的观点不准确BCD5.根据经典物理学知识，人们对时间和空间的认识，下列说法正确的是()A．时间和空间是绝对的，与物质的存在和物质的运动都无关B．时间和空间可以脱离物质而独立存在，二者之间也无联系C．时间和空间可以脱离物质而独立存在，二者之间存在一定的联系D．时间和空间不能脱离物质而独立存在，二者之间存在一定的联系AB已知μ介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？选择μ子为参考系，此时μ子的平均寿命是3.0μs。选择地面为参考系课堂小结2.相对论时空观3.牛顿力学的成就和局限性牛顿力学只适用于低速、宏观问题。没有绝对时间，也没有绝对空间，时间和空间都是相对的。(1)同时是相对的(3)动尺变短（长度收缩）(4)运动的物体质量变大

（质增效应）1.任何惯性系,光速不变(2)动钟变慢（时间膨胀）

经典时空观狭义相对论时空观光速

同时

时间与空间

质量

相对的绝对的(不变)绝对的与运动无关,绝对的与运动无关,不变的相对的与运动有关,相对的随速度增加而增大经典时空观与相对论时空观广义相对论弯曲时空的引入引力红移红移在物理学和天文学领域，指物体的电磁辐射由于某种原因频率降低的现象，在可见光波段，表现为光谱的谱线朝红端移动了一段距离，即波长变长、频率降低。红移的现象目前多用于天体的移动及规律的预测上。引力场中的光线偏折水星近日点进动雷达回波时间延迟广义相对论认为光子靠近引力场时，就会发生时间延迟效应。光线轨迹在引力场中弯曲，使得其路径延长。这种的弯曲现象可以等价地看成是一种折射，相当于有效光速减慢，因此从空间某一点发出的信号，如果途经太阳附近，到达地球的时间将有所延迟。广义相对论提出的一个基本假设是，把空间的三个维度和时间维度统一在一起的时空（spacetime）是具有弹性的。就算其中空无一物，时空也可发生振动，而这种振动就是引力波。这种波与乐器发出的声波一样，也满载着信息。这些信息一方面反映了制造出引力波的事件，而另一方面也体现了引力波传播时通过的时空的性质。引力波探测到引力波GW150914当地时间2016年2月11日，美国华盛顿，美国科研人员11日宣布，他们利用激光干涉引力波天文台(LIGO)于去年9月首次探测到引力波。在10亿年前的宇宙深处，两个巨大的黑洞在经历了漫长的绕转以后，通过引力波辐射能量，越转越近。长年累月