【物理】相对论时空观与牛顿力学的局限性 课件 2023-2024学年高一下学期人教版（2019）必修第二册

人教版高一物理必修第二册第二学期第七章7.5

相对论时空观与牛顿力学的局限性第七章万有引力与宇宙航行7.5

相对论时空观与牛顿力学的局限性核心素养目标1、物理观念：知道爱因斯坦的两条假设，了解时间延缓效应、长度收缩效应，认识牛顿力学的成就与局限性。2、科学思维：知道牛顿力学的适用范围，认识物理学中理论的相对稳定性，要有质疑精神。3、科学探究：知道质量与速度的关系，知道高速运动中必须考虑速度随时间的变化。4、科学态度与责任：认识迈克耳孙—莫雷实验对光速不变原理的推动作用，体会实验和理论的相互关系。教学目标教学重点：了解相对论时空观，知道时间延缓效应和长度收缩效应.认识牛顿力学的成就，适用范围及局限性.教学难点：了解科学理论的相对性，体会科学理论是不断发展和完善的.三种宇宙速度同步卫星近地卫星第一宇宙速度第二宇宙速度第三宇宙速度回顾旧知知识拓展知识拓展知识拓展知识拓展知识拓展知识拓展知识拓展情境导入生活经验让我们体会到，时间好像一条看不见的长河，均匀地自行流逝着，空间好像一个广阔无边的大房间，它们彼此独立，都不影响物体及其运动。这种绝对时空观，也叫牛顿力学时空观。任务探究一我们知道，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14任务探究一如果有一艘飞船，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？1.2倍的光速与我们中学里学到的，真空中的光速是宇宙中最快的速度两者不相符。1887年，美国科学家迈克尔逊和莫雷通过实验证明了，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，不同的参考系之间的速度变换关系（伽利略变换）不符！在实验事实的面前，许多物理学家，仍然立足在牛顿力学时空观的基础上，想通过一些理论上的修补工作，解释实验现象。任务探究一任务探究一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。任务探究一爱因斯坦假设：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。任务探究一

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任务探究一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由此可见，时间不再是绝对的，而是相对的，这种情况被称为：时间的延缓效应。如果相对地面以v运动的某惯性参考系上的人，观察与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为，地面上的人观察该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为Δt，两者之间的关系为：任务探究一如果有一根杆，与杆相对静止的人测得杆长是l0，沿着杆的方向，以速度v相对杆运动的人测得杆长是l，那么l0与l两者之间的关系是：由此可见，空间距离也不再是绝对的，而是相对的，这种情况被称为长度的收缩效应。任务探究一由上面两个式子可以知道，运动物体的长度（空间距离）和物理过程的快慢（时间进程）都跟物体运动状态有关。这个结论具有革命性的意义，它反映的时空观称作相对论时空观。任务探究一这两个式子中都有一个因式：当物体运动的速度v远小于c时趋近于1。与牛顿经典力学的时空观一致原来牛顿力学时空观是相对论时空观在低速运动情况下的特例。任务探究一知识点一相对论时空观1.爱因斯坦假设 (1)在不同的_________参考系中，物理规律的形式都是________的。 (2)真空中的________在不同的惯性参考系中大小都是________的。2.时间延缓效应惯性相同光速相同惯性参考系同一地点任务探究二>静止<任务探究二任务探究二惯性参考系凡是牛顿运动定律成立的参考系，称为惯性参考系，简称惯性系。①所有相对于惯性系做匀速直线运动的参考系都是惯性系。②所有相对于惯性系做变速运动的参考系都是非惯性系。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。知识点二牛顿力学的成就与局限性1.牛顿力学的成就

从地面上物体的运动到天体的运动，从拦河筑坝、修建桥梁到设计各种机械，从自行车到汽车、火车、飞机等现代交通工具的运动，从投出篮球到发射导弹、人造地球卫星、宇宙飞船……所有这些都服从___________的规律。2.牛顿力学的局限性 (1)牛顿力学不适用于______运动。 (2)物理学研究深入到微观世界，发现了电子、质子、中子等微观粒子，而且发现它们不仅具有粒子性，同时还具有波动性，它们的运动规律在很多情况下不能用___________来说明。牛顿力学高速牛顿力学任务探究三3.牛顿力学的适用范围

只适用于_______运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于________世界。

牛顿力学经历了实验检验，不会被新的科学所否定。它以某种特殊情形被包含在新的理论之中。低速微观任务探究三核心要点一相对论时空观牛顿力学时空观与相对论时空观比较比较项目牛顿力学时空观相对论时空观同时绝对性相对性光速可变(遵循经典速度变换规律)不变物理规律——在不同惯性参考系中其形式相同任务探究三二、牛顿力学的成就与局限性牛顿力学宏观低速!微观!高速v<<c可与光速相比任务探究三[例1]

(多选)关于相对论时空观的说法，正确的是(

) A.在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的 B.在一切惯性参考系中，光在真空中的速度都等于c，与光源的运动无关 C.在牛顿力学时空观中认为同时发生的事件，在相对论时空观中也是同时发生的 D.时间和空间是永恒不变的解析相对论时空观中，在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的，选项A正确；在一切惯性参考系中，光在真空中的速度都等于c，与光源的运动无关，选项B正确；相对论时空观中，时间和空间具有相对性，故选项C、D错误。答案AB任务探究三[例2]如图所示，a、b、c为三个完全相同的时钟，a放在水平地面上，b、c分别放在以速度vb、vc向同一方向飞行的两枚火箭上，且vb<vc，则地面的观察者认为走得最慢的钟为(

)A.a B.b

C.c D.无法确定答案C任务探究三[例3]

如图所示，两艘飞船A、B沿同一直线同向飞行，相对地面的速度均为v(v接近光速c)。地面上测得它们相距为L，则A测得两飞船间的距离________(选填“大于”“等于”或“小于”)L。当B向A发出一光信号，A测得该信号的速度为________。解析从飞船A测量时飞船B是静止的，从地面上测量时两飞船都是运动的，由相对论的“长度收缩效应”知运动长度要缩短，故从地面测得的飞船间距小。由光速不变原理知光信号的传播速度与参考系是无关的，故A测得该信号的速度仍为光速c。答案大于c(或光速)任务探究三[针对训练1]

一艘太空飞船静止时的长度为30m，他以0.6c(c为光速)的速度沿长度方向飞行越过地球，下列说法正确的是(

) A.飞船上的观测者测得该飞船的长度小于30m B.地球上的观测者测得该飞船的长度小于30m C.飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度小于c D.地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度小于c答案B任务探究三任务探究三[针对训练2]

在一个高速旋转的巨大转盘上放置三个完全相同的时钟，a放在转轴处，b放在中间，c放在边缘处，如图所示。对于地面上的观察者，根据相对论认为三个时钟的快慢情况，下列说法正确的是(

)A.a钟最快，b、c钟一样慢

B.a钟最慢，b、c钟一样快C.a钟最快，c钟最慢

D.a钟最慢，c钟最快答案C任务探究四

核心要点二对牛顿力学的理解1.牛顿力学

牛顿力学通常指以牛顿运动定律为核心的矢量力学，有时也泛指描述低速宏观物体机械运动的经典力学体系。2.发展历程

从亚里士多德和阿基米德的物理学发展到经典力学体系经历了约两千年，经历了以哥白尼、开普勒和伽利略为代表的科学革命。牛顿在伽利略、笛卡儿、开普勒、惠更斯等人研究的基础上，进行了一次科学的伟大的综合，形成了一个以实验为基础、以数学为表达形式的力学科学体系。任务探究四3.牛顿力学的伟大成就

牛顿力学和天文学相结合，建立了天体力学；牛顿力学和工程实际相结合，建立了各种应用力学，如流体力学、材料力学、结构力学等。所有宏观物体的运动问题，都服从牛顿力学的规律。4.牛顿力学的局限性

牛顿力学有自身的局限性，它不适用于高速运动，也不适用于微观领域。在高速运动中，相对论可以描述其运动规律，量子力学可以描述微观粒子的运动规律。但相对论和量子力学并未否定牛顿力学，只认为牛顿力学是自己在一定条件下的特殊情形。[例4]

下列说法中正确的是(

) A.牛顿运动定律就是牛顿力学 B.牛顿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的所有问题 D.牛顿力学可以解决自然界中的所有问题解析牛顿力学并不等同于牛顿运动定律，牛顿运动定律只是牛顿力学的基础；牛顿力学并非万能，也有其适用范围，并不能解决自然界中的所有问题，没有哪个理论可以解决自然界中的所有问题。因此只有弄清牛顿运动定律和牛顿力学的隶属关系，明确牛顿力学的适用范围才能正确解答此类问题，选项B正确。答案B任务探究四[针对训练3]

牛顿力学不适用于下列哪些运动(

) A.火箭的发射 B.宇宙飞船绕地球的运动 C.“勇气号”宇宙探测器的运行 D.微观粒子的波动性解析牛顿力学适用于宏观、低速物体的运动，而研究微观粒子的波动性时牛顿力学不再适用，选项D正确，A、B、C错误。答案D任务探究四[针对训练4]

(多选)关于牛顿力学、相对论和量子力学，下列说法中正确的是(

) A.相对论和牛顿力学是相互对立、互不相容的两