7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性

第七章第5节相对论时空观与牛顿力学的局限性

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高中物理必修二01020304相对论时空观绝对时空观牛顿力学成就局限总结提升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？问题与思考第一部分：绝对时空观PART01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。如果说我看得远，那是因为我站在巨人们的肩上。问题与思考

我们知道，如果河水中的河水以相对河岸的速度v水岸流动，河中的船以相对于水的速度v船水顺流而下，则船相对于岸边的速度为

因此，前面问题的答案似乎应为1.2c。然而，事实并非如此。

真空中的光速是宇宙中最快的速度。这里怎么出现了1.2倍的光速呢？显然，在哪里出现了问题！v船岸=v船水+v水岸V水=5m/sV船=5m/s第二部分：相对论时空观一、牛顿力学与电磁理论的冲突十九世纪，英国科学家麦克斯韦，提出了电磁场理论，预言了电磁波的存在，并从理论上证明了，电磁波传播的速度等于光速。人们不禁要问：这个速度是相对哪个参考系而言的呢？麦克斯韦（1831—1879）二、迈克尔逊莫雷实验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。阿尔伯特·迈克尔逊（1852—1931）但都没有成功！牛顿力学与三、新思想代表人物

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。儒勒·庞加莱（法）（1854-1912）四、相对论的两个基本假设1.相对性原理：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的。2.光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中，大小都是相同的。阿尔伯特·爱因斯坦（1879—1955）这两个假设看起来平淡无奇，但如果接受了这两个假设的观点，并用它来分析问题，可能会在我们的头脑中引起一场轩然大波！五、世人的疑惑自然和自然的法则在黑暗中隐藏；上帝说，让牛顿去吧！于是一切都被照亮。魔鬼说，让爱因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。

相对论的时空观念与人们固有的时空观念差别很大，很难被普通人所理解。人们都称赞爱因斯坦伟大，但又常常弄不懂这伟大的内容。这使人们想起英国诗人波谱的诗句:六、爱因斯坦的解读“当你和一个美丽的姑娘在一起坐一小时，你感觉只坐了一分钟，当你坐在火炉旁一分钟，就好象坐了一小时，这就是相对论。”七、同时的相对性车上的观察者:闪光同时到达车厢的前后两壁（图甲）地面上的观察者:闪光先到达车厢后壁，后到达前壁（图乙）同时性是相对的八、时间延缓效应由此可见，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t0，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t，两者之间的关系为：九、长度收缩效应

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收缩效应。十、相对论的时空观

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。十一、例题探究【问题】有一种基本粒子叫μ子，当它低速运动时，它的平均寿命是3.0μs，当μ子以0.99c的速度飞行时，若选μ子为参考系，μ子的平均寿命是多少？若以地面为参考系，μ子的平均寿命是多少？【分析】若选μ子为参考系，μ子的平均寿命为t1=3.0μs；若以地面为参考系，μ子的平均寿命为t2十二、问题拓展【探究】事实上，到达地面的μ子，大多产生于距地面8km的高空，科学家们根据经典理论，可以计算出每秒到达地面的μ子个数。但这个理论数值小于实际观察到μ子个数。这是为什么呢？原来，由于时间延缓效应，对于地面观察者看来，μ子的平均寿命，已不是3.0μs了，而是约为21μs，在这段时间内，μ子可以飞行更远的距离，更多的μ子都能飞越8km的距离到达地面。因此，实际观察到μ子个数多于用牛顿经典理论计算的数值。十三、相对论时空观的第一次验证将铯原子钟放在飞机上，沿赤道向东和向西绕地球一周，回到原处后，分别比静止在地面上的钟慢59纳秒和快273纳秒。实验结果与理论预言符合的很好。这是相对论的第一次宏观验证。1971年铯原子钟实验视频学习资料第三部分：牛顿力学的成就与局限性一、经典力学的建立过程伽利略、第谷哥白尼、亚里士多德笛卡尔、胡克、哈雷等经典力学金字塔的建立开普勒牛顿经典力学的发展过程杨振宁曾赞颂到：“如果一定要举出某个人、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。”二、牛顿力学的成就

牛顿力学的诞生开创了人类科技文明的新纪元，为工业革命和现代生活奠定了基础。从地面上物体的运动到天体运动，从拦河筑坝、修建桥梁到设计各种机械，从普通的交通工具到发射人造卫星和宇宙飞船.....

所有这些都符合牛顿力学的规律。牛顿力学在如此广泛的领域里与事实相符合，显示出牛顿力学的正确性和无限魅力。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。19世纪末-20世纪初，深入到微观领域，发现电子、质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性，同时还具有波动性，很多情况下经典力学说明不了。和所有的真理一样，牛顿力学也具有局限性。二、牛顿力学的成就1.只适用于低速运动，不适用于高速运动；2.只适用于宏观世界，不适用于微观世界；3.只适用于弱引力情况，不适用于强引力情况。三、牛顿力学的局限性第四部分：总结提升课堂小结AB牛顿力学相对论时间延缓效应长度收缩效应只适用于低速运动，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，不适用于强引力。牛顿力学在宏观、低速、弱引力的广阔领域取得了巨大的成功【练习1】关于牛顿力学和狭义相对论，下列说法正确的是（）A．牛顿力学适用于宏观世界弱引力场中的低速运动B．牛顿力学适用于分析高速运动的μ子的寿命C．在狭义相对论中，真空中光速是可变的D．在狭义相对论中，物体的能量与质量无关【参考答案】A课堂练习【练习2】某星际飞船正在遥远的外太空飞行，假如它的速度可以达到0.7c，在地球上观测到其经过8.76×104h的时间到达某星球，则在飞船上的人看来，其到达此星球需要的时间是（）A．8.76×104h

B．6.26×104hC．12.27×104h

D．16.52×104h【参考答案】B课堂练习【练习3】如图所示，位于教室中央的光源发出一个闪光，闪光照到了教室的前壁和后壁。教室的长度为10m。在平行于教室高速运动的太空飞船上的观察者（）A．测得照到前壁的光速度小于c B．观测到飞船上的时间进程比教室快C．测得教室的长度大于10m D．