7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性课件高一下学期物理人教版2

相对论时空观与牛顿力学的局限性现在的机场，都有水平传送带，可以让旅客走得快一些。假如有一个传送带，以10m/s的速度运动。这个时候，爱因斯坦站在传送带上，以相对于传送带1m/s的速度，顺着传送带的方向向前走。而传送带外的地面上站着普朗克。像这样的操作叫作伽利略变换爱因斯坦就站在传送带上一动不动，手里拿着一个手电筒，他打开手电筒的开关，一束光向前射出。我们知道光速大约是每秒30万千米。对于普朗克来说，他看到手电筒发出的光的速度，应该是每秒约30万千米，加上传送带的速度10m/s，也就是普朗克看到的光的速度应该大于爱因斯坦看到的光的速度。伽利略变换对于除了光以外的东西，似乎是很好用的。但是一旦在光速上做文章，就立刻破溃了相对论最核心的一条原理——光速不变原理。对于任何一个观察者，无论观察者处在什么运动状态，不论他的速度是多少，他探测到的光速永远都是一个恒定的值。那科学家究竟是如何验证光速真的是不变的呢？这就要说到19世纪末的著名实验——迈克耳孙-莫雷实验（Michelson-Morleyexperiment）。理解这个实验，需要建立三个阶段的认知。第一阶段，我们要理解：机械波的传播是需要介质的。光，其实就是电磁波。跟我们日常生活中接触到的声波、水波一样，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。第二阶段，波的干涉现象我们要理解一个物理现象：只要是波，不管是声波还是光波，它们都存在一个现象，叫作波的干涉假设有两束光波的波峰同时经过，那振动幅度更大，能量更强，就会显得更明亮。如果是一个波峰和一个波谷经过，它们的振动相互抵消，振幅小，能量弱，就会变暗。所以当两束光打到同一片区域发生干涉现象时，有的位置是波峰碰波峰，或者波谷碰波谷，有的位置是波峰碰波谷，波峰波谷相遇区域内就会形成明暗相间的条纹第三阶段，我们来了解迈克耳孙-莫雷实验的原理迈克耳孙（AlbertAbrahammichelson）和莫雷（Edwardmorley）是两位物理学家的名字，他们因为这个实验获得了1907年的诺贝尔物理学奖。这个实验是为了验证以太是否存在。首先要明确一点，波相对于它的介质的速度是恒定的。我们说声速（speedofsound）约是340m/s，其实指的是声音相对于空气的速度。空气静止的时候，声速对于人来说也约是340m/s，但如果声音是伴随着一阵风迎面吹来的，这个时候声音相对于你的速度就不是大约340m/s了。以太被假设为光的传播介质，所以光相对于以太的速度是恒定的，大约每秒30万千米。当时的科学家们假设以太弥漫在全宇宙空间中，相对于太阳是静止的。地球绕太阳公转的速度大约是30km/s，所以地球是在以太中穿行的。人站在地球上，实际上是时时刻刻都有一阵“以太风”以30km/s的速度吹来，因为以太相对于太阳静止，而地球又相对于太阳公转，所以地球相对于以太是运动的那么根据波的干涉原理，这两束光汇聚以后打到同一个地方，就会发生前面所说的干涉现象，产生一组明暗相间的条纹。这个时候如果转动这台干涉仪，比如让它转过45°。那么在转动的过程中，两束光相对于以太风的运动方式一直在改变，所以它们相对于实验仪器的速度也一直在变。可以想象，两束光的时间差在转动过程中也一直在改变，最后就会影响到干涉条纹。也就是如果以太风存在的话，干涉条纹的形状会发生变化。（1）以太并不存在，光可以在真空中传播，不需要任何介质；（2）光速跟测量者的运动状态没有关系，它在任何情况下都是不变的。很显然，地球的公转完全没有影响到我们测量的光速大小。不管你怎么转动实验仪器，干涉条纹都不发生一丁点的变化，所以，迈克耳孙-莫雷实验的结果向我们证明了两件事：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。爱因斯坦对相对论的解释:“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。”同时性是相对的车上的观察者: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）钟慢效应（timedilation）自己不觉得慢，别人看你慢钟慢效应，指的是不同的参考系，在有相对运动的时候，它们对于同一件事情时间流逝的快慢，感受是不一样的。而自己对于自己参考系里面发生的事件，时间快慢不会有任何变化，这才是对钟慢效应的正确理解速度越快，时间越慢如果相对地面以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，两者之间的关系为：时间延缓效应由此可见，时间不再是绝对的，而是相对的，这种情况被称为钟慢效应的证据宇宙射线中有各种各样的粒子，这些射线在射向地球的过程中，是以接近光速的速度运动的。射线中的粒子在进入大气层以后大多会经历衰变（decay），衰变成其他粒子。根据计算，很多粒子的衰变周期，或者说它的寿命，是非常短的。如果我们用它的寿命乘以它的运动速度，就能算出这种粒子在衰变前能够走过的距离。结果发现，这个距离远远小于大气层的厚度，也就是说，如果这些粒子的寿命真的这么短的话，它们是无法到达地面，被人类的实验仪器探测到的。但事实并非如此，我们通过实验手段，探测到了很多宇宙射线中的粒子，这个事实本身就可以用来验证钟慢效应。因为对于地球上的观察者来说，宇宙射线中的粒子运动的速度非常快，所以它的时间是会膨胀的。可能原来一个粒子的寿命只有几纳秒（nanosecond，10-9s），但只要它的速度够快，它的寿命在地球上的人和实验仪器看来，可能有几十纳秒、几百纳秒。这样的话，这些粒子就有充足的时间可以到达地球表面，钟慢效应就得到了验证。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尺缩效应（lengthcontraction）就是一把相对地面在运动着的尺子，长度会在尺子运动的方向上缩短。这里的缩短，是地面上，相对于地面静止的观察者测量到的尺子长度会变短。尺子上有另一个观察者的话，他测量到的尺子长度还是原来的长度假设这个时候爱因斯坦站在地面上不动，他可以这样测量尺子的长度：当尺子的头部经过爱因斯坦的时候，他记录下一个时间，与此同时，在尺子的头部做一个记号；当尺子的尾部经过他的时候，他也记录下一个时间，并在尺子的尾部也做一个记号。这样的话，对于爱因斯坦来说，他量出来的尺子的长度，其实就是他记录下来的两个时间差，乘以尺子的运动速度。站在尺子上的普朗克，他要如何去测量尺子的长度？他只要也记录下爱因斯坦做这两个记号的时间差，再乘以爱因斯坦相对于他的速度，其实也就是这把尺子的速度，就可以了。最后再去比较这两个时间差之间的关系，就可以得出尺子的长短到底变化了多少。对于刚才测量尺子长度的实验，爱因斯坦所用的时间肯定也没有尺子上普朗克用的时间长。因为给尺子头部和尾部做记号这两件事，对于爱因斯坦来说是在一个地方发生的，而对于普朗克来说不是。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：【典例6】某宇航员要到离地球5光年的星球上去旅行，如果地球指挥中心希望把这路程缩短为3光年，则他所乘飞船相对地球的速度为A．0.5cB．0.6cC．0.8cD．0.9c【正确答案】C牛顿力学的局限性在微观世界中（尺度在10-10m以下），由于物质的存在和运动形式（波粒二象性），较宏观世界，有较大的不同,牛顿力学也不适用。牛顿力学只适用于低速运动，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。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: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。【典例1】以牛顿运动定律为基础的经典力学的适用范围是()A．低速、宏观的运动问题B．高速、微观的运动问题C．低速、微观的运动问题D．高速