【课件】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（2019）必修第二册

第5节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高中物理人教版（2019）必修第二册电影《星际穿越》中，男主库珀和女主布兰德，与队友到达黑洞附近的米勒星球停留两小时，而外界已经过去了23年！！这是为什么呢？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？牛顿力学时空观——绝对时空观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。牛顿力学时空观——绝对时空观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。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：v船岸=v船水+v水岸牛顿力学时空观——绝对时空观因此，前面问题的答案应为？1.2c相对论时空观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？相对论时空观迈克耳孙——莫雷实验1887年，美国科学家迈克耳孙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！相对论时空观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）相对论时空观相对论的两个基本假设相对性原理：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的。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）相对论时空观同时的相对性假设一列火车沿平直轨道飞快的匀速行驶。车厢中央光源发出闪光，闪光照射到车厢前壁和后壁。车厢中的观察者以车厢为参考系车下的观察者以地面为参考系车内观察者看到闪光同时传到前后两壁相对论时空观同时的相对性——车厢中的观察者以车厢为参考系相对论时空观同时的相对性——车下的观察者以地面为参考系车下观察者看到闪光先到达后壁，后到达前壁同时性是相对的！！相对论时空观同时的相对性假设一列火车沿平直轨道飞快的匀速行驶。车厢中央地板光源发出激光，车厢高度为

d，光速为

c车厢中的观察者以车厢为参考系车下的观察者以地面为参考系激光源d相对论时空观同时的相对性——车厢中的观察者以车厢为参考系激光源d相对论时空观同时的相对性——车下的观察者以地面为参考系激光源dvd激光源dv∆t相对论时空观同时的相对性——车下的观察者以地面为参考系相对论时空观同时的相对性——时间延缓效应如果相对于地面以v运动的惯性参考系上的人观察到与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为Δτ

，地面上的人观察到该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为Δt，那么两者之间的关系是：相对论时空观同时的相对性假设一列火车沿平直轨道飞快的匀速行驶。车厢中央地板光源发出激光，车厢长度为

l0，光速为

c车厢中的观察者以车厢为参考系车下的观察者以地面为参考系激光源l0相对论时空观同时的相对性——车厢中的观察者以车厢为参考系激光源l0v相对论时空观同时的相对性——车下的观察者以地面为参考系v激光源l相对论时空观同时的相对性——车下的观察者以地面为参考系v激光源l相对论时空观同时的相对性相对论时空观同时的相对性——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：相对论时空观由下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。

相对论时空观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。牛顿时空观时间均匀地自行流逝，空间像广阔无边的舞台，时间和空间彼此独立、互不关联，都不影响物质及其运动。时间和空间独立与物体及其运动而存在的。牛顿力学时空观相对论时空观相对时空观中，时间和空间被联系在一起，它们互相联系又互相制约，物质的运动对时间和空间有一定的影响。爱因斯坦还把时间看作第四维，与三维的空间一起组成了四维时空。爱因斯坦时空观两种时空观牛顿力学时空观爱因斯坦时空观例题1.(多选)在地面附近有一高速飞过的火箭，关于地面上的人和火箭中的人观察到的现象正确的是(

)A．地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变快了B．地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变慢了C．火箭上的人观察到火箭的长度和时间进程均无变化D．火箭上的人看地面上的物体长度变短，时间进程变慢了BCD例题2.一张长、宽均为5m

的宣传画，平行地贴于铁路旁边的墙上，一超高速列车以2×108m/s

的速度接近此宣传画，这张画由司机测量高度为多少？长度为多少？经典力学的建立43251哥白尼、亚里士多德伽利略、第谷笛卡尔、胡克、哈雷等牛顿开普勒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。牛顿力学的历史意义科学革命的里程碑：建立了以实验为基础的现代科学方法。现代技术的基础：促进了现代技术的发展。例如，机械工程、汽车工业、航空航天、电子技术等领域都需要应用牛顿力学的知识。深化对自然的认识：揭示了自然界中普遍存在的物理规律，使人们对宇宙的本质有了更深入的了解。科学思维方法的创新：牛顿力学的建立，意味着科学思维方法的创新。它强调实验和观察的重要性，抛弃了过去的纯理论探讨。这种科学思维方法成为了现代科学的基础，对于科学研究的方法论产生了深远的影响。牛顿力学的局限性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。牛顿力学的局限性只适用于低速运动，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。相对论和量子力学的出现，说明人类对自然界的认识更加广泛和深入，而不表示经典力学失去了意义。它只是使人们认识到经典力学有它的适用范围：相对论和量子力学的出现，是否表示经典力学失去了意义?相对论、量子力学和经典力学的关系广义相对论狭义相对论经典力学量子力学高速宏观低速微观世界强引力互为补充互不矛盾互不否定共同支撑起物理学科的骨架1.牛顿定律能适用于下列哪些情况？（）练习A、研究原子中电子的运动B、研究“神州”五号的高速发射C、研究地球绕太阳的运动D、研究飞机从深圳飞往北京的航线1BCD【提示】经典力学只适用于处理宏观物体的低速运动。2.有关物体的质量与速度的关系的说法,正确的是（）练习B

A．物体的质量与物体的运动速度无关

B．物体的质量随物体的运动速度增大而增大

C．物体的质量随物体的运动速度增大而减少

D