1、第七章万有引力与宇宙航行 5 5相对论时空观与牛顿力学的局限性相对论时空观与牛顿力学的局限性 自然和自然的法自然和自然的法 则在黑暗中隐藏；则在黑暗中隐藏； 上帝说，让牛顿上帝说，让牛顿 去吧！于是一切去吧！于是一切 都被照亮。魔鬼都被照亮。魔鬼 说，让爱因斯坦说，让爱因斯坦 去吧！于是一切去吧！于是一切 又回到黑暗中又回到黑暗中 1.了解相对论时空观，知道时间延缓效应和长度收缩效应. 2.认识牛顿力学的成就，适用范围及局限性. 3.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. 学习目标 情景引入 设想人类可以利用飞船以设想人类可以利用飞船以 0.2c 0.2c 的速度的速度 进行
2、星际航行。若飞船向正前进行星际航行。若飞船向正前 方的某一方的某一星球星球发射一束激光，该星球发射一束激光，该星球 上的观察者测量上的观察者测量 到的激光的速度是多到的激光的速度是多 少？少？ 牛顿力学时空观牛顿力学时空观 生活经验让我们体会到，_和_都不影响物体及其运动。 时间与空间都是_物体及其运动而存在的。这种绝对时空观， 也叫_ 因此，前面问题的答案似乎应为_。然而，事实并非如此！ 时间空间 独立于 牛顿力学时空观 1 .2c 自学感知 梳理教材夯实基础 一、相对论时空观一、相对论时空观 自学感知 梳理教材夯实基础 1.19世纪，英国物理学家 根据电磁场理论预言了电磁波的 存在，并证明
3、电磁波的传播速度 光速c. 2.1887年迈克耳孙莫雷实验以及其他一些实验表明：在不同的参考 系中，光的传播速度 ！这与牛顿力学中不同参考系之间的 速度变换关系 (填“相符”或“不符”). 3.爱因斯坦假设：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是 _的；真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的. 麦克斯韦 等于 都是一样的 不符 相同 探究一、在经典物理学中，如果两个事件在一个参考系中是同时 的，在另一个参考系中一定也是同时的。但是，如果按照爱因斯 坦的两个假设，结论还是这样吗？ 根据爱因斯坦假设：真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是 相同的，两个事件在一个参考系中是同时的，在另一
4、个参考系中不 一定也是同时的。 探究解惑 注重过程提高能力 【例1】 ：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。 （1）车上的观察者以车厢为参考系，闪光到达前后两壁的时间相 同吗？ 甲 参考答案： （1）如图甲所示：因为车厢是个惯性 系，闪光向前、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。 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 传播的路程长些即：闪光先到达后壁，后到达前壁。因此，这两个事 件不是同时发生的。 乙 根据爱因斯坦的假设：真空中的光速在不 同的惯性参考系中大小都是相同的，所以
5、 他以地面为参考系，闪光向前、后传播的 速率对地面也是相同的。 （2）车下的观察者来说，以地面为参考系，闪光到达前后两壁的时 间相同吗？ 4.时间延缓效应 (1)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，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t，那么两者之间的关系是t . (2)t与的关系总有 ，即物理过程的快慢(时间进程)与运动状态 .(填 “有关”或“无关”) t 有关 自学感知 梳理教材夯实基础 (1) 5.长度收缩效应： (1)如果与杆相对静止的人测得杆长是l0，沿着杆的方向，以v相对杆运动的人测得 杆长是l，那么两
6、者之间的关系是l . (2)l与l0的关系总有 ，这种情况称为_. ll0长度收缩效应 自学感知 梳理教材夯实基础 相对论时空观 （1）式和（2）式表明：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。它所反映的时空观称作_。 (2) 探究二、已知已知子低速运动时的平均寿命是子低速运动时的平均寿命是3.0 3.0 s s。当。当子以子以0.99 c0.99 c 的速度飞行，若选择的速度飞行，若选择子为参考系，此时子为参考系，此时子的平均寿命是多少？对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？于地面上的观测者来说，平均寿命又是多少？ 相对于光
7、速而言，低速运动即可近似认为速度为 0，即若选择与 子一起运动 的某一物体为参考系，此时 子的平均寿命是 3.0 s。 对于地面上的观测者来说 探究解惑 注重过程提高能力 t= _ 2 ) c v ( 1- = _ 3.0 2 ) c c3.0 ( 1- _ 3.0 0.14 21 s 探究三、相对论时空观的第一次宏观验证是在相对论时空观的第一次宏观验证是在 1971 1971 年进行的。当年进行的。当 时在地面上将四只铯原子钟调整同步，然后把它们分别放在两架喷时在地面上将四只铯原子钟调整同步，然后把它们分别放在两架喷 气式飞机上做环球飞行，一架向东飞，另一架向西飞。两架飞机各气式飞机上做环球
8、飞行，一架向东飞，另一架向西飞。两架飞机各 绕地球飞行一周后回到地面，与留在地面上的铯原子钟进行比较。绕地球飞行一周后回到地面，与留在地面上的铯原子钟进行比较。 它们的时间有什么不同它们的时间有什么不同？（试用相对论的理论来说明）？（试用相对论的理论来说明） 探究解惑 注重过程提高能力 而而向西飞行的铯原子钟读数比地球上的铯原子钟快了，这向西飞行的铯原子钟读数比地球上的铯原子钟快了，这 是因为向西飞飞机的速度和地球自转相抵消，它们的速度比地是因为向西飞飞机的速度和地球自转相抵消，它们的速度比地 面上的小；面上的小； 向向东飞行时铯原子钟东飞行时铯原子钟的读数比的读数比地球上的铯原子钟慢地球上的
9、铯原子钟慢了，这了，这是是 因为向东飞行速度比地面上的大；因为向东飞行速度比地面上的大； 按照相对论的理论：按照相对论的理论： 【例例2 2】地面地面上长上长100 km100 km的铁路上空有一火箭沿铁路方向的铁路上空有一火箭沿铁路方向以以30 30 km/skm/s的速的速 度掠过度掠过, ,则火箭上的人看到铁路的长度应该为多少则火箭上的人看到铁路的长度应该为多少? ?如果火箭的速度达到如果火箭的速度达到 0.6c,0.6c,则火箭上的人看到的铁路的长度又是多少则火箭上的人看到的铁路的长度又是多少? ? 【解析解析】当火箭速度较低时当火箭速度较低时, ,火箭上的人看到铁路的火箭上的人看到铁
10、路的长度长度基本不变基本不变, ,还是还是 100 km100 km。当。当火箭的速度达到火箭的速度达到0.6c0.6c时时, ,由相对论长度公式由相对论长度公式 L=L= 代入相应的数据得代入相应的数据得: : L=100L=100 km=80 km km=80 km。 答案答案: :100 km100 km80 km80 km 2 0 v 1( ) c l 2 10.6 二、二、牛顿力学的成就与局限性牛顿力学的成就与局限性 1.牛顿力学的成就：牛顿力学的基础是 ， 定律的 建立与应用更是确立了人们对牛顿力学的尊敬. 2.牛顿力学局限性：牛顿力学的适用范围是 (填“高速”或“低 速”)运动的
11、 _(填“宏观”或“微观”)物体. (1)当物体以接近光速运动时，有些与牛顿力学的结论 . (2)电子、质子、中子等微观粒子的运动 用牛顿力学来说明. 牛顿运动定律 万有引力 低速 宏观 不相同 不能 3.牛顿力学 被新的科学成就所否定，而是作为某些条件下的 特殊情形，被包含在新的科学成就之中。 当物体运动的速度 时，相对论物理学与牛顿力 学的结论没有区别.当 _可以忽略不计时，量子力学和 牛顿力学的结论没有区别。相对论与量子力学都没有_过去 的科学，而只认为过去的科学是自己在一定条件下的_。 不会 远小于光速c 自学感知 梳理教材夯实基础 普朗克常量h 特殊情形 否定 【例2】牛顿力学牛顿力
12、学不适用于下列哪些情况不适用于下列哪些情况() A研究原子中电子的运动研究原子中电子的运动 B研究研究“神舟十一号神舟十一号”飞船的高速发射飞船的高速发射 C研究地球绕太阳的运动研究地球绕太阳的运动 D研究飞机从北京飞往纽约的航线研究飞机从北京飞往纽约的航线 解析解析牛顿力学适用于宏观、低速运动的物体，这里低牛顿力学适用于宏观、低速运动的物体，这里低 速和高速的标准是相对于光速，可判定牛顿力学适用于速和高速的标准是相对于光速，可判定牛顿力学适用于B、 C、D中描述的运动，而不适用中描述的运动，而不适用A中的情况中的情况。A正确。正确。 2016年2月11日，科学家宣布探测到引力波的存在。引力波
13、是实验验 证爱因斯坦相对论的最后一块缺失的“拼图”，相对论在一定范围内 弥补了经典力学的局限性。关于经典力学，下列说法正确的是（） A.经典力学完全适用于宏观低速运动 B.经典力学取得了巨大成就，是普遍适用的 C.随着物理学的发展，经典力学将逐渐成为过时的理论 D.随着相对论、量子论的提出，经典力学已经失去了它的应用价值 【解析】A对：经典力学适用于宏观低速运动的物体，宏观物体是 相对于微观粒子而言的。 B错：经典力学取得了巨大的成就，但它也具有一定的局限性，并 不是普遍适用的。 C、D错：在微观高速情况下，要用量子力学和相对论来解释，但是 并不会因为相对论和量子力学的出现，就否定了经典力学，经典力 学不会过时也不会失去价值。 【答案】A 课堂小结课堂小结 相对论 时空观 与牛顿 力学的 局限性 相对 论时 空观 牛顿力 学的成 就与局 限性 爱因斯坦假设爱因斯坦假设 时间的延缓效应时间的延缓效应 长度的收缩效应长度的收缩效应 牛顿力学的成就牛顿力学的成就 牛顿力学的局限性牛顿力学的局限性 l= 2 0 v 1( ) c l 2 v 1( ) c t =
