7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性 ppt课件（含素材）-（2019）新人教版高中物理高一必修第二册.rar

7.5 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 万有引力与宇宙航行万有引力与宇宙航行 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。17 17 世纪牛顿力学构成了体系。世纪牛顿力学构成了体系。可以说，这是物理学第一次伟大可以说，这是物理学第一次伟大的综合。牛顿建立了两个定律，的综合。牛顿建立了两个定律，一个是运动定律，一个是万有引一个是运动定律，一个是万有引力定律，并发展了变量数学微积力定律，并发展了变量数学微积分，具有解决实际问题的能力。分，具有解决实际问题的能力。他开拓了天体力学这一科学，海他开拓了天体力学这一科学，海王星和冥王星的发现就充分显示王星和冥王星的发现就充分显示了这一点了这一点 。经典力学的发展过程经典力学的发展过程经典力学经典力学力力动量动量能量能量生物力学生物力学热弹性力学热弹性力学磁流体力学磁流体力学化学流体动力学化学流体动力学等离子体动力学等离子体动力学地质力学地质力学天体力学天体力学塑性力学塑性力学流体力学流体力学弹性力学弹性力学刚体力学刚体力学经典力学的发展过程经典力学的发展过程哥白尼、亚里士多德哥白尼、亚里士多德笛卡尔、胡克、笛卡尔、胡克、哈雷等哈雷等开普勒开普勒牛顿牛顿经典力学经典力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律更是树立了人们的基础是牛顿运动定律，万有引力定律更是树立了人们对牛顿物理学的尊敬。对牛顿物理学的尊敬。物理学家杨振宁曾赞颂到物理学家杨振宁曾赞颂到：“如如果一定要举出某个人、某一天作果一定要举出某个人、某一天作为近代科学诞生的标志，我选牛为近代科学诞生的标志，我选牛顿顿自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理在在16871687年出版的那一天。年出版的那一天。”牛顿的牛顿的自然哲学的数学原自然哲学的数学原理理被评价为科学史上最伟被评价为科学史上最伟大的著作大的著作一、经典时空观与相对论时空观 描述一个物体的运动必须选择一个参考系，然后研究这一物体相对于参考系是如何运动的。 两个小球一起做自由落体运动，均受到重力的作用，如果以红球为参考系，则绿球是静止的。而绿球受到的合外力不为零。所以绿球相对于红球这个参考系而言，并不符合牛顿运动定律。惯性参考系牛顿运动定律成立的参考系非惯性参考系牛顿运动定律不成立的参考系 所有相对于惯性系做匀速直线运动的参考系都是惯性系，而对于惯性系做变速运动的参考系为非惯性系。 对于所有的惯性系，力学规律都是相同的，或者说，一切惯性系都是等效的，这一结论称为伽利略相对性原理。 绝对的真实的数学时间，就其本质而言，是永远均匀地流逝，与任何外界无关，绝对空间就其本质而言是与任何外界事物无关的，它从不运动，并且永远不变，这就是经典力学的时空观。也称绝对时空观。10迈入新世界迈入新世界 1900年，英国物理学家开尔文踌躇满志地宣告：在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。但是在这尽善尽美之中，还有一点小小的遗憾。用开尔文的话说，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵小小的令人不安的“乌云”。物理学晴朗天空的远处还有两朵小小的、令人不安的“乌云”。 “紫外灾难”，由经典理论得出的瑞利金斯公式，在高频部分趋于无穷。 “以太漂移”，迈克尔逊莫雷实验表明，以太不存在。 正是这两朵乌云(后来还出现了其它更多的乌云)，不久便掀起了物理学上深刻的革命：一个导致相对论的建立，一个导致量子力学的诞生。迈克尔逊迈克尔逊莫雷实验莫雷实验量子力学狭义相对论 黑体辐射黑体辐射光电效应氢原子光谱 康普顿效应经典力学大厦将倾 所有物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的 即力学定律从一个惯性系换算到另一个惯性系时，定律的表述形式保持不变。在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速 c 都一样（c = 3108 m/s）。 不管光源与观察者之间的相对运动如何，在任一惯性系中所测得的真空中的光速都是相等的。 爱因斯坦经过不懈的探索加上非凡的抽象思维能力，最终拨开了物理学天空中令人不安的“乌云”，提出了著名的相对论（相对论（relativity）。他于 1905 年提出两个基本假设：二二. .相对论时空观相对论时空观1.1.时间延缓效应时间延缓效应 经典时空观认为，时间是绝对时间，就像一条长河，源源不断地从过去到现在直至将来，与运动无关。而相对论时空观则认为，当时钟相对于观测者静止时，时钟走得快些； 当时钟相对于观测者高速运动时，观测者则认为时钟变慢了。16分析：分析： 在此过程中，车上的钟走过的时间为在此过程中，车上的钟走过的时间为 ，称固有时，称固有时. .静止在地面上的观察者看来，由于列车在高速行驶测得该静止在地面上的观察者看来，由于列车在高速行驶测得该过程经历的时间为过程经历的时间为设车厢高度为设车厢高度为h，列车行驶速度为，列车行驶速度为v, ,则则22224 htchtcv221 ttvct t12xx对运动长度的测量问题对运动长度的测量问题怎么测？怎么测？同时测同时测KKv1x2 x将杆固定在将杆固定在x轴上轴上。21 lxx在在K系中杆的长度为：系中杆的长度为：K系中系中杆的长度是：杆的长度是：21lxx利用洛仑兹变换式有：112;1xvtx2221xvtx杆杆相对于观察者静止时测得的长度叫相对于观察者静止时测得的长度叫原长原长也称也称静长静长。杆相对于观察者运动时，在运动方向上测得的杆相对于观察者运动时，在运动方向上测得的长度缩短。这种现象称为长度缩短。这种现象称为长度收缩长度收缩。212121xxxx21lll221vllc（2 2）尺缩效应只在相对运动方向上发生；ll原长最长原长最长（1）讨论Ko v0lAKo0lBKo BLALKovKK0lABoo 在K中的观察者在K中的观察者 （3）相对效应相对效应 对牛顿运动定律受参考系限制的认识对牛顿运动定律受参考系限制的认识可见，在非惯性系中，牛顿定律不再成立。可见，在非惯性系中，牛顿定律不再成立。经典力学受速度限制的分析经典力学受速度限制的分析伽利略和牛顿的绝对时空观认为，同一物体运动的时间和长度伽利略和牛顿的绝对时空观认为，同一物体运动的时间和长度（位移）在不同的参考系中，测量结果是相同的。（位移）在不同的参考系中，测量结果是相同的。牛顿力学的绝对时空观牛顿力学的绝对时空观绝对的，真正的和数学的时间自己流逝着，并由于它的本性而绝对的，真正的和数学的时间自己流逝着，并由于它的本性而均匀的与任何外界对象无关的流逝着均匀的与任何外界对象无关的流逝着牛顿牛顿绝对空间，就其本质来说，独立于外界任何事物，总是始终绝对空间，就其本质来说，独立于外界任何事物，总是始终如一和静止不动的如一和静止不动的牛顿牛顿高速世界（接近光速）随着物体运动速度的加快，时间会变慢。以接近光速运行的火箭的长度会比它静止时更短，尽管乘坐火箭的人看来并没有什么两样。爱因斯坦指出，任何物体以光速运动时，其长度将会缩短为零。物体的质量随速度的增大而增大1905年，爱因斯坦提出，物体高速时（接近光速），年，爱因斯坦提出，物体高速时（接近光速），物体所占空间（如长度），物理、化学过程，生命物体所占空间（如长度），物理、化学过程，生命持续时间，都与运动状态有关，时间与空间都与运持续时间，都与运动状态有关，时间与空间都与运动相关联了动相关联了-狭义相对论狭义相对论