第5節(jié)相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性第七章萬有引力與宇宙航行物理新知導(dǎo)入設(shè)想人類可以利用飛船以0.2c的速度進(jìn)行星際航行。若飛船向正前方的某一星球發(fā)射一束激光，該星球上的觀察者測(cè)量到的激光的速度是多少?1.感受牛頓力學(xué)在高速世界與事實(shí)的矛盾，知道牛頓力學(xué)只適用于低速、宏觀物體的運(yùn)動(dòng)。知道相對(duì)論、量子論有助于人類認(rèn)識(shí)高速、微觀領(lǐng)域。2.知道愛因斯坦狹義相對(duì)論的基本假設(shè)，知道長(zhǎng)度相對(duì)性和時(shí)間間隔相對(duì)性的表達(dá)式。3.了解宇宙起源的大爆炸理論，知道科學(xué)真理是相對(duì)的，未知世界必將在人類不懈的探索中被揭開更多的謎底。學(xué)習(xí)目標(biāo)新知講解一、

相對(duì)論時(shí)空觀絕對(duì)時(shí)空觀生活經(jīng)驗(yàn)讓我們體會(huì)到，時(shí)間像一條看不見的“長(zhǎng)河”，均勻地自行流逝著，空間像一個(gè)廣闊無邊的房間，它們都不影響物體及其運(yùn)動(dòng)。也就是說，時(shí)間與空間都是獨(dú)立于物體及其運(yùn)動(dòng)而存在的。這種絕對(duì)時(shí)空觀，也叫牛頓力學(xué)時(shí)空觀。新知講解一、

相對(duì)論時(shí)空觀麥克斯韋（1831—1879）十九世紀(jì)，英國(guó)科學(xué)家麥克斯韋，提出了電磁場(chǎng)理論，預(yù)言了電磁波的存在，并從理論上證明了，電磁波傳播的速度等于光速。人們不禁要問：這個(gè)速度是相對(duì)哪個(gè)參考系而言的呢？牛頓力學(xué)與電磁理論的沖突新知講解一、

相對(duì)論時(shí)空觀阿爾伯特·邁克爾孫（1852—1931）1887年，美國(guó)科學(xué)家邁克爾孫和莫雷通過實(shí)驗(yàn)證明了，在不同的參考系中，光的傳播速度都是一樣的！這與牛頓力學(xué)中，不同的參考系之間的速度變換關(guān)系（伽利略變換）不符！在實(shí)驗(yàn)事實(shí)的面前，許多物理學(xué)家，仍然立足在牛頓力學(xué)時(shí)空觀的基礎(chǔ)上，想通過一些理論上的修補(bǔ)工作，解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。新知講解一、

相對(duì)論時(shí)空觀閱讀教材文本，了解19世紀(jì)科學(xué)家對(duì)于光速問題的研究，麥克斯韋和邁克耳孫分別從理論和實(shí)驗(yàn)角度對(duì)這一問題進(jìn)行了思考，愛因斯坦在前人研究的基礎(chǔ)之上提出了哪兩條基本假設(shè)？儒勒·龐加萊（法）（1854-1912）以愛因斯坦和龐加萊為代表的另一批物理學(xué)家，堅(jiān)決主張，徹底放棄某些與實(shí)驗(yàn)事實(shí)不相符的觀念，如絕對(duì)時(shí)間的觀念，在實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上，大膽提出，能夠更好地解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的假設(shè)。新知講解一、

相對(duì)論時(shí)空觀阿爾伯特·愛因斯坦（1879—1955）相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)相對(duì)性原理：在不同的慣性參考系中，物理規(guī)律的形式都是相同的。光速不變?cè)恚赫婵罩械墓馑僭诓煌膽T性參考系中，大小都是相同的。這兩個(gè)假設(shè)看起來平淡無奇，但如果接受了這兩個(gè)假設(shè)的觀點(diǎn)，并用它來分析問題，可能會(huì)在我們的頭腦中引起一場(chǎng)軒然大波！新知講解一、

相對(duì)論時(shí)空觀愛因斯坦對(duì)相對(duì)論的解釋:“當(dāng)你和一個(gè)美麗的姑娘在一起坐一小時(shí)，你感覺只坐了一分鐘，當(dāng)你坐在火爐旁一分鐘，就好像坐了一小時(shí)，這就是相對(duì)論?！毙轮v解一、

相對(duì)論時(shí)空觀

假設(shè)一列火車沿平直軌道飛快地勻速行駛。車廂中央的光源發(fā)出了一個(gè)閃光，閃光照到了車廂的前壁和后壁。問題1：以火車為參考系，閃光是否同時(shí)到達(dá)前壁和后壁？車上的觀察者以車廂為參考系，因?yàn)檐噹莻€(gè)慣性系，光向前、后傳播的速率相同，光源又在車廂的中央，閃光當(dāng)然會(huì)同時(shí)到達(dá)前后兩壁。新知講解一、

相對(duì)論時(shí)空觀

假設(shè)一列火車沿平直軌道飛快地勻速行駛。車廂中央的光源發(fā)出了一個(gè)閃光，閃光照到了車廂的前壁和后壁。問題2：以地面為參考系，光剛從光源發(fā)出，光離前后壁的距離是否相等？經(jīng)過Δt后光離前后壁的距離是否相等？對(duì)于車下的觀察者來說，他以地面為參考系，因閃光向前、后傳播的速率對(duì)地面也是相同的，在閃光飛向兩壁的過程中，車廂向前行進(jìn)了一段距離，所以向前的光傳播的路程長(zhǎng)些。他觀察到閃光先到達(dá)后壁。同時(shí)性是相對(duì)的新知講解一、

相對(duì)論時(shí)空觀相對(duì)地面以v運(yùn)動(dòng)的人觀察到完成某個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔Δτ，地面上的人觀察該動(dòng)作完成的時(shí)間間隔Δt，兩者滿足什么樣的關(guān)系？時(shí)間間隔Δτ和時(shí)間間隔Δt滿足以下關(guān)系：總有Δt>Δτ，此種情況稱為時(shí)間延緩效應(yīng)（鐘慢效應(yīng)）新知講解一、

相對(duì)論時(shí)空觀如果與桿相對(duì)靜止的人測(cè)得桿長(zhǎng)是l0，沿著桿的方向，以v相對(duì)桿運(yùn)動(dòng)的人測(cè)得桿長(zhǎng)是l，那么兩者之間又有什么樣的關(guān)系？桿長(zhǎng)l0和桿長(zhǎng)l之間滿足：總有l(wèi)<l0，此種情況稱為長(zhǎng)度收縮效應(yīng)（尺縮效應(yīng)）。新知講解一、

相對(duì)論時(shí)空觀由上面兩個(gè)式子可以知道，運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度（空間距離）和物理過程的快慢（時(shí)間進(jìn)程）都跟物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。這個(gè)結(jié)論具有革命性的意義，它反映的時(shí)空觀稱作相對(duì)論時(shí)空觀。新知講解一、

相對(duì)論時(shí)空觀宇宙射線中有大量的μ子以0.99c的速度飛行，根據(jù)經(jīng)典理論可計(jì)算每秒到達(dá)地球μ子數(shù)，這個(gè)數(shù)值小于實(shí)際觀察到的μ子數(shù)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與經(jīng)典理論產(chǎn)生了矛盾，能否用本節(jié)所學(xué)的內(nèi)容來進(jìn)行解釋？由于μ子的高速運(yùn)動(dòng)，地面的觀測(cè)者看來，其壽命變長(zhǎng)，能夠到達(dá)地面.從μ子的參考系來看，地面向它高速飛來，由于高速運(yùn)動(dòng)，這段距離變短，也能夠到達(dá)地面，這是從尺縮的角度來討論。兩種不同角度看待這個(gè)問題，能夠解釋同樣的現(xiàn)象，這也說明了慣性系的等價(jià)性與相對(duì)論理論的自洽性。新知講解一、

相對(duì)論時(shí)空觀將銫原子鐘放在飛機(jī)上，沿赤道向東和向西繞地球一周，回到原處后，分別比靜止在地面上的鐘慢59納秒和快273納秒。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)言符合的很好。這是相對(duì)論的第一次宏觀驗(yàn)證。新知講解二、

牛頓力學(xué)的成就與局限性大到天體運(yùn)動(dòng)，小到生活中各種各樣的運(yùn)動(dòng)，都符合牛頓經(jīng)典力學(xué)，牛頓經(jīng)典力學(xué)覆蓋著極廣大的范圍。新知講解二、

牛頓力學(xué)的成就與局限性1.牛頓力學(xué)的偉大成就（1）把人類對(duì)整個(gè)自然界的認(rèn)識(shí)推進(jìn)到一個(gè)新水平，牛頓從力學(xué)上證明了自然界的統(tǒng)一。（2）牛頓力學(xué)的建立首次明確了一切自然科學(xué)理論應(yīng)有的基本特征，這標(biāo)志著近代理論自然科學(xué)的誕生，也成為其他各門自然科學(xué)的典范。（3）

將“實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)”相結(jié)合的方法推廣到物理學(xué)的各個(gè)分支，形成了完整的經(jīng)典力學(xué)體系。牛頓力學(xué)的建立對(duì)自然科學(xué)和科技的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步具有深遠(yuǎn)影響：①牛頓力學(xué)形成的科學(xué)研究方法的推廣應(yīng)用；②牛頓力學(xué)與其他基礎(chǔ)科學(xué)相結(jié)合產(chǎn)生了許多交叉學(xué)科，促進(jìn)了自然科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展；③牛頓力學(xué)在科學(xué)技術(shù)上有廣泛的應(yīng)用，促進(jìn)了社會(huì)文明的發(fā)展。新知講解二、

牛頓力學(xué)的成就與局限性2.牛頓力學(xué)的局限性和適用范圍（1）牛頓力學(xué)只適用于處理物體的低速運(yùn)動(dòng)（）；不適用于物體的高速運(yùn)動(dòng)（2）牛頓力學(xué)只適用于宏觀物體；不適用于微觀領(lǐng)域中物質(zhì)結(jié)構(gòu)和能量不連續(xù)的現(xiàn)象（量子力學(xué)）（3）牛頓力學(xué)規(guī)律只在慣性參考系中成立牛頓力學(xué)規(guī)律只能用于宏觀、低速(與光速相比）的情形，且只在慣性參考系中成立。新知講解二、

牛頓力學(xué)的成就與局限性

如果一定要某個(gè)人、某一天作為近代科學(xué)誕生的標(biāo)志，我選牛頓《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》在1687年出版的那一天。——楊振寧

像一切科學(xué)一樣，牛頓力學(xué)沒有也不會(huì)窮盡一切真理，它也有自己的局限性。它像一切科學(xué)理論一樣，是一部“未完成的交響曲”?！纠}1】有關(guān)相對(duì)論以下說法不正確的是（）A．愛因斯坦假設(shè)在不同的慣性參考系中，物理規(guī)律的形式是相同的B．根據(jù)經(jīng)典理論計(jì)算出每秒到達(dá)地球的μ子數(shù)大于實(shí)際觀測(cè)到的μ子數(shù)C．相對(duì)論時(shí)空觀的第一次宏觀驗(yàn)證是在地面上將四只銫原子鐘調(diào)整同步，然后把它們分別放在兩架噴氣式飛機(jī)上做環(huán)球飛行，一架向東飛，另一架向西飛D．除了高速運(yùn)動(dòng)，牛頓力學(xué)在其它方面也有局限性典例探究【例題分析】愛因斯坦假設(shè)在不同的慣性參考系中，物理規(guī)律的形式是相同的；根據(jù)經(jīng)典理論計(jì)算出每秒到達(dá)地球的μ子數(shù)小于實(shí)際觀測(cè)到的μ子數(shù)；相對(duì)論時(shí)空觀的第一次宏觀驗(yàn)證是在地面上將四只銫原子鐘調(diào)整同步，然后把它們分別放在兩架噴氣式飛機(jī)上做環(huán)球飛行，一架向東飛，另一架向西飛；除了高速運(yùn)動(dòng)，牛頓力學(xué)在微觀世界也有局限性。B典例探究【變式訓(xùn)練1】關(guān)于牛頓力學(xué)、相對(duì)論和量子力學(xué)的說法，正確的是（）A．牛頓力學(xué)僅適用于宏觀、低速運(yùn)動(dòng)的物體B．在不同慣性系中物理規(guī)律是不同的C．真空中一艘速度為0.7c的飛船上發(fā)出一束光線，則光速為1.7cD．在速度為0.7c的飛船上觀察地面上的物體長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則物體的實(shí)際長(zhǎng)度比L短A【例題2】一枚靜止時(shí)長(zhǎng)30m的火箭以光速的的速度從觀察者的身邊掠過，計(jì)算：（1）箭上的人測(cè)得火箭的長(zhǎng)度應(yīng)為多少？（2）觀察者測(cè)得火箭的長(zhǎng)度應(yīng)為多少？（3）火箭上有一只完好的手表走過了3min，則地面上的人認(rèn)為它走過這3min“實(shí)際”上花了多少時(shí)間？典例探究典例探究典例探究B評(píng)價(jià)反饋1.你現(xiàn)在正在完成60分鐘的物理考試，假設(shè)一艘飛船相對(duì)你以0.3c的速度勻速飛過（c為真空中的光速），則飛船上的觀察者根據(jù)相對(duì)論認(rèn)為你考完這場(chǎng)考試所用時(shí)間（

）A．大于60分鐘 B．等于60分鐘C．小于60分鐘 D．不能確定A2.

下列物理情境中，經(jīng)典的牛頓力學(xué)不再適用的是（

）A．“高鳥黃云暮”中的運(yùn)動(dòng) B．部落中的騎馬射箭、揮刀逐鹿C．“三體”小說中的光速飛船 D．“逐道”訓(xùn)練時(shí)，在空中的啦啦操隊(duì)員C評(píng)價(jià)反饋3．(多選)關(guān)于經(jīng)典時(shí)空觀和相對(duì)論時(shí)空觀，下列說法正確的是（）A．經(jīng)典時(shí)空觀認(rèn)為時(shí)間和空間是獨(dú)立于物體及其運(yùn)動(dòng)而存在的B．相對(duì)論時(shí)空觀認(rèn)為時(shí)間和空間與物