《相對論時空觀與牛頓力學(xué)的局限性》高中物理如：在一個無限大的光滑水平面上，有一質(zhì)量為m的物體，在一個水平恒力F的作用下，從靜止開始運動。由動力學(xué)及運動學(xué)公式可知：F=ma v=at推理：隨著時間的推移，物體的速度不斷增大，最終可使物體獲得任意速度。Fm高中物理對建立牛頓力學(xué)作出重要貢獻(xiàn)的科學(xué)家牛頓力學(xué)（經(jīng)典力學(xué)）的成就與局限性高中物理笛卡爾、胡克如果說我看得遠(yuǎn)，那是因為我站在巨人們的肩上?！ｎD經(jīng)典力學(xué)金字塔的建立開普勒牛頓高中物理17世紀(jì)牛頓力學(xué)構(gòu)成了體系。可以說，這是物理學(xué)第一次偉大的綜合。牛頓建立了兩個定律，一個是運動定律，一個是萬有引力定律，并發(fā)展了變量數(shù)學(xué)微積分，具有解決實際問題的能力。他開拓了天體力學(xué)這一科學(xué)，海王星和冥王星的發(fā)現(xiàn)就充分顯示了這一點

。如果一定要舉出某個人、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。——楊振寧高中物理牛頓的經(jīng)典時空觀(絕對時空觀)(1)同時的絕對性(2)質(zhì)量的絕對性(3)空間距離的絕對性時間、長度和質(zhì)量這三者都與參考系的運動無關(guān)。古代思想家奧古斯丁曾說：“時間是什么？你不問我，我很清楚，你若問起，我變茫然。”高中物理在十九世紀(jì)和二十世紀(jì)之交，許多人陶醉在經(jīng)典物理學(xué)的巨大的成功之中，似乎完善的理論和技術(shù)的進(jìn)行給人們這樣一種感覺：物理學(xué)這座莊嚴(yán)雄偉，動人心弦的美麗的殿堂已經(jīng)建成?！拔锢韺W(xué)上空的兩朵烏云”1.邁克耳孫—莫雷實驗：19世紀(jì)，英國物理學(xué)家麥克斯韋根據(jù)電磁場理論預(yù)言了電磁波的存在，并證明電磁波的傳播速度等于光速c。人們自然要問：這個速度是相對哪個參考系而言的？一些物理學(xué)家對這個問題進(jìn)行了研究。在實驗研究中，1887

年的邁克耳孫—莫雷實驗以及其他一些實驗表明：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)中不同參考系之間的速度變絕v

v

v

相 牽換關(guān)系不符。2.黑體輻射問題。高中物理邁克耳孫—莫雷實驗原理圖12高中物理1905年,出生于德國的美籍物理學(xué)家阿爾伯特·愛因斯坦(1879-1955)發(fā)表了狹義相對論。這個理論指出在宇宙中唯一不變的是光線在真空中的速度,其它任何事物──速度、長度、質(zhì)量和經(jīng)過的時間,都隨觀察者的參考系(特定觀察)而變化。高中物理為了紀(jì)念相對論誕生100周年，紀(jì)念愛因斯坦逝世50周年，聯(lián)合國把2005年確定為“世界物理年”高中物理相對論時空觀1、兩條基本假設(shè)在不同的慣性參考系中，物理規(guī)律的形式都是相同的；真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的。2、狹義相對論結(jié)論(1)同時是相對的(2)時間延緩效應(yīng)(3)長度收縮效應(yīng)(4)運動的物體質(zhì)量變大時間、長度和質(zhì)量這三者都與參考系的運動有關(guān)。高中物理時間延緩效應(yīng)長度收縮效應(yīng)運動的物體質(zhì)量變大m0c

2m(v)

1

v

222'cvl

l 1

v

21

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2

t

'

t

高中物理相對論是否全盤否定了牛頓的經(jīng)典力學(xué)理論?高中物理經(jīng)典力學(xué)的適用范圍，只適用于低速運動，不適用高速運動，只適用于宏觀世界，不適用微觀世界，只適用于弱引力，不適用于強引力的情況。對于高速運動（接近光速）需要應(yīng)用愛因斯坦相對論，當(dāng)物體的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于真空光速時，相對論物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論是沒有區(qū)別的。如：在一個無限大的光滑水平面上，有一質(zhì)量為m的物體，在一個水平恒力F的作用下，從靜止開始運動。Fm高中物理例：下列說法中不符合相對論原理的是(

A

)A．只有靜止的參照系是慣性系由于在任何慣性系中力學(xué)規(guī)律都是相同的，因此,研究力學(xué)問題時可以選擇任何慣性系在不同的慣性系中，光速都是相同的在一個慣性系內(nèi)進(jìn)行任何力學(xué)實驗都不能判斷它是否相對另一個慣性系做勻速直線運動高中物理小結(jié)一、了解了牛頓力學(xué)的成就與局限性二、了解了狹義相對論時空觀作業(yè)：完成課后拓展閱讀及練習(xí)探究一對相對論中“兩假設(shè)、兩效應(yīng)”的理解情境導(dǎo)引日常生活中我們并沒有發(fā)現(xiàn)物體的長度隨著運動速度發(fā)生變化,假設(shè)物體以接近光速的速度運動,你認(rèn)為它的長度變化嗎?要點提示

根據(jù)相對論時空觀,物體沿著運動方向上的長度會變短。知識歸納相對論時空觀的“兩個基本假設(shè)”和“兩個效應(yīng)”的理解1.兩個假設(shè)(1)在不同的慣性參考系中,物理規(guī)律的形式都是相同的。也就是說,物理學(xué)的定律與慣性系的選擇無關(guān)。(2)真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的。也就是說,不管光源與觀察者的相對運動如何,在任一慣性系中的觀察者所觀測到的真空中的光速都是相等的。2.兩個效應(yīng)(1)時間延緩效應(yīng):如果相對于地面以v運動的慣性參考系上的人,觀察與其一起運動的物體完成某個動作的時間間隔為Δτ,那么地面上的人觀察到該物體在同一地點完成這個動作的時間間隔為Δt,有Δt=,c為真空中的光速,總有Δt>Δτ。理解:(1)對同一物理過程經(jīng)歷的時間,在不同的慣性系中觀測,測得的結(jié)果不同,時間延緩效應(yīng)是一種觀測效應(yīng),不是被測過程的節(jié)奏變化了。(2)慣性系速度越大,地面上的人觀測到的時間越長。(3)由于運動是相對的,故在某一參考系中觀測另一參考系中發(fā)生的物理事件,總會感到時間延緩效應(yīng)。即慣性系中的人觀測地面上發(fā)生的事件的時間也延緩。理解:(1)長度收縮效應(yīng)也是一種觀測效應(yīng),不是物體本身發(fā)生了收縮。(2)在垂直于運動方向上,物體不會發(fā)生收縮效應(yīng)。(3)由于運動是相對的,故在某一參考系中觀測另一參考系中沿桿方向的長度,總有長度收縮效應(yīng)。即在靜止慣性系中的人觀測運動的桿,沿桿運動方向的長度發(fā)生收縮。遷移應(yīng)用例1(多選)一枚火箭靜止于地面時長為30m,兩個完全相同的時鐘分別放在火箭內(nèi)和地面上?；鸺运俣葀飛行,光速為c,下列判斷正確的是(

)A.若v=0.5c,火箭上的觀察者測得火箭的長度仍為30mB.若v=0.5c,地面上的觀察者測得火箭的長度仍為30mC.若v=0.5c,火箭上的觀察者認(rèn)為地面上的時鐘走得快D.若v=0.5c,地面上的觀察者認(rèn)為火箭上的時鐘走得慢答案

AD解析

一枚靜止時長30

m的火箭以0.5c的速度飛行,根據(jù)相對論時空觀得火箭上的人測得火箭的長度為30

m,故A正確;根據(jù)長度的收縮性l=l0得地面上的觀察者測得火箭的長度為L=26

m,故B錯誤;根據(jù)時間延緩效應(yīng),運動的鐘比靜止的鐘走得慢,而且,運動速度越大,鐘走得越慢;同時運動是相對的,火箭相對于地面上的人是運動的,地面上的人相對于火箭也是運動的,所以若v=0.5c,火箭上的觀察者認(rèn)為地面上的時鐘走得慢,同時地面上的觀察者認(rèn)為火箭上的時鐘走得慢,故C錯誤,D正確。規(guī)律方法

相對論時空觀有兩個顯著的效應(yīng),即時間延緩和長度收縮,也稱鐘慢和尺縮?？梢酝ㄋ椎乩斫鉃?運動的鐘比靜止的鐘走得慢,而且,運動速度越快,鐘走得越慢,接近光速時,鐘就幾乎停止了;在尺子長度方向上運動的尺子比靜止的尺子短,這就是所謂的尺縮效應(yīng),當(dāng)速度接近光速時,尺子縮成一個點。變式訓(xùn)練1A、B兩火箭沿同一方向高速飛過地面上的某處,vA=2vB,在火箭A上的人觀察到的結(jié)果是(

)A.火箭A上的時鐘走得最快B.地面上的時鐘走得最快C.火箭B上的時鐘走得最快D.火箭B上的時鐘走得最慢答案

A解析

在火箭A上的人看來,地面和火箭B都高速遠(yuǎn)離自己,由Δt=知,在火箭A上的人觀察到的結(jié)果是地面和火箭B上的時鐘都變慢了,且地面上的時鐘最慢,因此選項A正確,B、C、D錯誤。探究二牛頓力學(xué)的成就與局限性情境導(dǎo)引粒子對撞機可以把質(zhì)子加速到接近于光速,如圖所示。經(jīng)典力學(xué)是否適用于質(zhì)子的運動規(guī)律?如何研究質(zhì)子的運動規(guī)律?要點提示

不適用。經(jīng)典力學(xué)只適用于宏觀低速運動,描述微觀高速粒子的運動要用到量子力學(xué)。知識歸納經(jīng)典力學(xué)與相對論、量子力學(xué)的比較1.區(qū)別(1)經(jīng)典力學(xué)適用于低速運動的物體;相對論是愛因斯坦假設(shè)闡述物體在以接近光速運動時所遵循的規(guī)律。(2)經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀世界;量子力學(xué)能夠正確描述微觀粒子的運動規(guī)律。2.聯(lián)系(1)當(dāng)物體的運動速度遠(yuǎn)小于光速時,相對論物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別。(2)當(dāng)另一個重要常量即“普朗克常量”可以忽略不計時,量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別。(3)相對論和量子力學(xué)并沒有否定經(jīng)典力學(xué),經(jīng)典力學(xué)是二者在一定條件下的特殊情形。遷移應(yīng)用例2關(guān)于經(jīng)典力學(xué)、愛因斯坦假設(shè)和量子力學(xué),下列說法正確的是(

)A.愛因斯坦假設(shè)和經(jīng)典力學(xué)是相互對立、互不相容的兩種理論B.經(jīng)典力學(xué)包含于相對論之中,經(jīng)典力學(xué)是相對論的特例C.經(jīng)典力學(xué)不僅適用于低速運動,還適用于高速運動D.不論是宏觀物體,還是微觀粒子,