第七章萬有引力與宇宙航行7.5相對論時空觀與牛頓力學(xué)的局限性目錄CONTENTS1

學(xué)習(xí)目標(biāo)2

新課導(dǎo)入3

新課講解4

課堂小結(jié)5

當(dāng)堂小練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。知道相對論、量子論有助于人類認(rèn)識高速、微觀領(lǐng)域。2．知道愛因斯坦狹義相對論的基本假設(shè)，知道長度相對性和時間間隔相對性的表達(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)v船岸=v船水+v水岸v船岸=10m/sV船=5m/sV水=5m/s輪船相對河岸的速度是多少？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量到的激光的速度是多少？v光船=v光+v船v光船=1.2c新課導(dǎo)入0102相對論時空觀牛頓力學(xué)的成就與局限性新課講解一、相對論時空觀1887年，美國科學(xué)家邁克爾遜和莫雷通過實(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！阿爾伯特·邁克爾遜（1852—1931）絕對時空觀生活經(jīng)驗(yàn)讓我們體會到，時間像一條看不見的“長河”，均勻地自行流逝著，空間像一個廣闊無邊的房間，它們都不影響物體及其運(yùn)動。也就是說，時間與空間都是獨(dú)立于物體及其運(yùn)動而存在的。這種絕對時空觀，也叫牛頓力學(xué)時空觀。一、相對論時空觀1.牛頓力學(xué)與電磁理論的沖突十九世紀(jì)，英國科學(xué)家麥克斯韋，提出了電磁場理論，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：這個速度是相對哪個參考系而言的呢？但在邁克爾遜和莫雷實(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。但是都沒有成功，這導(dǎo)致牛頓力學(xué)與電磁理論的沖突。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，如絕對時間的觀念，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)。儒勒·龐加萊（法）（1854-1912）一、相對論時空觀2.相對論的兩個基本假設(shè)（1）相對性原理：在不同的慣性參考系中，物理規(guī)律的形式都是相同的。（2）光速不變原理：真空中的光速在不同的慣性參考系中，大小都是相同的。這兩個假設(shè)看起來平淡無奇，但如果接受了這兩個假設(shè)的觀點(diǎn)，并用它來分析問題，可能會在我們的頭腦中引起一場軒然大波！阿爾伯特·愛因斯坦（1879—1955）相對論的時空觀念與人們固有的時空觀念差別很大，很難被普通人所理解。人們都稱贊愛因斯坦偉大，但又常常弄不懂這偉大的內(nèi)容。一、相對論時空觀車上的觀察者:閃光同時到達(dá)車廂的前后兩壁（圖甲）地面上的觀察者:閃光先到達(dá)車廂后壁，后到達(dá)前壁（圖乙）同時性是相對的二、相對論時空觀物體的質(zhì)量隨速度的增大而增大隨著物體速度的加快，時間會變慢。將一個鐘表留在地面上，而攜帶另一個以很快速度移動，隨后進(jìn)行比較，地上的鐘表總比快速移動的快。物體以接近光速運(yùn)行時所表現(xiàn)出的長度會比它靜止時更短。愛因斯坦指出，任何物體以光速運(yùn)動時，其長度將會縮短為零。由上面兩個式子可以知道，運(yùn)動物體的長度（空間距離）和物理過程的快慢（時間進(jìn)程）都跟物體運(yùn)動狀態(tài)有關(guān)。這個結(jié)論具有革命性的意義，它反映的時空觀稱作相對論時空觀。二、相對論時空觀有一種基本粒子叫μ子，當(dāng)它低速運(yùn)動時，它的平均壽命是3.0μs，當(dāng)μ子以0.99c的速度飛行時，若選μ子為參考系，μ子的平均壽命是多少？若以地面為參考系，μ子的平均壽命是多少？【分析】若選μ子為參考系，μ子的平均壽命為t1=3.0μs；若以地面為參考系，μ子的平均壽命為：t2二、相對論時空觀事實(shí)上，到達(dá)地面的μ子，大多產(chǎn)生于距地面8km的高空，科學(xué)家們根據(jù)經(jīng)典理論，可以計(jì)算出每秒到達(dá)地面的μ子個數(shù)。但這個理論數(shù)值小于實(shí)際觀察到μ子個數(shù)。這是為什么呢？原來，由于時間延緩效應(yīng)，對于地面觀察者看來，μ子的平均壽命，已不是3.0μs了，而是約為21μs，在這段時間內(nèi)，μ子可以飛行更遠(yuǎn)的距離，更多的μ子都能飛越8km的距離到達(dá)地面。因此，實(shí)際觀察到μ子個數(shù)多于用牛頓經(jīng)典理論計(jì)算的數(shù)值。二、相對論時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。這是相對論的第一次宏觀驗(yàn)證。相對論時空的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)二、牛頓力學(xué)的成就與局限性1.牛頓力學(xué)的成就牛頓力學(xué)的誕生開創(chuàng)了人類科技文明的新紀(jì)元，為工業(yè)革命和現(xiàn)代生活奠定了基礎(chǔ)。從地面上物體的運(yùn)動到天體運(yùn)動，從攔河筑壩、修建橋梁到設(shè)計(jì)各種機(jī)械，從普通的交通工具到發(fā)射人造衛(wèi)星和宇宙飛船.....所有這些都符合牛頓力學(xué)的規(guī)律。牛頓力學(xué)在如此廣泛的領(lǐng)域里與事實(shí)相符合，顯示出牛頓力學(xué)的正確性和無限魅力。二、牛頓力學(xué)的成就與局限性1.牛頓主要貢獻(xiàn)牛頓伽利略、第谷哥白尼、亞里士多德笛卡爾、胡克、哈雷等經(jīng)典力學(xué)金字塔的建立開普勒經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動定律，萬有引力定律更確立了牛頓的地位，牛頓運(yùn)動定律和萬有引力定律在宏觀、低速、弱引力的廣闊領(lǐng)域，經(jīng)受實(shí)踐檢驗(yàn)。楊振寧曾贊頌到：“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?！倍⑴ｎD力學(xué)的成就與局限性(1)實(shí)現(xiàn)了人類對自然界認(rèn)識的第一次理論大綜合。(2)確定了自然科學(xué)應(yīng)有的基本特征。(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)的各個分支，形成了完整的經(jīng)典力學(xué)體系。2.牛頓力學(xué)的成就19世紀(jì)末-20世紀(jì)初，深入到微觀領(lǐng)域，發(fā)現(xiàn)電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子不僅具有粒子性，同時還具有波動性，很多情況下經(jīng)典力學(xué)說明不了。和所有的真理一樣，牛頓力學(xué)也具有局限性。二、牛頓力學(xué)的成就與局限性3.牛頓力學(xué)的局限性在微觀世界中（尺度在10-10m以下），由于物質(zhì)的存在和運(yùn)動形式（波粒二象性），較宏觀世界，有較大的不同,牛頓力學(xué)也不適用。牛頓力學(xué)只適用于低速運(yùn)動，不適用于高速運(yùn)動；只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界；只適用于弱引力情況，不適用于強(qiáng)引力情況。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(yùn)動速度發(fā)生變化,假設(shè)物體以接近光速的速度運(yùn)動,你認(rèn)為它的長度變化嗎?要點(diǎn)提示

根據(jù)相對論時空觀,物體沿著運(yùn)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(yùn)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(yùn)動的慣性參考系上的人,觀察與其一起運(yùn)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(diǎn)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(yùn)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(yùn)動方向上,物體不會發(fā)生收縮效應(yīng)。(3)由于運(yùn)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(yùn)動的桿,沿桿運(yùn)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(yùn)動的鐘比靜止的鐘走得慢,而且,運(yùn)動速度越大,鐘走得越慢;同時運(yùn)動是相對的,火箭相對于地面上的人是運(yùn)動的,地面上的人相對于火箭也是運(yùn)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(yùn)動的鐘比靜止的鐘走得慢,而且,運(yùn)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(yùn)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(diǎn)。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(xiàng)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(jī)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(yùn)動規(guī)律?如何研究質(zhì)子的運(yùn)動規(guī)律?要點(diǎn)提示

不適用。經(jīng)典力學(xué)只適用于宏觀低速運(yùn)動,描述微觀高速粒子的運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)動規(guī)律。2.聯(lián)系(1)當(dāng)物體的運(yùn)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(jì)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(yùn)動,還適用于高速運(yùn)動D.不論是宏觀物體,還是微觀粒子,經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué)都是適用的答案

B解析

相對論并沒有否定經(jīng)典力學(xué),經(jīng)典力學(xué)是相對論在一定條件下的特殊情形,選項(xiàng)A錯誤,B正確。經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀、低速的領(lǐng)域,不適用于微觀、高速的領(lǐng)域,選項(xiàng)C、D錯誤。變式訓(xùn)練2以牛頓運(yùn)動定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)的適用范圍是(

)A.低速、宏觀的運(yùn)動問題

B.高速、微觀的運(yùn)動問題C.低速、微觀的運(yùn)動問題 D.高速、宏觀的運(yùn)動問題答案

A牛頓力學(xué)在宏觀、低速、弱引力的廣闊領(lǐng)域取得了巨大