高中物理人教版 (2019)必修 第二册5 相对论时空观与牛顿力学的局限性示范课课件ppt

这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第二册5 相对论时空观与牛顿力学的局限性示范课课件ppt，共20页。PPT课件主要包含了然而事实并非如此，相对论时空观，但都没有成功，同时性是相对的，牛顿力学的成就，牛顿力学的局限性等内容，欢迎下载使用。

设想人类可以利用飞船以0.2c的速度进行星际航行。如果飞船向正前方的某一星球发射一束激光。该星球上的观察者测量到的激光的速度是多少？
我们知道，如果河水中的河水以相对河岸的速度v水岸流动，河中的船以相对于水的速度v船水顺流而下，则船相对于岸边的速度为
这类表达式，称为伽利略变换，是牛顿力学，研究相对运动问题的基本原理之一。
v船岸=v船水+v水岸
如果有一艘飞船，相对地面以速度v0= 0.2c（c为真空中的光速）匀速运动，从飞船上，沿飞船前进方向，射出一束光，在地面上的人看来，这束光传播的速度是否应为 v =v0+c = 1.2c 呢？
记得我们在初中学过：真空中的光速是宇宙中最快的速度。
这里怎么出现了1.2倍的光速呢？显然，在哪里出现了问题！
原来，问题出在我们的时空观上，在这里，牛顿力学的时空观已经不适用了。
十九世纪，英国科学家麦克斯韦，提出了电磁场理论，预言了电磁波的存在，并从理论上证明了，电磁波传播的速度等于光速。人们不禁要问：这个速度是相对哪个参考系而言的呢？
麦克斯韦（1831—1879）
1.牛顿力学与电磁理论的冲突
1887年，美国科学家迈克尔逊和莫雷通过实验证明了，在不同的参考系中，光的传播速度都是一样的！
这与牛顿力学中，不同的参考系之间的速度变换关系（伽利略变换）不符！
在实验事实的面前，许多物理学家，仍然立足在牛顿力学时空观的基础上，想通过一些理论上的修补工作，解释实验现象。
以爱因斯坦和庞加莱为代表的另一批物理学家，坚决主张，彻底放弃某些与实验事实不相符的观念，如绝对时间的观念，在实验事实的基础上，大胆提出，能够更好地解释实验现象的假设。
儒勒·庞加莱（法）（1854-1912）
（1）相对论的两个基本假设
①相对性原理：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的。
②光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中，大小都是相同的。
阿尔伯特·爱因斯坦（1879—1955）
这两个假设看起来平淡无奇，但如果接受了这两个假设的观点，并用它来分析问题，可能会在我们的头脑中引起一场轩然大波！
相对论的时空观念与人们固有的时空观念差别很大，很难被普通人所理解。人们都称赞爱因斯坦伟大，但又常常弄不懂这伟大的内容。这使人们想起英国诗人波谱歌颂牛顿的诗句:
自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，上帝说：“让牛顿去吧!”于是一切都成为光明。 后人续写道: 上帝说完二百多年之后，魔鬼说：“让爱因斯坦去吧!” 于是一切又回到黑暗中。
Einstein 对相对论的解释:
“当你和一个美丽的姑娘在一起坐一小时，你感觉只坐了一分钟，当你坐在火炉旁一分钟，就好象坐了一小时，这就是相对论。”
车上的观察者:闪光同时到达车厢的前后两壁（图甲）地面上的观察者:闪光先到达车厢后壁，后到达前壁（图乙）
由此可见，时间不再是绝对的，而是相对的，这种情况被称为：时间延缓效应。
如果相对地面以v运动的某惯性参考系上的人，观察与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为t0，地面上的人观察该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为t，两者之间的关系为：
如果有一根杆，与杆相对静止的人测得杆长是l0，沿着杆的方向，以速度v相对杆运动的人测得杆长是l，那么l0与l两者之间的关系是：
由此可见，空间距离也不再是绝对的，而是相对的，这种情况被称为长度收缩效应。
由上面两个式子可以知道，运动物体的长度（空间距离）和物理过程的快慢（时间进程）都跟物体运动状态有关。这个结论具有革命性的意义，它反映的时空观称作相对论时空观。
有一种基本粒子叫μ子，当它低速运动时，它的平均寿命是3.0μs，当μ子以0.99c的速度飞行时，若选μ子为参考系，μ子的平均寿命是多少？若以地面为参考系，μ子的平均寿命是多少？
分析：若选μ子为参考系，μ子的平均寿命为t1=3.0μs。 若以地面为参考系，μ子的平均寿命为：t2
事实上，到达地面的μ子，大多产生于距地面8km的高空，科学家们根据经典理论，可以计算出每秒到达地面的μ子个数。但这个理论数值小于实际观察到μ子个数。这是为什么呢？
原来，由于时间延缓效应，对于地面观察者看来，μ子的平均寿命，已不是3.0μs了，而是约为21μs，在这段时间内，μ子可以飞行更远的距离，更多的μ子都能飞越8km的距离到达地面。因此，实际观察到μ子个数多于用牛顿经典理论计算的数值。
1971年铯原子钟实验
将铯原子钟放在飞机上，沿赤道向东和向西绕地球一周，回到原处后，分别比静止在地面上的钟慢59纳秒和快273纳秒。实验结果与理论预言符合的很好。这是相对论的第一次宏观验证。
二、牛顿力学的成就与局限性
牛顿力学的诞生开创了人类科技文明的新纪元，为工业革命和现代生活奠定了基础。从地面上物体的运动到天体运动，从拦河筑坝、修建桥梁到设计各种机械，从普通的交通工具到发射人造卫星和宇宙飞船所有这些都符合牛顿力学的规律。牛顿力学在如此广泛的领域里与事实相符合，显示出牛顿力学的正确性和无限魅力。
然而，和所有的真理一样，牛顿力学也具有局限性。
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对牛顿物理学的尊敬。
著名物理学家杨振宁曾赞颂到：“如果一定要举出某个人、某一天作为近代科学诞生的标志，我选牛顿《自然哲学的数学原理》在1687年出版的那一天。”
牛顿力学只适用于低速运动，不适用于高速运动。
值得注意的是：这里的“低速”指的是与真空中光速相比，远小于光速的速度。生活中常见的各种运动，如：各种交通工具、火箭、卫星、炮弹等物体的运动、甚至高超声速飞行器的运动（5-20倍声速），都属于“低速”运动。
在微观世界中（尺度在10-10m以下），由于物质的存在和运动形式（波粒二象性），较宏观世界，有较大的不同。牛顿力学也不适用。