相对论时空观与牛顿力学的局限性 课件(25张)

二、牛顿力学的成就与局限性
☆交流讨论 1、根据所学内容想一想，哪些成就得益于牛顿的经典力学 理论。 （3）经典力学和以经典力学为基础发展起来的天体力学、材料 力学和结构力学等得到了广泛的应用，并取得了巨大的成就。 （4）18世纪60年代，力学和热力学的发展及其与生产的结合， 使机器和蒸汽机得以改进和推广，引发了第一次工业革命。
2、根据同样的原理，由于地球自西向东自转，所以地球上
A点和B点观测到的光速应该有何不同？（假设光速为c，
AB两点的速度均为v）
A
A点的观测速度应该为c v B点的观测速度应该为c v
B
一、相对论时空观
3、了解迈克尔逊莫雷实验，知道光速与我们刚才的推测有 何不同？爱因斯坦做了哪些大胆的假设和推测？ 1887 年的迈克耳孙—莫雷实验以及其他一些实验表明： 在不同的参考系中，光的传播速度都是一样的！这与牛顿 力学中不同参考系之间的速度变换关系不符。 爱因斯坦假设 ：在不同的惯性参考系中，物理规律的形 式都是相同的；真空中的光速在不同的惯性参考系中大小 都是相同的。
二、牛顿力学的成就与局限性
3、根据所学内容想一想，牛顿的经典力学理论与相对论、量子 力学有何关系？在现代社会学习经典力学是否还有意义？ （2）牛顿的方法可称为“归纳-演绎法”。第一个大量运用数 学方法系统地整理物理学理论的是牛顿，他的方法与一般演绎 法的不同之处在于:演绎的结果必须诉诸实验验证。 伽利略和牛顿的科学方法影响深远，成为后来物理学家的一种 朴实的自发倾向,并不断得到发展和完善,逐渐成为一种传统， 甚至作为社会科学和哲学的方法论，意义也是很大的。
vt
h2 (vt)2 (ct)2
h
1
t
h
c2 v2
一、相对论时空观

二.牛顿力学的局限性
1.牛顿力学的局限性： 高速不适用狭义相对论（时间变慢，长度变短，质量 变大） 微观不适用量子力学（微观粒子不仅具有粒子性，同 时还具有波动性。） 强引力场不适用广义相对论（时空弯曲）
还有相对论无法解释的现象：宇宙中存在暗物质约25%，暗能量 约70%，我们看到和探测到的的物质世界只占宇宙的5%
史上最牛合照，没有之一
德 拜
朗 缪 尔
皮
亨
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尔
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德
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德
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尔
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特
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克 努 森普
朗 克
布 拉 格居
里 夫 人
克 莱洛 默仑 斯兹
狄 拉 克爱
因 斯 坦
维 夏 薛菲 定尔 谔特
海 森 泡堡 利
康 普 顿朗
之 万
德 布 罗古 意伊
玻 恩威
尔 逊
福 勒
布 里 渊
玻 尔
理 查 森
1927年第5届索尔维会议合照
动尺变短，长度收缩
l0
l0 v
B
l
v 1 v 2
l
l0
c
1 v 2 c
一.相对论时空观
t
1 v 2 c
l l0
1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
v
2
c
动钟变慢，时间膨胀 动尺变短，长度收缩
5.相对论时空观：两式表明运动物体的长度（空 间距离）和物理过程的快慢（时间进程）都跟物 体的运动状态有关。这个结论具有革命性的意义， 它所反映的时空观称作相对论时空观。
这与牛顿力学中不同参考系之间的速度变换关系不符。
一.相对论时空观

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。
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的诗句:
【典例1】以牛顿运动定律为基础的经典力学的适用范围是( ) A．低速、宏观的运动问题 B．高速、微观的运动问题 C．低速、微观的运动问题 D．高速、宏观的运动问题
所以当两束光打到同一片区域发生干涉现象时，有的位置是波峰碰波 峰，或者波谷碰波谷，有的位置是波峰碰波谷，波峰波谷相遇区域内 就会形成明暗相间的条纹
第三阶段，我们来了解迈克耳孙-莫雷实验的原理
迈克耳孙（Albert Abrahammichelson）和莫雷（Edwardmorley）是两位物理学家的名 字，他们因为这个实验获得了1907年的诺贝尔物理学奖。这个实验是为了验证以太是否存 在。
就是一把相对地面在运动着的尺 子，长度会在尺子运动的方向上 缩短。这里的缩短，是地面上， 相对于地面静止的观察者测量到 的尺子长度会变短。
尺子上有另一个观察者的话， 他测量到的尺子长度还是原 来的长度
假设这个时候爱因斯坦站在地面上 不动，他可以这样测量尺子的长度： 当尺子的头部经过爱因斯坦的时候， 他记录下一个时间，与此同时，在 尺子的头部做一个记号；当尺子的 尾部经过他的时候，他也记录下一 个时间，并在尺子的尾部也做一个 记号。这样的话，对于爱因斯坦来 说，他量出来的尺子的长度，其实 就是他记录下来的两个时间差，乘 以尺子的运动速度。
那科学家究竟是如何验证光速真的是不变的 呢？ 这就要说到19世纪末的著名实验——迈克耳孙-莫雷实验 （Michelson-Morley experiment）。理解这个实验，需要建立三 个阶段的认知。

A.飞船正前方的观察者看到的光速为1.9c
B.飞船正后方的观察者看到的光速为0.1c
C.在垂直飞船前进方向上的观察者看到的光速是
D.在任何地方的观察者看到的光速都是c
1.81c
【正确解答】选D。根据光速不变原理知,在任何惯性 系中测得的真空中的光速都相同,都为c,故D正确。
【课堂回眸】
由绝对时空观得到的结论
①同时的绝对性
在一个惯性系中的观察者在某一时刻观测到两个事件，对另一个做匀速直线运动的惯性系中的观察者来 说是同时发生的，即同时性与观察者的运动状态无关．
②时间间隔的绝对性
任何事件(或物体的运动)所经历的时间，在不同的参考系中测量都是相同的，而与参考系(或观察者)的运 动无关．
相对论时空观与牛顿力学 的局限性
三种宇宙速度 同步卫星
第一宇宙速度 第二宇宙速度 第三宇宙速度
近地卫星
生活经验让我们体会到， 时间好像一条看不见的 长河，均匀地自行流逝 着，空间好像一个广阔 无边的大房间，它们彼 此独立，都不影响物体 及其运动。这种绝对时 空观，也叫牛顿力学时 空观。
我们知道，如果河水中的河水以相
二、牛顿力学的成就与局限性 【思考】 能根据牛顿运动定律研究原子中电子的运动吗? 提示:不能。
1.牛顿力学的成就:从地面上物体的运动到天体的运动, 都服从_________的规律。 2.牛顿力牛学顿的力局学限性: (1)微观世界:电子、质子、中子等微观粒子,发现它们 不仅具有粒子性,同时还具有波动性,它们的运动规律 在很多情况下不能用牛顿力学来说明。 (2)牛顿力学只适用于_____运动,不适用于_____运动。
③空间距离的绝对性
如果各个惯性系中用来测量长度的标准相同，那么空间两点的距离也就有绝对不变的量值，而与惯性系 的选择(或观察者的运动状态)无关．

式飞机上做环球飞行，一架向东飞，另一架向西飞。
两架飞机各绕地球飞行一周后回到地
面，与留在地面上的铯原子钟进行比
较。
实验结果与相对论的理论预言符合得
很好。
牛顿力学的成就与局限性
牛顿力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律的建立与应用更是确立
了人们对牛顿力学的尊敬。
从地面上物体的运动到天体的运动，从拦河筑坝、修建桥梁到设计各种
出能够更好地解释实验事实的假设。
爱因斯坦假设:
在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的
真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。
在经典物理学家的头脑中，如果两个事件在一个参考系中是同时的，在
另一个参考系中一定也是同时的。但是如果接受了爱因斯坦的两个假设，
还是这样吗?
假设一列火车沿平直轨道飞快地匀速行驶。车厢中央的光源发出了一个
你想加入探究宇宙之谜的行列吗?
2.恒星的演化
天文学家根据对各种恒星的观测和理论研究，弄清楚了恒星演化的整个
过程，并认识到恒星的寿命主要取决于它的质量。
根据大爆炸宇宙学，大爆炸 10 万年后，温度下降到了3 000 K 左右，出
现了由中性原子构成的宇宙尘埃。由于万有引力的作用，形成了更密集
的尘埃。
尘埃像滚雪球一样越滚越大，形成了气体状态的星云团。星云团的凝聚
2.若在速度为 8 km/s的飞船上有一只完好的手表走过了1min，则地面上
的人认为它走过这1min“实际”上花了多少时间?
3.一枚静止时长30 m的火箭以3 km/s 的速度从观察者的身边掠过，观察
者测得火箭的长度应为多少?火箭上的人测得火箭的长度应为多少?如果
火箭的速度为光速的一半呢?
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观粒子不仅具有粒子性,同时还具有波动性, 它们的运动在很多情况下不能用经典力学来 说明。20世纪20 年代量子力学的出现,才很 好地揭示了微观世界的基本规律。
普朗克等人创 立量子力学
思考：经典力学的局限性和适用范围？
经典力学只适用于低速、宏 观、弱引力的情况。
当物体的速度远小于光速c
时,相对论物理学和经典物 理学的结论没有区别。
爱因斯坦
狭义相对 论
相对论时空观证明
强引力作用下出现的问题
牛顿的万有引力定律取得了巨大的成就,但在一些问题上也 遇到了困难。例如:水星的公转轨道在不断旋进,其实际观察值 要比经典力学的预言值大。
1915年,爱因斯坦创立的广义相对论对此则能作出很好的解释,同时 还预言光线经过大质量星体附近时会发生偏转,且已被观测证实。
当另一个重要的常数即"普 朗克常量"可以忽略不计时, 量子力学和经典力学的结论 没有区别。
互为补充,互不矛盾,互不否定共同支撑起物理学科的骨架。
谢谢聆听
相对论时空观
1、两条基本假设 (1)不同惯性参考系,物理规律的形式相同 (2)任何惯性系,光速不变
爱因斯坦思维实验
相对论时空观
1、两条基本假设 (1)不同惯性参考系,物理规律相同 (2)任何惯性系,光速不变 2、狭义相对论结论
(1)同时是相对的 (2)动钟变慢 (3)动尺变短 (4)运动的物体质量变大
英国物理学家麦克斯韦根据电磁场理论预言了电磁波的存在，并证明电磁波 的传播速度等于光速 c
1887 年的迈克耳孙—莫雷实验
成为笼罩经典物理 的一朵乌云。
在不同的参考系中，光的传播速度都是一样的！
1905年,出生于德国的美
籍物理学家阿尔伯特·爱因斯 坦(1879-1955)发表了狭义相对 论。这个理论指出在宇宙中唯 一不变的是光线在真空中的速 度,其它任何事物──速度、长 度、质量和经过的时间,都随观 察者的参考系(特定观察)而变化。

问题的答案似乎应为 1.2c，然而，事实并非如此！因为经典力学 不再适用。经典力学只适用于解决宏观低速运动问题，不能用来 处理高速运动或者微观问题，要解决这一问题就需要用到相对论 时空观。
二、相对论时空观
19世纪，英国物理学家麦克 斯韦根据电磁场理论预言了 电磁波的存在，并证明电磁 波的传播速度等于光速c。 这个速度是相对哪个参考系 而言的？
2．相对论时空观的内容 时间和空间是相互联系、相互影响的，并且与物质的存在及运 动 有关。
思考讨论：在经典物理学中，如果两个事件在一个参考系中是同 时的，在另一个参考系中一定也是同时的。但是，如果按照爱因 斯坦的两个假设，结论还是这样吗？
根据爱因斯坦假设：真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是 相同的，两个事件在一个参考系中是同时的，在另一个参考系中不 一定也是同时的。
1、爱因斯坦的两个假设
（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；表明在任何惯性系中研究某个物体的某一运动过程，其运动规律 形式不变。 （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。表明了经典时空观与相对论时空观的不同。
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！
1、牛顿力学时空观 时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的。这种绝对时空观， 也叫牛顿力学时空观。
在牛顿力学时空观里，时间像一条看不见的“长河”，均匀地自行流 逝着，空间像一个广阔无边的房间，它们都不影响物体及其运动。所 以不管选什么参考系，不管物体怎么运动，物体的时间、长度、质量 等等的测量结果肯定是一样的。
车上的观察者:闪光同时到达车厢的前后两壁 地面上的观察者:闪光先到达车厢后壁，后到达前壁

(2)牛顿力学的局限性：牛顿力学对于 高速运动的物体和电 子、质子、中子等微观粒子是不适用的。
(3)量子力学的建立能够很好地描述 微观粒子 运动的规律， 并在现代科学技术中发挥了重要作用。
(4)相对论与量子力学都没有 否定 过去的科学，而只认为过 去的科学是自己在一定条件下的 特殊 情形。
经典力学与相对论、量子力学的比较
7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性
第 5 节 相对论时空观与牛顿力学的局限性
课标要求 1．知道什么是绝对时空观和相对论时空观。 2．知道爱因斯坦的两个假设。 3．知道时间延缓效应和长度收缩效应。 4．了解牛顿力学的局限性和适用范围。
从文艺复兴开始的近代科学革命，经过伽利略、第谷、开普 勒等人的工作，科学取得很大进步，这种发展到牛顿那里 达到顶峰.
答案：A
【基础练习】
• 1、物理学的发展丰富了人类对物质世界的认识,推动了科学技术的创新和革命,促进了物质生产 的繁荣与人类文明的进步。下列表述正确的是( )
A.牛顿发现了万有引力定律 B.牛顿通过实验证实了万存引力定律 C.相对论的创立表明经典力学已不再适用 D.爱因斯坦建立了狭义相对论,把物理学推广到高速领域
2．相对性原理 (1)根据麦克斯韦的电磁理论，真空中的光速在任何惯性系 中都是一个常量。 (2)迈克耳孙—莫雷实验证明：不论光源与观察者做怎样的 相对运动，光速都是相同的。
3．爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设 (1)在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的。 (2)真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。 4．长度的相对性——“动尺变短” 狭义相对论中的长度公式：l＝l0 1－vc2中，l0 是相对于 杆静止的观察者测出的杆的长度，而 l 可以认为是杆沿自己的长 度方向以速度 v 运动时，静止的观察者测量的长度。

•
4、 生活是由苦乐、美丑交织而成的经纬网 ，它穿 越时空 而光芒 犹在。 需要我 们不断 探索和 思考人 生，只 要我们 能够在 思考之 中不断 添加沙 子、水 和石头 ，人生 就变得 充实。
•
5、我站在金急雨的花树下，将那颗好 奇心小 心翼翼 地放进 心中的 角落， 用她给 我的充 满爱的 心温暖 自己。
5.相对论时空观与牛顿力学的局限性
一、相对论时空观 【思考】 一架飞机在上海杨浦大桥上空匀速飞过,飞机飞行方向 与大桥平行,问飞机上的乘客看到的大桥长度与静止观 察时相比有什么变化? 提示:变短了。
1.爱因斯坦两个假设: (的1;)在不同的惯性参考系中,物理规律的形式都是_相__同__ (2)真空中的光速在不同的参考系中大小都是_____的。
【解析】当火箭速度较低时,火箭上的人看到铁路的长 度基本不变,还是100 km。 当火箭的速度达到0.6c时,由相对论长度公式 l= 代l=入1l00相01－×应( vc的)2数k据m得=:80 km。 答案:100 km 80 km
1－0.62
【拓展例题】考查内容:光速不变原理的理解 【典例示范】科学家预言,在遥远的将来,离子推进发 动机驱动的宇宙飞船很可能会用于宇宙航行,这种飞船 能以接近光速飞行。设想在以0.9c飞行的飞船上打开 一个光源,则下列说法正确的是( )
•
6、对你唯有惊鸿一瞥，却窥见了一种 平淡致 远的处 世态度 ，淡罢 ，淡罢 ，绝不 为万物 所主宰 ，我独 逍遥于 濯浊之 外，蝉 蜕去拖 累，只 愿抱明 月而长 终。江 边一蓑 烟草， 一片缟 素。
•
7、天空不留下飞鸟的痕迹，但它已飞 过。飞 翔不是 为了留 下痕迹 ，而是 在飞翔 中尽情 享受自 由和快 乐!
低速

题组二 相对论时空观
题4 某物体在静止时的质量为m0，在速度为v的高速（接近光速）
情况下质量为m，则由狭义相对论可知，物体速度v为（ ）
A. m0 gc m
B1.
m02 m2
gc
1
m0 m
Cgc .
1
m02 m2
gc
D.
【解析】
根据m1m0=vc22
可1 mm得022 gvc =
【答案】 B
题2［2019•广东佛山一 中高一检测］经典力学不 能适用B下列哪些运动 （） A. 火箭的发射 B. 微观粒子的波动性 C. “勇气号”火星探测 器在太空 的运动 D. 宇宙飞船绕地球的运 动
题3［多选］下列说法正确B的D是（ ） A. 不论是对宏观物体，还是微观粒子， 经典力学和量子力学都是适用的 B. 当物体运动速度很大（接近光速） 时，经典力学理论所得的结果与实际 结果之间出现了较大的偏差 C. 在经典力学中，物体的质量是不变 的，在狭义相对论中，物体的质量随 物体速度增大而减小 D. 牛顿的引力理论不能用于中子星表 面
任何物体都具有波动性，你坐在椅子上，你是波 动的，有波长。
物体的位置是不确定的，只能用几率来反映
六、从弱引力到强引力 1.物体间的万有引力是弱引力，经典力学适用
2.天体半径减小到一定程度时(太阳的引 力半径为3 km，地球的引力半径为1 m, 如白矮星)，天体间的引力就趋于无穷 大 ，强引力。黑洞这种极端条件下的 宇宙天体。它有极强的吸引力，黑洞本 身的巨大质量造成空间弯曲
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。
五、从宏观到微观
19世纪末-20世纪初，深入到微观领域，发现电子、质子、 中子等微观粒子不仅具有粒子性，同时还具有波动性， 很多情况下经典力学说明不了。