資源簡介

(共38張PPT)
相對論時空觀與牛頓力學的局限性
至少需要接收幾顆衛星的信號才能準確定位？
北斗衛星導航系統
1 愛因斯坦狹義相對論的基本假設
知道愛因斯坦狹義相對論的兩個基本假設。
3 牛頓力學的局限性
知道牛頓力學只適用于低速、宏觀物體的運動
學習目標
2 相對論時空觀
知道同時的相對性和長度、時間間隔相對性的表達式
時間與空間都是獨立于物體及其運動而存在的。
絕對時空觀
“絕對空間，就其本性來說，與任何外在的情況無關，始終保持著相似和不變。”
“絕對的純粹的數學的時間，就其本身和本性來說，均勻地流逝而與任何外在的情況無關。”
——牛頓 《自然哲學的數學原理》
牛頓
絕對時空觀
經典力學中的速度變換關系
!
光在真空中的速度不依賴于參考系。
狹義相對論產生的歷史背景
牛頓力學與電磁場理論的沖突
麥克斯韋
反光鏡 C
反光鏡 B
分光鏡 A
觀測屏 D
光源 S
邁克爾孫—莫雷實驗
狹義相對論產生的歷史背景
1887年，邁克爾孫和莫雷在美國克利夫蘭用邁克爾遜干涉儀測量兩垂直光的光速差值。實驗結果證明光速在不同慣性系和不同方向上都是相同的！
光速在不同慣性系和不同方
向上都是相同的！
在不同的慣性參考系中，物理規律的形式都是相同的。
狹義相對論的兩個假設
真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的。
狹義相對論的相對性原理
光速不變原理
光速具有絕對性。問題出現在絕對時空觀念上。
史實資料——說明光速不變
九百多年前，有一次非常著名的超新星爆發事件，當時北宋王朝的天文學家做了詳細的記載。
據史書稱：爆發出現在宋仁宗至和元年（1504年）五月。在開始的二十三天中這顆超新星非常之亮，白天也能在天空上看得到它，隨后逐漸變暗，直到嘉佑元年（1056年）三月，才不能為肉眼看見，前后歷時二十二個月。這次爆發的殘骸就形成了著名的金牛座中的星云,叫做蟹狀星云。
蟹狀星云
任務一 閱讀資料，回答問題
史實資料——說明光速不變
當恒星發生超新星爆發時，它的外圍物質向四面八方飛散。有些爆發物會向著地球運動，如圖A處，有些則在垂直方向運動，如圖B處。
(1) 如果光速服從經典的速度變換關系，試估算A、B處的強光到達地球的時間差。
(2) 將上述結果與史實對比，說明了什么？
地球
超新星
A
B
光年
史實資料——說明光速不變
地球
A
B
超新星
解：(1) 如果光速服從經典的速度變換關系，那么A點向我們發出的光的速度是 ，而B點向我們發來的光的速度大約仍是，這樣，由A點發的光到達地球的時間是 ，由B點發的光到達地球的時間是 ，代入 、的數值，得
年。
史實資料——說明光速不變
地球
A
B
超新星
(2) 如(1)所述，
我們至少在25年的時間內都可以看到爆發時產生的強光。然而，歷史記載，歲余稍沒，一年多就看不見強光了。這就證明光速并不遵從經典的速度變換關系。
相對論時空觀——同時的相對性
在車廂參考系系（慣性系）中觀察：
系觀察，光信號同時到達車廂前后壁。
物理規律：
系
在地面參考系系（慣性系）中觀察：
物理規律 形式不變
系
系
在系觀察，光信號先到達后壁，后到達前壁
結論：
“同時”是相對的，它決定于選用哪一個參考系。當參考系變化時，同時的事件可能變成不同時。
相對論時空觀——同時的相對性
相對論時空觀——時間延緩效應
反射板
雷達
相對論時空觀——時間延緩效應
甲
乙
在S系中測量發生在S系中的事件，測得的時間為原時。
站在甲的立場：
甲鐘
原時
相對論時空觀——時間延緩效應
原時
甲鐘
站在甲的立場：
乙鐘
甲的結論是：乙鐘比我的鐘慢了。
相對論時空觀——時間延緩效應
站在甲的立場：
動時
相對論時空觀——時間延緩效應
乙鐘
站在乙的立場：
乙鐘
原時
甲鐘
乙的結論是：甲鐘比我的鐘慢了。
動時
相對論時空觀——時間延緩效應
結論：運動的鐘會變慢。
相對論時空觀——時間延緩效應
任務二 推導原時與動時的關系
相對論時空觀——時間延緩效應
這種情況稱為時間延緩效應。
任務二 推導原時與動時的關系
相對論時空觀——時間延緩效應
相對論時空觀——長度收縮效應
系中測量尺子的長度為，稱為靜長。
系中測量尺子的長度為，稱為動長。
系
系
（沿尺子的方向）
這種情況稱為長度收縮效應。
甲
系
乙
系
（沿尺子的方向）
甲
系
（沿尺子的方向）
乙
系
甲看到乙的尺子縮短了。
乙看到甲的尺子縮短了。
相對論時空觀——長度收縮效應
站在甲的立場
站在乙的立場
相對論時空觀的驗證
從東向西飛行
從西向東飛行
比靜止在地面上的鐘快了273納秒左右
比靜止在地面上的鐘慢了59納秒左右
實驗結果與相對論的理論預言符合得很好。
宇宙射線中的粒子跟大氣分子碰撞可以產生一種新的粒子叫 子， 子以甚至更高的速度飛行。根據經典理論可計算出每秒到達地球的 子數，但這個數值小于實際觀察到的 子數。
相對論時空觀的驗證
子低速運動時，它的平均壽命是。當 子以的速度飛行時，(1)若選 子為參考系， 子的平均壽命是多少？(2)若以地面為參考系， 子的平均壽命是多少？(3)如何解釋地面附近實際觀測到的 子數大于經典理論作出的預言？
任務三 應用所學，解釋現象
相對論時空觀的驗證
(2) 若以地面為參考系， 子的平均壽命為
解：(1) 若選 子為參考系， 子的平均壽命為；
任務三 應用所學，解釋現象
(3) 由于平均壽命增加，飛行的距離也變大了，所以在地面附近實際
相對論時空觀的驗證
觀測到的 子的數量就多了。
有傳言稱，根據相對論時空觀，速度越快，時間越慢，如果乘坐宇宙飛船以光速飛行，就實現可以長生不老了。你同意這種說法嗎？
這種說法是錯誤的。飛船內部的時間會正常流逝。
任務四 應用所學，辨別傳言
相對論時空觀的理解
高鐵列車以400km的時速相對地面做勻速直線運動。地面一事件歷時10s，在列車參考系測得此事件歷時多久？
地面上的事件在地面參考系測量的是原時，
在列車參考系測量得到的時間為動時
相對論時空觀的理解
只有當運動速度非常接近光速時，靜止者看到運動者的時間延緩效應才會明顯。
相對論時空觀的理解
時間延緩的比率
速度
5
4
3
2
1
運動物體的速度與時間延緩的關系
牛頓力學的成就與局限性
1. 舉例說明，哪些成就得益于牛頓力學理論？
2. 牛頓力學理論的適用條件是什么？
3. 牛頓力學理論與相對論物理學、量子力學有何關系？
低速運動，宏觀物體。
攔河筑壩，修建橋梁，發射衛星……
它作為某些條件下的特殊情形，被包含在相對論、量子力學之中。
任務五 閱讀教材，回答問題
北斗衛星導航系統
A
B
C
北斗衛星導航系統
受相對論效應的影響，衛星和地面接收機的時間流逝并不同步，需要引入第四顆衛星，用于同步各顆衛星和接收機的時間。
課堂檢測
如圖所示，某人在地面測量身高為，當她乘坐火箭以的速度勻速離開地面，在火箭里再次測量身高，得到的結果應該是（ ）
>1.65m
<1.65m
=1.65m
不確定
0
(a) 在地面測量
(b) 在火箭上測量
0
C
課堂小結
愛
因
斯
坦
狹
義
相
對
論
基
本
假
設
相對論時空觀
狹義相對論的相對性原理
光速不變原理
同時的相對性
長度收縮效應
牛頓力學的局限性
低速
宏觀
量子
力學
遠小于時的特殊情形
高速
微觀
可忽略時的特殊情形
時間延緩效應
課后作業
閱讀教材“科學漫步”欄目，了解宇宙的起源與演化，了解恒星的演化。

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