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第五節(jié)
相對論時空觀與牛頓力學(xué)的局限性
第七章 萬有引力與宇宙航行
目錄
素養(yǎng)目標(biāo)
01
課程導(dǎo)入
02
新課講解
03
總結(jié)歸納
04
課堂練習(xí)
05
素養(yǎng)目標(biāo)
1.通過運動的相對性，知道時空觀與參考系的聯(lián)系；知道牛頓引入絕對時空觀的原因
2.通過對相對論的理論基礎(chǔ)與相對論時空觀的幾個推論的了解，知道相對論時空觀對人們認(rèn)識世界的影響。并能知道絕對時空觀與相對論時空觀的主要區(qū)別
3.通過理解教材上的分析過程，知道時間延緩效應(yīng)和長度收縮效應(yīng)以及相應(yīng)的表達(dá)式
在科幻電影中，常有這樣的情形：以 0.2c 的速度的飛船正在進(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，以便測量其間距離，那么該星球上的觀察者測量到的激光的速度是多少？
要解決這個問題，我們需要先了解一下不同的時空觀……
新課講解
生活經(jīng)驗讓我們體會到，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動。也就是說，時間與空間都是獨立于物體及其運動而存在的。這種絕對時空觀，也叫牛頓力學(xué)時空觀。
v水岸
v船水
v水岸
v船岸
v船水
船相對岸邊的速度：
溫故知新
具體到我們在進(jìn)行科學(xué)研究時，描述一個物體的運動，必須選擇一個參考系（參照物），然后研究這一物體相對于參考系是如何運動的。
例如： 兩個小球一起做自由落體運動，均受到重力的作用，如果以紅球為參考系，則綠球是靜止的，而綠球受到的合外力不為零。所以綠球相對于紅球這個參考系而言，并不符合牛頓運動定律。
慣性參考系——牛頓運動定律成立的參考系
非慣性參考系——牛頓運動定律不成立的參考系
簡單來說：相對于物體做勻速直線運動的參考系都是慣性系，而對于物體做變速運動的參考系為非慣性系。
回到剛才的問題，星球上的觀察者測量到的激光的速度是多少？
問題的答案似乎應(yīng)為 1.2c，然而，事實并非如此！因為經(jīng)典力學(xué)不再適用。經(jīng)典力學(xué)只適用于解決宏觀低速運動問題，不能用來處理高速運動或者微觀問題，要解決這一問題就需要用到相對論時空觀。
相對論時空觀
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？
麥克斯韋
1887年，美國科學(xué)家邁克耳孫和莫雷通過實驗證明了，在不同的參考系中，光的傳播速度都是一樣的！
邁克耳孫——莫雷實驗
邁克爾遜——莫雷實驗：如果地球和以太存在相對運動，則兩束光返回的時間會有微小差別，但實驗中并未發(fā)現(xiàn)任何時間差
這樣就出現(xiàn)了矛盾：用牛頓經(jīng)典力學(xué)的絕對時空觀來看問題的答案似乎應(yīng)為 1.2 c，然而，用邁克爾孫-莫雷實驗卻明白無誤地說明，答案應(yīng)該仍然是 c。科學(xué)家為此爭論不休，直到愛因斯坦提出相對論時空觀。
以愛因斯坦和龐加萊為代表的另一批物理學(xué)家，堅決主張徹底放棄某些與實驗事實不相符的觀念，如絕對時間的觀念，在實驗事實的基礎(chǔ)上，大膽提出，能夠更好地解釋實驗現(xiàn)象的假設(shè)。
儒勒·龐加萊（法）
愛因斯坦
相對論的兩個基本假設(shè)
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。
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，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！
牛頓力學(xué)與電磁理論的沖突
思考討論：在經(jīng)典物理學(xué)中，如果兩個事件在一個參考系中是同時的，在另一個參考系中一定也是同時的。但是，如果按照愛因斯坦的兩個假設(shè)，結(jié)論還是這樣嗎？
時間和空間是相互聯(lián)系、相互影響的，并且與物質(zhì)的存在及運動有關(guān)。
相對論時空觀的內(nèi)容
同時的相對性
相對論時空觀
假設(shè)一列火車沿平直軌道飛快的勻速行駛。車廂中央光源發(fā)出閃光，閃光照射到車廂前壁和后壁。
車廂中的觀察者以車廂為參考系
車下的觀察者以地面為參考系
同時的相對性——車廂中的觀察者以車廂為參考系
相對論時空觀
車內(nèi)觀察者看到閃光同時傳到前后兩壁
同時的相對性——車下的觀察者以地面為參考系
相對論時空觀
車下觀察者看到閃光先到達(dá)后壁，后到達(dá)前壁
同時性是相對的！！
同時的相對性
相對論時空觀
假設(shè)一列火車沿平直軌道飛快的勻速行駛。車廂中央地板光源發(fā)出激光，車廂高度為 d，光速為 c
車廂中的觀察者以車廂為參考系
車下的觀察者以地面為參考系
激光源
d
同時的相對性——車廂中的觀察者以車廂為參考系
相對論時空觀
激光源
d
同時的相對性——車下的觀察者以地面為參考系
相對論時空觀
激光源
d
v
d
激光源
d
v t
同時的相對性——車下的觀察者以地面為參考系
相對論時空觀
同時的相對性——時間延緩效應(yīng)
相對論時空觀
由于 ，所以總有 Δt >Δτ，此種情況稱為時間延緩效應(yīng)。
（1）
如果相當(dāng)于地面以v 運動的慣性參考系上的人觀察到與其一起運動的物體完成某個動作的時間間隔為Δτ，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，則
事實上，上述例子中的火車在運動的速度相比于光速，是很小的，由此引起的時間延緩效應(yīng)不明顯，如果火車的運動速度很大，我們就可以在上面放置時鐘，那么就會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象：
火車上的人看時鐘，沒有什么異常；
地面的人看時鐘，由于時間延緩效應(yīng)，時鐘變慢了。
這樣的現(xiàn)象稱為動鐘變慢
同時的相對性——長度收縮效應(yīng)
相對論時空觀
如果與桿相對靜止的人測得桿長是 l0 ，沿著桿的方向，以 v 相對桿運動的人測得桿長是 l，那么兩者之間的關(guān)系是
（2）
由于 ，所以總有 l < l0，此種情況稱為長度收縮效應(yīng)。
同樣上述例子中的火車，如果火車的運動速度很大，我們就可以在上面放置直尺，那么就會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象：
火車上的人看直尺，沒有什么異常；
地面的人看直尺，由于長度收縮效應(yīng)，直尺變短了。
這樣的現(xiàn)象稱為動尺變短
（1）式和（2）式表明：運動物體的長度（空間距離）和物理過程的快慢（時間進(jìn)程）都跟物體的運動狀態(tài)有關(guān)。
這個結(jié)論具有革命性的意義，它所反映的時空觀稱作相對論時空觀。
愛爾蘭物理學(xué)家佛茲杰拉德提出，物質(zhì)會在運動的方向上收縮（縮小），這意味著根據(jù)一個靜止觀察者的觀點，一枚以接近光線運行的火箭所表現(xiàn)出的長度會比它靜止時更短，盡管乘坐火箭的人看來并沒有什么兩樣。
愛因斯坦指出，任何物體以光速運動時，其長度將會縮短為零。
相對論還有一個重要觀點是，物體的質(zhì)量也會隨著速度的增大而變化，我們稱為動質(zhì)變大。這一點在微觀粒子的高速運動中尤為顯著。
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)的基礎(chǔ)是牛頓運動定律,萬有引力定律的建立與應(yīng)用更是確定了人們對牛頓力學(xué)的尊敬.在宏觀物體做低速運動的廣闊領(lǐng)域，牛頓力學(xué)與實際相符合,顯示了牛頓運動定律的正確性和牛頓力學(xué)的魅力.
2.牛頓力學(xué)的局限性:
①微觀世界:電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子，發(fā)現(xiàn)它們不僅具有粒子性,同時還具有波動性，它們的運動規(guī)律在很多情況下不能用牛頓力學(xué)來說明。
②牛頓力學(xué)只適用于低速運動，不適用于高速運動。
3.相對論和量子力學(xué)與牛頓力學(xué)的關(guān)系：
當(dāng)物體的運動速度遠(yuǎn)小于光速c時，相對論物理學(xué)與牛頓力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別；當(dāng)另一個重要常數(shù)即普朗克常量h可以忽略不計時,量子力學(xué)和牛頓力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別.相對論和量子力學(xué)都沒有否定牛頓力學(xué),只是認(rèn)為牛頓力學(xué)是在一定條件下的特殊情形.
按照萬有引力定律，宇宙中的星系之間存在引力，隨著時間的推移，它們有可能會互相靠攏。然而，1929年美國天文學(xué)家哈勃發(fā)現(xiàn)，銀河系以外的大多數(shù)星系都在遠(yuǎn)離我們而去，距離越遠(yuǎn)，離開的速度越大。這表明，我們所處的宇宙正在膨脹。
宇宙留給人們的思考和疑問深邃而廣闊
宇宙的起源與演化
天文學(xué)家根據(jù)各種恒星的觀測和理論研究，弄清楚了恒星演化的整個過程，并認(rèn)識到恒星的壽命主要取決于它的質(zhì)量。
幾十年來，科學(xué)家們一直在尋找黑洞。
2016年2月11日，科學(xué)家宣布激光干涉引力波天文臺（LIGO）探測到了由黑洞合并產(chǎn)生的一個時間極短的引力波信號，這次探測和后來的探測結(jié)果證明了黑洞的存在
恒星的演化
經(jīng)典例題
1.下列運動，不能用牛頓力學(xué)規(guī)律描述的是( )
A.子彈的飛行
B.“復(fù)興號”動車的運行
C.粒子以接近光速運動
C
1.答案：C
解析：牛頓力學(xué)適用于宏觀、低速物體的運動，不適用于高速運動和微觀粒子的運動；故子彈的飛行、“復(fù)興號”動車的運行可以用牛頓力學(xué)規(guī)律描述；粒子以接近光速運動不能用牛頓力學(xué)規(guī)律描述。故選C。
經(jīng)典例題
2.關(guān)于牛頓力學(xué)、相對論和量子力學(xué)的說法，正確的是( )
A.牛頓力學(xué)僅適用于宏觀、低速運動的物體
B.在不同慣性系中物理規(guī)律是不同的
C.真空中一艘速度為0.7c的飛船上發(fā)出一束光線，則光速為1.7c
D.在速度為0.7c的飛船上觀察地面上的物體長度為L，則物體的實際長度比L短
A
經(jīng)典例題
2.答案：A
解析：A.牛頓力學(xué)僅適用于宏觀、低速運動的物體，故A正確;
B.在不同慣性系中物理規(guī)律是相同的，故B錯誤;
C.根據(jù)光速不變原理可知，真空中一艘速度為0.7c的飛船上發(fā)出一束光線，則光速為c，故C錯誤;
D.在速度為0.7c的飛船上觀察地面上的物體長度為L，根據(jù)尺縮效應(yīng)可知，物體的實際長度比L長，故D錯誤。故選A。
經(jīng)典例題
3.如圖，假設(shè)一列火車沿平直軌道飛快地勻速向右行駛。車廂中央的光源發(fā)出了一個閃光。下列說法正確的是( )
A.地面上的人看到的光速等于原光速加上火車的速度
B.地面上的人看到的光速等于原光速減去火車的速度
C.地面上的人看到前后兩道光速同時到達(dá)前后壁
D.火車上的人看到前后兩道光速同時到達(dá)前后壁
D
經(jīng)典例題
3.答案：D
解析：ABC.地面上的觀察者認(rèn)為地面是一個慣性系，閃光向前、后傳播的速度相對地面也是相同的，地面上的人看到的光速就是原光速。但閃光飛向兩壁的過程中，車廂向前行進(jìn)了一段距離，所以向前的光傳播的路程長些，到達(dá)前壁的時間也就晚些。故ABC錯誤；
D.因為車廂是個慣性系，光向前、后傳播的速度相同，光源又在車廂的中央，火車上的人看到前后兩道閃光會同時到達(dá)前、后兩壁。故D正確。
故選D。
經(jīng)典例題
4.下列說法正確的是( )
A.狹義相對論下的時空觀是一種絕對時空觀
B.牛頓力學(xué)取得了巨大成就，適用于一切領(lǐng)域
C.現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展說明牛頓力學(xué)是錯誤且毫無意義的
D.狹義相對論的其中一個假設(shè)是在不同的慣性參考系中物理規(guī)律的形式都是相同的
D
經(jīng)典例題
4.答案：D
解析：A.經(jīng)典力學(xué)的時空觀是一種絕對時空觀，經(jīng)典力學(xué)的時空觀認(rèn)為，時間、空間均是絕對的，與物體的運動狀態(tài)無關(guān)，同時也是絕對的，即在一個參考系中同時發(fā)生的兩個事件，對不同參考系中的觀察者來說也是同時發(fā)生的，故A錯誤；B.牛頓力學(xué)適用于宏觀、低速的物體，故B錯誤；C.現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展說明牛頓力學(xué)是正確且十分具有意義的，故C錯誤；D.狹義相對論的其中一個假設(shè)是在不同的慣性參考系中物理規(guī)律的形式都是相同的，故D正確。故選D。
經(jīng)典例題
5.2020年諾貝爾物理學(xué)獎授予了三位科學(xué)家，其中英國科學(xué)家羅杰 彭羅斯發(fā)現(xiàn)黑洞的形成是廣義相對論的有力預(yù)測。根據(jù)相對論的觀點，下列說法正確的是( )
A.越靠近黑洞，時鐘會變得越快
B.光速的測量結(jié)果與參考系的運動速度有關(guān)
C.同一物體的長度的測量結(jié)果與物體相對觀測者運動的速度有關(guān)
D.若兩件事在某觀察者看來是同時發(fā)生的，則在其他觀察者看來也必定是同時發(fā)生的
C
經(jīng)典例題
5.答案：C
解析：A.越靠近黑洞，引力越大，時鐘會變慢，A錯誤；
B.根據(jù)光速不變原理可知，光在真空中的速度以任何參考系都是恒定的，B錯誤；
C.同一物體的長度的測量結(jié)果與物體相對觀測者運動的速度有關(guān)，這就是相對論中的“尺縮效應(yīng)”，C正確；
D.若兩件事在某觀察者看來是同時發(fā)生的，則在其他觀察者看來不一定是同時發(fā)生的，D錯誤。
故選C。
牛頓力學(xué)在宏觀、低速、弱引力的廣闊領(lǐng)域取得了巨大的成功
只適用于低速運動，不適用于高速運動
只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界
只適用于弱引力，不適用于強(qiáng)引力。
相對論時空觀
牛頓力學(xué)的成就與局限性
（1）時間延緩效應(yīng)
（2）長度收縮效應(yīng)
1.如圖所示，一列車以接近光速的速度從地面上觀察者面前水平駛過。與坐在列車內(nèi)乘客的觀測結(jié)果相比，地面上靜止的觀察者觀測車內(nèi)同一站立的乘客( )
A.體型變瘦
B.體型變胖
C.身高變高
D.身高變矮
A
答案：A
解析：根據(jù)相對論尺縮效應(yīng)可知，在運動方向上，人的寬度要減小，在垂直于運動方向上，人的高度不變：則與坐在列車內(nèi)乘客的觀測結(jié)果相比，地面上靜止的觀察者觀測車內(nèi)同一站立的乘客體型變瘦，身高不變。故選A。
2.在高速行進(jìn)的火車車廂正中的閃光燈發(fā)一次閃光向周圍傳播，閃光到達(dá)車廂后壁時，一只小貓在車廂后端出生，閃光到達(dá)車廂前壁時，兩只小雞在車廂前端出生.則( )
A.在火車上的人看來，一只小貓先出生
B.在火車上的人看來，兩只小雞先出生
C.在地面上的人看來，一只小貓先出生
D.在地面上的人看來，兩只小雞先出生
C
答案：C
解析：火車中的人認(rèn)為，車廂是個慣性系，光向前向后傳播的速度相等，光源在車廂中央，閃光同時到達(dá)前后兩壁，則在火車上的人看來，小貓和小雞同時出生，故A、B錯誤；地面上的人認(rèn)為，地面是一個慣性系，光向前向后傳播的速度相等，向前傳播的路程長些，到達(dá)前壁的時刻晚些，故在地面上的人看來，一只小貓先出生，故C正確，D錯誤.
3.某考生現(xiàn)在正在完成100分鐘的期末物理考試，假設(shè)一艘飛船相對該考生以0.3c的速度勻速飛過（c為真空中的光速），則飛船上的觀察者根據(jù)相對論認(rèn)為該考生考完這場考試所用時間( )
A.大于100分鐘 B.等于100分鐘 C.小于100分鐘 D.不能確定
A
4.關(guān)于牛頓力學(xué)與相對論，以下說法正確的是( )
A.中國東風(fēng)27超高音速導(dǎo)彈的飛行速度可達(dá)到3400m/s，牛頓力學(xué)不再適用
B.真空中的光速大小在不同的慣性參考系中都是相同的
C.牛頓力學(xué)在微觀領(lǐng)域物質(zhì)結(jié)構(gòu)中不適用，因此帶電粒子在電場中的運動不滿足牛頓運動定律
D.對于地面上靜止不動的物體，在不同參考系中測得該物體的長度都是一樣的
B
答案：B
解析：A.中國東風(fēng)27超高音速導(dǎo)彈的運動屬于低速宏觀的運動，故A錯誤;
B.根據(jù)狹義相對論的光速不變原理，真空中光速在不同的慣性參考系中是相同的，故B正確;
C.狹義相對論即適用于高速運動的物體，也適用于低速運動的物體，經(jīng)典力學(xué)是狹義相對論在低速( )條件下的近似，理想狀態(tài)下，帶電粒子在電場中的運動也可以使用牛頓運動定律，故C錯誤;
D.根據(jù)尺縮效應(yīng)，相對論時空觀認(rèn)為運動的尺子會變短，如果物體在地面上靜止不動，在相對于地面運動的參考系里面測出物體的長度和在地面上測出物體的長度是不一樣的，故D錯誤。

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