【新教材】7.5-相对论时空观与牛顿力学的局限性-课件-人教版高中物理必修第二册(共34张PPT)

第七章万有引力与宇宙航行7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性【新课导入】设想人类可以利用飞船以0.2c的速度进行星际航行。若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？一、相对论时空观1、牛顿力学时空观生活经验让我们体会到，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。也就是说，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2、爱因斯坦假设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。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闪光，闪光照到了车厢的前壁和后壁。车上的观察者以车厢为参考系，因为车厢是个惯性系，光向前、后传播的速率相同，光源又在车厢的中央，闪光当然会同时到达前后两壁（图7.5-1甲）。对于车下的观察者来说，他以地面为参考系，因闪光向前、后传播的速率对地面也是相同的，在闪光飞向两壁的过程中，车厢向前行进了一段距离，所以向前的光传播的路程长些。他观测到的结果应该是：闪光先到达后壁，后到达前壁（图7.5-1乙）。因此，这两个事件不是同时发生的。1966年，真的做了一次双生子旅游实验，用来判断到底那个寿命长，同时也一劳永逸地结束了纯理论的争论。不过旅游的不是人，仍然是μ子。旅途也不在天外，而是一个直径大约为十四米的圆环。μ子从一点出发沿着圆轨道运动再回到出发点，这同乙的旅行方式是一样的。实验的结果是，旅行后的μ子的确比未经旅行的同类年轻了。我们似乎可以这样作结论了：谁相对于整个宇宙做更多的变速运动，谁就会活得更长久。佯谬也就不存在了。实验一1971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。实验二地球以一定的角速度向东转，地面不是惯性系，而从地心指向太阳的参考系是惯性系（忽略地球公转）。飞机的速度总小于地球自转速度，所以无论飞机向东还是向西，它相对于惯性系都是向东，只是前者速度大，后者小。而地面上的钟的转速度介于二者之间。这暗示着，人要活得更长久，应该不断地向东飞去，使得地球的转动速度叠加上飞机的速度。上述实验表明，相对于惯性系转速越大的钟走得越慢。这和孪生子问题所预期的效应是一致的。所以似也不应再说：“孪生子佯谬”，而应是孪生子效应了。然而人们所获得的比一秒还短得多的生命延长，远远不及劣质飞机餐对健康的残害！——霍金《时间简史》这暗示着，人要活得更长久，应该不断地向东飞去，使得地球的转动速度叠加上飞机的速度。二、牛顿力学的成就与局限性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。”重大成就时间阿基米德发现浮力定律公元前三世纪开普勒发现行星运动定律1609，1619伽利略阐明了运动的相对性原理1632伽利略发现了自由落体运动规律、惯性原理1638帕斯卡发现帕斯卡原理1653马德堡半球实验：验证大气压力1663发现胡克定律——弹簧弹力和形变的关系1678牛顿发表《自然哲学的数学原理》，阐明了运动定律和万有引力定律1687亚里士多德伽利略笛卡尔惠更斯牛顿主要科学研究方法力学方面的主要成就观察、思维、推理观察实验、假设、数学推理三者相结合两个反面结论：①力是维持物体运动的原因②重物体比轻物体下落得快①自由落体运动规律②力学相对性原理实验观察、数学推理惯性定律实验、数学推理①制成了世界上第一架计时摆钟②测量出重力加速度的值归纳与演绎、综合与分析、实验观察①三大运动定律②万有引力定律(1)实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合。(2)确定了自然科学应有的基本特征。(3)将“实验和数学”相结合的方法推广到物理学的各个分支，形成了完整的经典力学体系。牛顿伽利略、第谷哥白尼、亚里士多德笛卡尔、胡克、哈雷等开普勒经典力学在宏观、低速、弱引力的广阔领域；包括天体力学的研究中经受住了实践的检验，取得了巨大的成功体会经典力学的巨大成就：从自然现象到人工建筑，经典力学在如此广阔的领域内与实际相符。。。。经典力学在哪些领域取得了巨大成就？从天体运动、大气流动到地壳的变动‥‥‥都服从经典力学规律从拦河筑坝、修建桥梁到各种交通工具、各种机械建筑、卫星飞船…都服从经典力学规律阿波罗8号从月球返航途中，地面控制中心：是谁在驾驶？指令长：我想现在是牛顿在驾驶！自然和自然的法则在黑暗中隐藏；上帝说，让牛顿去吧！于是一切都被照亮。18世纪英国诗人蒲柏，在牛顿的墓志铭上写道：像一切科学一样，经典力学没有也不会穷尽一切真理，它也有自己的局限性．它像一切科学理论一样，是一部“未完成的交响曲”．那么经典力学在什么范围内适用呢?有怎样的局限性呢?19世纪末，在迎接新世纪到来的时候，著名英国物理学家威廉•汤姆生踌躇满志地宣告：“科学的大厦已经基本建成，后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了，在物理学睛朗天空的远处，还有两朵小小的、令人不安的乌云！”20世纪初，著名物理学家爱因斯坦创立了狭义相对论。爱因斯坦在狭义相对论中阐述了物体以接近光速运动所遵循的规律，得出了一些不同于经典力学的观念和结论。高速世界（接近光速）随着物体运动速度的加快，时间会变慢。以接近光速运行的火箭的长度会比它静止时更短，尽管乘坐火箭的人看来并没有什么两样。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。物体的质量随速度的增大而增大1905年，爱因斯坦提出，物体高速时（接近光速），物体所占空间（如长度），物理、化学过程，生命持续时间，都与运动状态有关，时间与空间都与运动相关联了------------狭义相对论20世纪20年代普朗克建立的量子力学能很好地描述微观粒子的运动规律微观粒子不仅具有粒子性还具有波动性的特点经典力学无法解释相继发现了电子、质子、中子等微观粒子1、19世纪末20世纪初人们发现了哪些微观粒子？2、微观粒子有什么特性是经典力学无法描述的？3、什么理论能很好地描述微观粒子的运动规律？相对论和量子力学的出现，说明人类对自然界的认识更加广泛和深入，而不表示经典力学失去了意义．它只是使人们认识到经典力学有它的适用范围：只适用于低速运动，不适用于高速运动，只适用于宏观世界，不适用于微观世界。4、相对论和量子力学的出现，是否表示经典力学失去了意义?伦琴汤姆生贝克勒耳第二次革命的导火索，是物理学史上的三大发现：伦琴发现X射线、汤姆生发现、贝克勒耳发现天然放射线，使物理学的研究从宏观领域进入了微观世界。人们发现，微观粒子所表现出的现象用经典物理理论根本无法解释。为了克服这一困难，德国物理学家普朗克大胆提出了量子的观点，爱因斯坦等物理学家又将量子论进一步丰富、发展，形成了现代量子力学理论。普朗克