第七章　5.相对论时空观与牛顿力学的局限性.docxVIP

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5.相对论时空观与牛顿力学的局限性

【课程标准】

1.知道牛顿力学的局限性,体会人类对自然界的探索是不断深入的。

2.初步了解相对论时空观。

3.关注宇宙起源和演化的研究进展。

【知识导图】

【情境引入】

假设真空中光速为c,设想未来人类可以乘坐速度为0.6c的飞船进行星际航行。若飞船向正前方的某一星球发射一束激光。那么,在该星球上的观察者测量到的这束激光的速度该是多少呢?

按照牛顿力学理论,观察者测量到的该束激光的速度应为c+0.6c=1.6c。可是事实上并非如此,观察者测量到的该束激光的光速仍为c。当然,前提是该观察者测量准确且该束激光始终在真空中穿行。那么,这是怎么回事呢?为什么牛顿力学在这儿行不通了呢?相信学了今天的内容,了解了牛顿力学的局限性、了解了爱因斯坦的相对论时空观,你就会豁然开朗了。

必备知识·认知导学

一、相对论时空观

也叫牛顿力学时空观

1.绝对时空观:时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的。

2.爱因斯坦的两个假设:

(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。

3.同时的相对性:根据爱因斯坦的假设,如果两个事件在一个参考系中是同时的,但在另一个参考系中不一定是同时的。

4.爱因斯坦假设的结果

(1)时间延缓效应

如果相对于地面以v运动的惯性参考系上的人观察到与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为Δτ,地面上的人观察到该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为Δt,那么两者之间的关系是Δt=Δτ1-(vc)2,由于1-(vc)2

(2)长度收缩效应

如果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,那么两者之间的关系是l=l01-(vc)2,由于1-(vc)21,

5.相对论时空观: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。

二、牛顿力学的成就与局限性

1.牛顿力学的成就:从地面上物体的运动到天体的运动,都服从牛顿力学的规律。

2.牛顿力学的局限性:

(1)微观世界:电子、质子、中子等微观粒子,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)牛顿力学只适用于低速运动,不适用于高速运动。

【对号入座】

如图所示,一同学在教室上课,教室的长度为9m,教室中间位置有一光源。有一飞行器从前向后高速通过教室外侧,已知光速为c,飞行器中的飞行员认为正确的是③。?

①教室中的时钟变快

②教室的长度大于9m

③从光源发出的光先到达教室后壁

④光源发出的光,向后的速度小于c

【明辨是非】

1.原子的运动能用牛顿力学描述。(×)

提示:原子是微观粒子,不能用牛顿力学描述,要用量子力学描述。

2.长度收缩效应是指物体的实际长度变短了。(×)

提示:长度收缩效应是因为相对运动引起的观测效应,实际长度不变。

3.经典力学只适用于世界上普通的物体,研究天体的运动,经典力学就无能为力了。(×)

提示:天体运动可以用经典力学研究。

4.对于宏观物体的低速运动问题,相对论、量子力学与经典力学是一致的。(√)

关键能力·探究导思

学习任务一相对论时空观

探锚——情境创设启发设问

如图,静止在地球上的人测得地月之间的距离为l0,坐在高速飞行飞船里的航天员测得地月之间的距离仍为l0吗?

提示:不是,航天员测得的地月之间的距离小于l0。

解锚——要点归纳规律概括

1.低速与高速

(1)低速:通常所见物体的运动,如行驶的汽车、发射的导弹、人造地球卫星及宇宙飞船等物体皆为低速运动物体。

(2)高速:有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近,这样的速度称为高速。

提醒:(1)这里的“低速”与“高速”是与真空中光速相比较而言的,和我们平时说的低速、高速含义不同。

(2)由于宏观物体的速度很难达到接近光速的程度,因此平时宏观物体在运动中的相对论效应不明显。

2.经典力学与相对论时空观的比较

项目

经典力学

相对论时空观

“同时”的相对性

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

在一个参考系中不同地点同时发生的两个事件,在另一个参考系中不一定是同时的

时间间隔的相对性

某两个事件,在不同的惯性参考系中观察,它们的时间间隔总是相同的

某两个事件,在不同的惯性参考系中观察,它们的时间间隔是不相同的

长度的相对性

一根杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同

“长度”也具有相对性,一根沿自身长度方向运动的杆,其长度总比静止