人教版高一物理必修第二册第七章第五节-相对论时空观与牛顿力学的局限性(共24张PPT)
7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 (人教版新教材)高中物理必修二第七章【知识点+练习】
第七章 万有引力与宇宙航行5 相对论时空观与牛顿力学的局限性知识点一 经典力学的局限性一、从低速到高速1．低速与高速的概念．2．经典力学的基础是牛顿运动规律，牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的广阔领域，包括天体力学的研究中，经受了实践的检验，取得了巨大的成就．3．狭义相对论阐述的是物体以接近光的速度运动时所遵从的规律．4．在经典力学中，物体的质量是不变的，而狭义相对论指出，质量要随物体运动速度的增大而增大，即m ＝m 01－⎝⎛⎭⎫v c 2，两者在速度远小于光速的条件下是统一的． 5．经典力学认为位移和时间的测量与参考系无关，相对论认为，统一过程的位移和时间的测量与参考系有关，在不同的参考系中测量结果不同，随着速度增加，时间会变短，长度会变短，t=t 01-(v c )2，l=l 01-(v c)2． 二、从宏观到微观1．电子、质子、中子等微观粒子不仅有粒子性，同时还具有波动性，它们的运动规律在很多情况下不能用经典力学来说明，而量子力学能够正确地描述微观粒子的运动规律．2．经典力学的适用范围：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．三、从弱引力到强引力1．弱引力与强引力．(1)每一个天体都有一个引力半径，半径的大小由天体的质量决定．(2)当天体间的距离远大于引力半径时，它们间的引力就是弱引力．(3)当天体间的距离远小于引力半径时，它们间的引力就是强引力．2．经典力学与行星轨道的矛盾．按照牛顿的万有引力理论，行星应该沿着一些椭圆轨道做周期性运动，而天文观测表明，行星的轨道并不是严格闭合的，它们的近日点在不断地旋进，如水星的运动． 实际观测到的水星的运动情况与爱因斯坦广义相对论的计算结果吻合得很好．②“普朗克常量”(6.63×10－34J·s)可以忽略不计时.(2)相对论和量子力学都没有否定经典力学，经典力学是相对论、量子力学的特殊情况随堂练习1．下列说法中正确的是( )A ．经典力学适用于任何情况下的任何物体B ．狭义相对论否定了经典力学C ．量子力学能够描述微观粒子运动的规律性D ．万有引力定律也适用于强相互作用力2．(多选)20世纪以来，人们发现了一些新的事实，而经典力学却无法解释．经典力学只适用于解决物体的低速运动问题，不能用来处理高速运动问题；只适用于宏观物体，一般不适用于微观粒子，这说明( )A ．随着认识的发展，经典力学已成了过时的理论B ．人们对客观事物的具体认识在广度上是有局限性的C ．不同领域的事物各有其本质与规律D ．人类已掌握不同事物的本质3．对于公式m ＝m 01－⎝⎛⎭⎫v c 2，下列说法中正确的是( ) A ．公式中的m 0，是物体以速度v 运动时的质量B ．当物体运动速度v >0时，物体的质量m >m 0，即物体的质量改变了，故经典力学不适用C ．当物体以较小的速度运动时，质量变化十分微小，经典力学理论仍然适用，只有当物体以接近光速运动时，质量变化才明显，故经典力学仅适用于低速运动，而不适用于高速运动D ．通常由于物体的速度太小，质量的变化不能引起我们的感觉，在分析地球上物体的运动时，不必考虑质量变化4．日常生活中，我们并没发现物体的质量随物体运动的速度变化而变化．其原因是( )A ．运动中物体无法称量质量B ．物体的速度远小于光速，质量变化极小C ．物体的质量太大D ．物体的质量不随速度的变化而变化5．(多选)下列现象中能用牛顿的经典力学解释的是( )A ．高速公路上行驶的汽车B ．空气中下落的雨滴C ．原子核外电子绕核的转动D ．空气中漂浮的肥皂泡6．如图所示，强强乘坐速度为0.9c (c 为光速)的宇宙飞船追赶正前方的壮壮，壮壮的飞行速度为0.5c ，强强向壮壮发出一束光进行联络，则壮壮观测到该光束的传播速度为( )A ．0.4cB ．0.5cC ．0.9cD ．1.0c第七章万有引力与宇宙航行5 相对论时空观与牛顿力学的局限性1.C2.BC3.C4.B5、答案：ABD解析：经典力学只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界．高速公路上行驶的汽车、空气中下落的雨滴、空气中漂浮的肥皂泡都属于宏观、低速范畴，经典力学适用，A、B、D对．原子核外电子绕核的转动属于微观现象，经典力学不适用，C错．6、答案：D解析：根据光速不变原理，在一切惯性参考系中测量到真空中的光速c都一样，而壮壮所处参考系即为惯性参考系，因此壮壮观察到的光速为1.0c，选项D正确．。
7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性
2.狭义相对论的几个结论 ①同时的相对性：沿运动方向靠前的事件先发生
②长度的相对性（尺缩效应）
l l0
1
v2 c2
③时间间隔的相对性（时间延缓效应） t
④质速关系
m m0
1
v c
2 2
1
v2 c2
⑤质能关系 E mc2
三 广义相对论简介
1.广义相对性论的基本原理 1）广义相对性原理： 在任何参考系中，物理规律都是相同的。 2）等效原理：
狭义相对论
质量随速度的变大而变大 m
m0
1
v2 c2
位移、时间的测量在不同的参考系中是不同的
子弹是否同时击中车的前后壁？
车上的人观察结果： 车下的人观察结果：
同时击中 不是同时击中
2)牛顿力学不能解释微观粒子的运动规律 量子力学可以解释微观粒子的波粒二象性
3)爱因斯坦的广义相对论说明在强引力的作用下，牛顿的引 力理论不在适用
牛顿力学的局限性和相对论的初步
一 牛顿力学的局限性
牛顿运动定律
1. 牛顿力学的成就
万有引力定律
牛顿第一定律 牛顿第二定律 牛顿第三定律
牛顿力学在宏观、低速、弱引力的广阔领域取得了 巨大成就。
2. 牛顿力学的局限性
1)狭义相对论得出了一些与牛顿力学不同的结论
牛顿力学
质量不变 位移、时间的测量与参考系无关
一个不受引力作用 的加速系统跟一个受引 力作相对性论的几个观测结果 1）光线在引力场中偏转，而不是沿直线传播。
2）在引力作用下光波发生红移。
广义相对论证明，引力势低的地方固有时间的流逝速度慢。 也就是说离天体越近，时间越慢。这样，天体表面原子发出的光 周期变长，由于光速不变，相应的频率变小，在光谱中向红光方 向移动，称为引力红移。宇宙中有很多致密的天体，可以测量它 们发出的光的频率，并与地球的相应原子发出的光作比较，发现 红移量与相对论预言一致。
7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性 课件-高一下学期物理人教版(2019)必修第二册
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。
人教版高中物理必修第2册 第七章 5 相对论时空观与牛顿力学的局限性
解析 相对论并没有否定经典力学,经典力学是相对论在一定条件下的特殊
情形,选项A错误,B正确。经典力学适用于宏观、低速的领域,不适用于微
观、高速的领域,选项C、D错误。
变式训练2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
收缩效应。
(3)结论: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。
4.实验验证
(1)高速运动的μ子寿命变长,导致在地面附近实际观测到的μ子的数量大于
经典理论作出的预言。
(2)“铯原子钟”实验结果与相对论的理论预言符合得很好。
三、牛顿力学的成就与局限性
1.局限性:(1)当宏观物体的速度接近光速时,不服从牛顿力学规律。
Δ
1-()
情况称为时间延缓效应。
2
,由于 1-( ) <1,所以总有 Δt>Δτ,此种
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v相对杆运动的人测
得杆长是 l,则 l= l0
2
2
1-( ) ,由于 1-( ) <1,所以总有 l < l0,此种情况称为长度
的特殊情形。
迁移应用
例2关于经典力学、爱因斯坦假设和量子力学,下列说法正确的是(
)
A.爱因斯坦假设和经典力学是相互对立、互不相容的两种理论
B.经典力学包含于相对论之中,经典力学是相对论的特例
C.经典力学不仅适用于低速运动,还适用于高速运动
D.不论是宏观物体,还是微观粒子,经典力学和量子力学都是适用的
相对论时空观与牛顿力学的局限性
到了车厢的前壁和后壁。
（1）车上的观察者以车厢为参考系，闪光到达前后两壁的时间相同吗？（1）车下的观察者来说，以地面为参考系，闪光到达前后两壁的时间相同吗？甲参考答案：（1）如图甲所示：因为车厢是个惯性系，闪光向前、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。
根据爱因斯坦的假设：真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的，所以他以地面为参考系，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即：闪光先到达后壁，后到达前壁因此，这两个事件不是同时发生的。
3、时间延缓效应如果相当于地面以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，则由于1－<1，所以总有Δt>Δτ，此种情况称为时间延缓效应。
4、长度收缩效应如果与杆相对静止的人测得杆长是l 0，沿着杆的方向，以v 相对杆运动的人测得杆长是l ，那么两者之间的关系是由于1－<1，所以总有l <l 0，此种情况称为长度收缩效应。
（1）式和（2）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。
爱尔兰物理学家佛兹杰拉德提出，物质会在运动的方向上收缩（缩小），这意味着根据一个静止观察者的观点，一枚以接近光线运行的火箭所表现出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。
思考与讨论：已知µ子低速运动时的平均寿命是3.0µs 。
当µ子以0.99c 的速度飞行，若选择µ子为参考系，此时µ子的平均寿命是多少？对于地面上的观测者来说，平均寿命又是多少？2)cv (2)c v (相对于光速而言，低速运动即可近似认为速度为0，即若选择与µ子一起运动的某一物体为参考系，此时µ子的平均寿命是3.0µs。
7-5相对论时空观与牛顿力学的局限性 (教学课件)——高中物理人教版(2019)必修第二册
课堂训练
【解析】 万有引力定律是牛顿发现的，但在实验室里加以验证是 卡文迪许进行的，A对、B错；相对论并没有否定经典力学，经典力 学对于低速、宏观运动仍适用，C错；狭义相对论的建立，是人类取 得的重大成就，从而把物理学推到更高领域，D对． 【答案】 AD
5．(多选)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有引力定律 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，把物理学推进到高速领域
(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．
新知探究
知识点 2
牛顿力学的成就与局限性
微观世界
电子、质子、中子等微观粒子的运动规律在很多情况下不能用 经典力学来说明，而量子力学能够正确地描述微观粒子的运动 规律．
新知探究
知识点 2
牛顿力学的成就与局限性
经典力学的适用范围
经典力学适用于低速运动，不适用于高速运动，适用于宏观世 界，不适用于微观世界．
新知探究
知识点 2
牛顿力学的成就与局限性
新知探究
知识点 2
牛顿力学的成就与局限性
课堂训练
1．(多选)经典力学规律适用于下列运动的是( ) A．子弹的飞行
B．飞船绕地球的运行 C．列车的运行 D．粒子接近光速的运动
课堂训练
新知探究
知识点 1
相对论时空观
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，得出了一些不同与经典力学的观念和结论。
1、在经典力学中，物体的质量是不随运动状态改变的，而狭义 相对论认为：物体的质量要随物体运动速度的增大而增大，即
相对论时空观与牛顿力学的局限性(课件)高一物理(人教版2019必修第二册)
课堂练习
1．美国科学家于2016年2月11日宣布，他们探测到引力波的存在。引力波是实验验证 爱因斯坦相对论的最后一块缺失的“拼图”。相对论在一定范围内弥补了牛顿力学的局
限性。关于牛顿力学，下列说法正确的是 （ B ）
A．牛顿力学完全适用于物体的运动 B．牛顿力学取得了巨大成就，在宏观物体低速运动中是普遍适用的 C．随着物理学的发展，牛顿力学将逐渐成为过时的理论 D．由于相对论的提出，牛顿力学已经失去了它的应用价值
又回到黑暗中。
爱因斯坦
新课引入
绝对时空观：
1.空间和时间都独立于物体及其运动而存在。 2.时间和空间是两个独立的观念,彼此间没有联系。 3.通俗地说就是时间、长度和质量这三者都与参考系 的选取无关。
新课讲授
一、相对论时空观
1.牛顿力学与电磁波理论遇到了怎样的矛盾和冲突
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。
高一物理（人教版2019） 必修 第二册
§5 相对论时空观与牛顿力学的局限性
第七章 万有引力与宇宙航行
新课引入
思考与讨论：
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？
新课引入
物理学人物：
牛顿
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。魔鬼说，让爱 因斯坦去吧！于是一切
新课讲授
一、相对论时空观
3.时间的延缓效应
如果相当于地面以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
物理人教版(2019)必修第二册7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性(共28张ppt)
(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。
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在不同参 考系中观 察物体的 运动情况
一 经典时空观
光速恒定的特性，同运动的相对性原理之间 似乎产生了矛盾？
但是实验现象表明，不论光源和观察 者做怎样的相对运动，光速都是恒定的．
v
光速＝ c
光速＝ c v
一 经典时空观
1.同时的绝对性。 2.时间间隔的绝对性。 3.空间距离的绝对性。
二 相对论时空观
19世纪后半叶，关于电磁场的研究不断深入， 人们认识到了光的电磁本质．我们已经知道，电 磁波是以巨大且有限的速度传播的，因此在电磁 场的研究中不断遇到一些矛盾，这些矛盾导致了 相对论的出现．
相对论不仅给出了物体在高速运动时所遵循 的规律，而且改变了我们对于时间和空间的认识， 它的建立在物理学和哲学的发展史上树立了一座 重要的里程碑．
第五节 相对论时空观与牛顿力学局限性
有关相对性的思考？
一群大学生说说笑笑，跑来问爱因斯坦，什 么叫相对论．他回答说：“你坐在一个漂亮姑娘 旁边，坐了两小时，觉得只过了一分钟；如果你 紧挨着一个火炉，只坐了一分钟，却觉得象过了 两个小时．这就是相对论．”
一 经典时空观 不同的参考系中观察物体的运动情况可能不
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狭义相对论的两个假设
上述的矛盾使我们面临两个选择，要么放弃 麦克斯韦的电磁理论，要么否定特殊参考系的存 在．爱因斯坦选择了后者．并提出了两个假设：
真空中的光速在不同的惯 性参考系中都是相同的
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l l 1 v 2 c
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二 相对论时空观 4。物体质量随速度的增加而增大
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二 相对论时空观
ct
2 h
vt
2
对于车厢内的人： t 2h c
对于车厢外的人： t
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时空相对性的实验验证
根据相对论， 时间在运动中会进 行的比较缓慢，也 就是说，在空间中 高速移动的时钟， 比固定于地面上的 时钟走得慢．
时空相对性的实验验证
1966年用μ子作了一个类似于双生 子旅游的实验，让μ子沿一直径为14 米的圆环运动再回到出发点，实验 结果表明运动的μ子的确比静止的μ 子寿命更长。
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三.经典力学的发展历程
收集整理经典力学发展过程中重大成就事件，并按时间顺序由 远及近排列，你是否发现取得重大成就的时间间隔越来越短？这 说明了什么？
重大成就 阿基米德发现浮力定律 开普勒发现行星运动定律 伽利略阐明了运动的相对性原理 伽利略发现了自由落体运动规律、惯性原理 帕斯卡发现帕斯卡原理 马德堡半球实验、验证大气压力 发现胡克定律——弹簧弹力和形变的关系 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
二 相对论时空观 1。同时的相对性
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二 相对论时空观 2。运动的时钟变慢
光速不变原理
在不同的惯性参考系中， 一切物理规律都是相同的
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爱因斯坦的 相对性原理
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1971年，科学家将铯原子钟放在喷气式飞机中作环球飞 行，然后与地面的基准钟对照．实验结果与理论预言符合的 很好．这是相对论的第一次宏观验证．
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t t 1 v 2 c
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二 相对论时空观 3。运动的尺子变短
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二 相对论时空观
l
v
l
车厢运行速度240000km/s
车上的人看到的车厢的长度： l 车外的人看到的车厢的长度： l