第七章 第五节 相对论时空观与牛顿力学的局限性-高中物理同步备课学案(2019人教版必修第二册)

第5节相对论时空观与牛顿力学的局限性

知识点归纳

知识点一、相对论

1．经典的相对性原理

(1)惯性系：如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系叫做惯性系，相对一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系。

(2)相对性原理的三种表述

①表述一：力学规律在任何惯性系中都是相同的。

②表述二：在一个惯性参考系内进行的任何力学实验都不能判断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动。

③表述三：任何惯性参考系都是平权的。

2．相对性原理与电磁规律

在经典力学中如果某一惯性系相对另一惯性系的速度为v，在此惯性系中有一物体速度为光速c，那么，此物体相对另一惯性系的速度是c＋v吗？根据伽利略相对性原理答案是肯定的，但是这种答案被迈克耳孙—莫雷实验否定了。迈克耳孙—莫雷实验证明了光速是不变的。这和传统的速度合成法则是矛盾的。

3．狭义相对论的两个基本假设

(1)狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。

(2)光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都相同。

4．两个相对性原理的区别

对于伽利略相对性原理来说，参考系中的坐标单位与参考系的运动无关；参考系中的时间与参考系的运动无关。其速度合成规律应满足v＝v′＋u。v′是A惯性系相对另一个B惯性系的速度，u是物体相对A惯性系的速度，那么，物体相对另一个B惯性系的速度为v＝v′＋u。以此类推，若u是光速c，则在A惯性系的光速相对于B惯性系的速度为v＝v′＋c，那么，光速是可以变大或变小的(在真空中)。

对于狭义相对论的相对性原理来说，力学规律对惯性系来说都是相同的，但是光速是不变的。由于光速是不变的，造成了与经典理论一些不同的结论。

知识点二、时间和空间的相对性

1．“同时”的相对性

在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察时：

(1)经典的时空观认为一定是同时发生的。

(2)狭义相对论的时空观认为不一定是同时发生的。

2．长度的相对性(尺缩效应)

(1)经典的时空观：一条杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同。

(2)狭义相对论认为“动尺变短”：狭义相对论中的长度公式：l ＝l 0

1－⎝⎛⎭⎫v c 2，但垂直于

杆的运动方向上，杆的长度不变。

3．时间间隔的相对性

(1)经典的时空观：某两个事件，在不同的惯性系中观察，它们的时间间隔总是相同的。

(2)狭义相对论认为“动钟变慢”：时间间隔的相对性公式Δt ＝Δτ1－⎝⎛⎭⎫v c 2，也就是说，在相对运动的参考系中观测，事件变化过程的时间间隔变大了，这叫作狭义相对论中的时间膨胀。

4．经典时空观和狭义相对论时空观

(1)经典时空观：空间和时间脱离物质而存在，是绝对的，空间和时间没有联系，即与物质的运动无关。

(2)狭义相对论时空观：空间和时间与物质运动状态有关。

知识点三、动尺变短和动钟变慢

1．动尺变短：狭义相对论中的长度公式：l ＝l 0

1－⎝⎛⎭⎫v c 2，l 0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，还可以认为杆不动，而观察者沿杆的长度方向以速度v 运动时测出的杆的长度。

2．动钟变慢：时间间隔的相对性公式：Δt ＝Δτ

1－⎝⎛⎭⎫v c 2，Δτ是相对事件发生地静止的

观察者测量同一地点的两个事件发生的时间间隔，而Δt 是相对于事件发生地以速度v 运动的观察者测量同一地点的同样两个事件发生的时间间隔。也就是说：在相对运动的参考系中观测，事件变化过程的时间间隔变大了，这叫作狭义相对论中的时间膨胀。

3．分析时间间隔和长度变化时应注意的问题

(1)时间间隔、长度的变化，都是由于物质的相对运动引起的一种观测效应，它与所选取的参考系有关，物质本身的结构并没有变化。

(2)两个事件的时间间隔和物体的长度必须与所选取的参考系相联系，如果在没有选取参考系的情况下讨论时间的长短及空间的尺寸，是没有任何意义的。

4．经典时空观和狭义相对论时空观

(1)经典时空观：空间和时间脱离物质而存在，是绝对的，空间和时间没有联系，即与物质的运动无关。

(2)狭义相对论时空观：空间和时间与物质运动状态有关。

知识点四、牛顿力学的局限性

从低速到高速：

1.经典力学的基础是牛顿运动定律，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．2．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．

从宏观到微观：

1.电子、质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性，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．

从弱引力到强引力：

1．1915年，爱因斯坦创立了广义相对论，这是一种新的时空与引力的理论．在强引力的情况下，牛顿的引力理论不再适用．

2．当物体的运动速度远小于光速c(3×108m/s)时，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别．当另一个重要常数即“普朗克常量”(6.63×10－34J·s)可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别.

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．

3．经典力学的适用范围和局限性．

(1)经典力学只适用于低速运动，不适用于高速运动．

(2)经典力学只适用于宏观世界，不适用于微观世界．

(3)经典力学只适用于弱引力，不适用于强引力．

(4)经典力学规律只能用于宏观、低速(与光速相比)的情形，且只在惯性参考系中成立．