2022-2023年人教版(2019)新教材高中物理必修2 第7章万有引力与宇宙航行第5节相对论时空观与牛顿力学的局限性课件

第5节相对论时空观与牛顿力学的局限性 一、牛顿力学中运动的相对性一、牛顿力学中运动的相对性1.1.伽利略相对性原理伽利略相对性原理:对伽利略相对性原理通常有以对伽利略相对性原理通常有以下两种表述下两种表述:(1)(1)在相对做匀速直线运动的在相对做匀速直线运动的_中中,力学现象力学现象都以都以_的规律进行的规律进行.(2)(2)在任何在任何_中中,力学的规律都是力学的规律都是_的的,都都可以用可以用_来描述来描述.惯性参考系惯性参考系同样同样惯性参考系惯性参考系一样一样牛顿定律牛顿定律2.2.经典时空观经典时空观:牛顿认为牛顿认为:绝对的、真正的和数学的时绝对的、真正的和数学的时间在间在_、与任何外界事物、与任何外界事物_地流逝着地流逝着;绝对空绝对空间与外界任何事物间与外界任何事物_,_,永远是相同的和永远是相同的和_的的.时时间和空间间和空间_、互不相关、互不相关.均匀地均匀地无关无关无关无关不动不动相互独立相互独立3.3.伽利略速度变换公式伽利略速度变换公式:相对地面以速率相对地面以速率u u开行的车厢开行的车厢内内,物体相对于车厢以速率物体相对于车厢以速率vv向前运动时向前运动时,物体对地面物体对地面的速率就是的速率就是v=_;v=_;如果物体向后运动时如果物体向后运动时,相对于地面相对于地面的速率就是的速率就是v=_.v=_.速率从一个参考系变换到另一个速率从一个参考系变换到另一个参考系的关系式称为伽利略速度变换公式参考系的关系式称为伽利略速度变换公式.u+vu+vu-vu-v【想一想想一想】牛顿定律在任何参考系中都成立牛顿定律在任何参考系中都成立.这种说法这种说法正确吗正确吗?为什么为什么?提示提示:不正确不正确.牛顿定律应是在惯性系中都成立牛顿定律应是在惯性系中都成立,在非惯在非惯性参考系中牛顿运动定律是不成立的性参考系中牛顿运动定律是不成立的.二、狭义相对论的两个基本假设二、狭义相对论的两个基本假设1.1.牛顿力学与电磁学理论的矛盾牛顿力学与电磁学理论的矛盾:按照麦克斯韦理论按照麦克斯韦理论,真空中的光速真空中的光速c c应当是一个电磁学常量应当是一个电磁学常量,在不同惯性系在不同惯性系中应当有中应当有_的值的值,按照伽利略速度变换公式按照伽利略速度变换公式,在不同在不同惯性系中的真空中光速应当有惯性系中的真空中光速应当有_的值的值.相同相同不同不同2.2.两个基本假设两个基本假设:爱因斯坦爱因斯坦相对性原理相对性原理对不同的对不同的_系系,_,_规律规律(包包括力学的和电磁的括力学的和电磁的)都是一样的都是一样的光速不光速不变原理变原理光在真空中传播的速度和在任何光在真空中传播的速度和在任何惯性系中测得的数值都是惯性系中测得的数值都是_的的惯性惯性物理物理相同相同【想一想想一想】如何判断一个参考系是惯性参考系还是非如何判断一个参考系是惯性参考系还是非惯性参考系惯性参考系?提示提示:我们通常选大地是惯性参考系我们通常选大地是惯性参考系,相对于地面静止相对于地面静止或做匀速运动的物体都是惯性参考系或做匀速运动的物体都是惯性参考系;相对于地面做变相对于地面做变速运动的物体都是非惯性参考系速运动的物体都是非惯性参考系.知识点一知识点一经典的相对性原理经典的相对性原理思考探究思考探究:在经典力学中在经典力学中,如果某一惯性系相对另一惯性系的速度如果某一惯性系相对另一惯性系的速度为为v,v,在此惯性系中有一物体速度为在此惯性系中有一物体速度为c,c,那么那么,此物体相对此物体相对另一惯性系的速度是另一惯性系的速度是v+cv+c吗吗?提示提示:根据经典力学的速度叠加原理根据经典力学的速度叠加原理,答案是肯定的答案是肯定的,但但是这种答案被迈克尔孙是这种答案被迈克尔孙-莫雷实验否定了莫雷实验否定了,迈克尔孙迈克尔孙-莫莫雷实验证明了光速是不变的雷实验证明了光速是不变的,这与传统的速度合成法则这与传统的速度合成法则是不同的是不同的.【归纳总结归纳总结】1.1.惯性系和非惯性系惯性系和非惯性系:(1)(1)牛顿运动定律能够成立的参考系称为惯性系牛顿运动定律能够成立的参考系称为惯性系,相对相对于这个惯性系做匀速运动的另一个参考系也是惯性系于这个惯性系做匀速运动的另一个参考系也是惯性系.(2)(2)牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系.2.2.伽利略相对性原理伽利略相对性原理:所有的力学规律在一切惯性系中所有的力学规律在一切惯性系中都是相同的都是相同的.3.3.绝对时空观绝对时空观:在经典力学里在经典力学里,时间与空间不会随参考系不同而变化时间与空间不会随参考系不同而变化,也就是说时间和空间是绝对的也就是说时间和空间是绝对的.(1)(1)绝对时间绝对时间:两个同时发生的事件两个同时发生的事件,不论是静止参考系不论是静止参考系中的观测者还是匀速直线运动参考系中的观测者中的观测者还是匀速直线运动参考系中的观测者,他们他们测得这两个事件发生的时刻都是相同的测得这两个事件发生的时刻都是相同的.某事件经历的某事件经历的时间不会因参考系不同而不同时间不会因参考系不同而不同.可见可见,“同时同时”是绝对是绝对的的,时间也是绝对的时间也是绝对的,时间永远均匀地流逝着时间永远均匀地流逝着,与物质无与物质无关关,与运动无关与运动无关.(2)(2)绝对空间绝对空间:宇宙中存在一个绝对静止的惯性参考系宇宙中存在一个绝对静止的惯性参考系,力学规律首先应当能在这个参考系中准确地陈述力学规律首先应当能在这个参考系中准确地陈述,这个这个绝对静止的惯性系与时间无关绝对静止的惯性系与时间无关,永恒不变永恒不变,它可以脱离它可以脱离物质独立存在物质独立存在.这就是绝对空间概念这就是绝对空间概念.【典例示范典例示范】如图所示如图所示,在列车车厢的光滑水平面上有在列车车厢的光滑水平面上有一个质量为一个质量为m=5kgm=5kg的小球的小球,正随车厢一起以正随车厢一起以20m/s20m/s的速度的速度匀速前进匀速前进,现在给小球一个水平向前的现在给小球一个水平向前的F=5NF=5N的拉力作用的拉力作用,求经求经10s10s时时,车厢里的观察者和地面的观察者看到小球车厢里的观察者和地面的观察者看到小球的速度分别是多少的速度分别是多少?【解题探究解题探究】(1)(1)选择不同的参考系选择不同的参考系,对观察结果有什么影响对观察结果有什么影响?提示提示:选择不同的参考系选择不同的参考系,其观察结果可能不一样其观察结果可能不一样.(2)(2)如何求解地面上观察者看到小球的速度如何求解地面上观察者看到小球的速度?提示提示:根据速度的叠加原理和牛顿第二定律根据速度的叠加原理和牛顿第二定律,可以求解可以求解地面上观察者看到小球的速度地面上观察者看到小球的速度.【正确解答正确解答】对于车上的观察者对于车上的观察者:小球的初速度小球的初速度v v0 0=0,=0,加速度加速度a=1m/sa=1m/s2 210s10s时速度时速度v v1 1=at=10m/s.=at=10m/s.对于地上的观察者对于地上的观察者:方法一方法一:小球初速度小球初速度v v0 0=20m/s=20m/s加速度加速度a=1m/sa=1m/s2 2.10s10s末速度末速度v v2 2=v=v0 0+at=30m/s.+at=30m/s.方法二方法二:根据速度合成法则根据速度合成法则v v2 2=v=v1 1+v+v0 0=(10+20)m/s=30m/s.=(10+20)m/s=30m/s.答案答案:10m/s10m/s30m/s30m/s【过关训练过关训练】1.1.通常我们把地球和相对地面静止或匀速直线运动的通常我们把地球和相对地面静止或匀速直线运动的参考系看成惯性系参考系看成惯性系,若以下列系统为参考系若以下列系统为参考系,则其中属则其中属于非惯性系的有于非惯性系的有()A.A.停在地面上的汽车停在地面上的汽车B.B.绕地球做匀速圆周运动的飞船绕地球做匀速圆周运动的飞船C.C.在大海上匀速直线航行的轮船在大海上匀速直线航行的轮船D.D.以较大速度匀速运动的磁悬浮列车以较大速度匀速运动的磁悬浮列车【解析解析】选选B.B.飞船相对于地球做圆周运动飞船相对于地球做圆周运动,而不是静止而不是静止或匀速直线运动或匀速直线运动,所以是非惯性系所以是非惯性系,故选故选B.B.2.2.设某人在以速度为设某人在以速度为0.5c0.5c的飞船上的飞船上,打开一个光源打开一个光源,则则下列说法正确的是下列说法正确的是()A.A.飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为1.5c1.5cB.B.飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为0.5c0.5cC.C.在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是是 D.D.在地面上任何地方的观察者看到的光速都是在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c c【解析解析】选选D.D.由光速不变原理由光速不变原理,可知可知D D对对.【补偿训练补偿训练】1.1.下列关于经典力学的评价正确的是下列关于经典力学的评价正确的是()A.A.经典力学揭示了自然界的运动规律经典力学揭示了自然界的运动规律,是不可否定的是不可否定的B.B.经典力学的时空观符合我们周围的客观事实经典力学的时空观符合我们周围的客观事实,是完全是完全正确的正确的C.C.经典力学只适用于宏观低速现象经典力学只适用于宏观低速现象D.D.经典力学既然有误经典力学既然有误,不能再用来解决我们日常生活的不能再用来解决我们日常生活的问题问题【解析解析】选选C.C.对经典相对性原理对经典相对性原理,需要注意的问题有两需要注意的问题有两点点:一是这里的规律是力学规律一是这里的规律是力学规律,不是一切规律不是一切规律;二是对二是对所有的惯性参考系成立所有的惯性参考系成立,而不是对所有参考系成立而不是对所有参考系成立,A,A、B B、D D错错,C,C对对.2.2.设有甲、乙两人设有甲、乙两人,甲以甲以2m/s2m/s的速度向东行走的速度向东行走,乙以乙以1.5m/s1.5m/s的速度向西行走的速度向西行走,甲相对乙的速度大小为多少甲相对乙的速度大小为多少?【解析解析】本题主要是考查了速度的相对性本题主要是考查了速度的相对性.确定一个物确定一个物体速度的前提是参考系的选取体速度的前提是参考系的选取,首先要分析知道甲是以首先要分析知道甲是以乙为参考系的乙为参考系的,然后转化为数学问题进行求解然后转化为数学问题进行求解.设甲相设甲相对乙的速度为对乙的速度为v,v,则则v=2m/s-(-1.5)m/s=3.5m/s.v=2m/s-(-1.5)m/s=3.5m/s.答案答案:3.5m/s3.5m/s知识点二知识点二狭义相对论的两个基本假设狭义相对论的两个基本假设思考探究思考探究:如图所示如图所示,光源相对参考系光源相对参考系O O静止静止,请思考以下几个问题请思考以下几个问题:(1)(1)参考系参考系OO相对于参考系相对于参考系O O静止时静止时,人看到的光速应人看到的光速应是多少是多少?(2)(2)参考系参考系O O相对于参考系相对于参考系OO以速度以速度v v向右运动时向右运动时,人看人看到的光速应是多少到的光速应是多少?(3)(3)参考系参考系O O相对于参考系相对于参考系OO以速度以速度v v向左运动时向左运动时,人看人看到的光速又是多少到的光速又是多少?提示提示:迈克耳孙实验发现迈克耳孙实验发现,不论光源与观察者做怎样的不论光源与观察者做怎样的相对运动相对运动,光速都是相同的光速都是相同的,故三种情况下光速都是故三种情况下光速都是c.c.【归纳总结归纳总结】1.1.两个基本假设两个基本假设:(1)(1)对于不同的惯性系对于不同的惯性系,物理规律物理规律(包括力学和电磁学包括力学和电磁学)都是一样的都是一样的,即自然界中不存在特殊的惯性系即自然界中不存在特殊的惯性系,对于一对于一切物理规律的