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第一节 经典力学的成就与局限性 第二节 经典时空观与相对论时空观,目标导航,预习导引,目标导航,预习导引,二,一,三,一、经典力学的成就和局限性 1.经典力学的伟大成就 (1)经典力学把天上物体和地上物体统一起来,实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合. (2)使人们认识到现象观察和实验研究为基础的自然科学理论的基本特征. (3)建立了以实验和数学相结合的研究方法. (4)推动了其他学科的发展,与其他学科相结合产生了一些交叉性的分支学科. 2.经典力学的局限性 (1)经典力学不适用于研究高速运动(接近光速)的物体. (2)经典力学不适用于微观领域中物质结构和能量不连续的现象.,目标导航,二,一,预习导引,三,二、经典时空观 1.惯性系与非惯性系 (1)惯性系:牛顿运动定律成立的参考系,相对于惯性系静止或做匀速直线运动的参考系都是惯性系. (2)非惯性系:牛顿运动定律不成立的参考系,相对于惯性系做 变速运动的参考系是非惯性系. 2.伽利略相对性原理:对于所有的惯性系,力学规律都是相同的,或者说,一切惯性系都是等效的. 3.经典时空观(绝对时空观):时间永远均匀地流逝,与任何外界无关;空间与任何外界事物无关,从不运动,永远不变.,目标导航,二,一,预习导引,三,4.经典时空观的几个具体结论 (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. (4)物体质量恒定不变,即它们与参考系的选择(或观察者的运动状态)无关.,目标导航,一,预习导引,二,三,三、相对论时空观 1.光速不变与经典物理学的矛盾:观察和实验事实表明,无论光源和观察者如何运动,光速只能是c,这与经典力学的速度合成法则相矛盾. 2.狭义相对论的两条基本假设:相对性原理和光速不变原理. 3.相对论时空观 (1)“同时”的相对性:在一个参考系中同时发生两件事,在另一个参考系看来是不同的. (2)运动的时钟变慢:时钟相对于观察者静止时,走得快;相对于观察者运动时,走得慢,运动速度越快,效果越明显. (3)运动的尺子缩短. (4)物体质量随速度的增大而增大.,目标导航,一,预习导引,二,三,预习交流 在“时间延缓效应”中,时钟走快走慢应如何理解? 答案:每个惯性系中的观测者都是使用静止于该参考系中的时钟进行有关时间的观测,对同一物理过程经历的时间,在不同惯性系中观测,测得的结果不同,并不是时钟走快了或走慢了,而仅仅是一种观测效应.,一,二,迁移应用,典题例解,知识精要,一、经典时空观与相对论时空观的主要区别 1.实验基础不同 我们通过生活经验,通过对周围世界的观察最容易接受的是经典时空观(又叫绝对时空观),因为经典时空观是以vc的低速运动下的实验为基础建立的,而相对论时空观建立在光速不变实验基础上,在高速运动的情形中,相对论效应才会明显,由于缺少高速运动中的生活经验,相对论时空观不易被接受.,一,二,迁移应用,典题例解,知识精要,2.对时间、空间与物质的联系性认识不同 (1)经典时空观认为时间均匀流逝,与物质无关;空间是物质运动的场所,空间本身不受物质运动状态的影响;同时空间与时间也是没有联系的.总之一句话,时间、空间都是绝对的,不同参考系中观察同一物理过程时间是相同的,观察同一物体长度是相同的. (2)相对论时空观认为物理过程的快慢与物体的运动状态有关,运动物体的长度也跟物体的运动状态有关.换句话说,不同参考系中观察同一物理过程时间可能不同,观察同一物体长度可能不同.空间和时间与物质的运动状态有关,同时,时间和空间也是有联系的. 3.经典时空观的价值 经典时空观建立在实验的基础上,它的结论又受到无数次实践的检验.虽然相对论时空观更具有普遍性,但是经典时空观在低速运动时所得出的结论与实验事实符合得很好,由于宏观物体的速度不可能接近光速,所以经典时空观仍有存在的价值.,一,二,迁移应用,典题例解,知识精要,【例1】 (多选)下列说法中正确的是( ) A.因为时间是绝对的,所以我们在不同的参考系中观察到的时间进程都是相同的 B.空间与时间之间是没有联系的 C.有物质才有空间和时间 D.在一个确定的参考系中观察,运动物体的空间距离和时间进程跟物体的运动状态有关 解析:经典物理学认为空间和时间是脱离物质存在的,是绝对的,空间与时间之间没有联系,其实是错误的,故A、B错误.相对论认为空间和时间与物质的运动状态有关,在长度的相对性和时间的相对性上都得到了验证. 答案:CD,一,二,迁移应用,典题例解,知识精要,一,二,迁移应用,典题例解,知识精要,19世纪末以来,人们发现了一些新的事实,用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,下列说法不正确的是( ) 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.人们应当不断地扩展认识,在更广阔的领域内掌握不同事物的本质与规律 答案:A 解析:人们对客观世界的认识要受到所处时代的客观条件和科学水平的制约,所形成的看法也都具有一定的局限性,人们只有不断扩展自己的认识,才能掌握更广阔领域的不同事物的本质与规律;新的科学的诞生并不意味着对原来科学的全盘否定,只能认为过去的科学是新的科学在一定条件下的特殊情形.,迁移应用,典题例解,一,二,知识精要,二、相对论时空观 1.狭义相对论的两个假设 (1)在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的.爱因斯坦相对性原理 (2)真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的.光速不变原理 这是爱因斯坦在前人的实验基础上提出的假设,这两个假设就是狭义相对论的基础.,迁移应用,典题例解,一,二,知识精要,2.狭义相对论的几个结论 (1)对“同时”的相对性的理解 “同时性”在惯性系中,在低速时是没有疑问的.例如一列火车在做匀速直线运动,在某车厢中的中点一个人点燃一支蜡烛.他看到车厢前后两壁是同时被照亮的,地面上的人也应认为前后壁是被同时照亮的,但有了光速不变原理时,情况就不一样了,当火车速度较大时,地面上的人将认为光先到达后壁,而后到达前壁,这就是“同时的相对性”. 时间进程对于同一个参考系(惯性系)是没有变化的,而从另一个参考系来看这个参考系才会有变化.时间进程要能感觉出来必须是两个参考系的相对速度很大,大到能和光速相比,这时候在光传播的很短时间内,相对位移就很大了.时间进程变慢在低速世界只能从推算中得知,然后进行推理才能感知.,迁移应用,典题例解,一,二,知识精要,这说明:关于闪光从光源出发,经小镜反射又回到光源处所经历的时间,地面上的观察者与运动的车上观察者的测量结果是不同的,运动的车上观察者测量的时间间隔短些. 上面式子具有普遍意义,当从地面观察以速度v前进的火车时,车上的时间进程变慢了,不仅时间变慢了,物理、化学过程和生命的过程都变慢了,但车上的人都没有这种感觉,他们反而认为地面上的时间进程变慢了.,迁移应用,典题例解,一,二,知识精要,迁移应用,典题例解,一,二,知识精要,由于两个参考系相对速度很大,从一个参考系看另一个参考系里的长度,而且是顺着速度方向的长度会变短,这也是严格推算出来的.这可以从列车高速对开时笛声频率发生变化受到启发,也可以从速度较快的汽车上看到外面的树木感到似乎有某种变化等,可以理解长度变短.这里要强调说明在垂直于速度方向的长度基本不变,这一点在学习时要注意. 因为在生活中我们处在一个低速环境中,长度收缩和时间膨胀效应很小,我们感觉不出来.,迁移应用,典题例解,一,二,知识精要,(4)对“物体的质量随速度的增加而增大”的理解 经过严格的证明,物体有静止质量m0和运动质量m,它们之间有如下关系: 从上式可以看出,当物体(一般是粒子)的速度很大时,其运动时的质量明显大于静止时的质量.,一,二,迁移应用,典题例解,知识精要,【例2】 (多选)你站在处于某一高度处的一长木杆AB的中央附近,看到木杆向下运动时两端是同时落地的,所以你认为这一木杆是平着落在了地上.而与此同时,王飞同学正以接近光速的速度从木杆前面掠过,如图所示,则他看到的情况是( ) A.两端同时落地B.A端比B先落地 C.B端比A先落地D.木杆是向右倾斜着落地的 解析:令王飞同学所在的参照系静止,则你和杆所在的参照系将沿BA方向运动,在杆下落的同时,假设在AB的中央有一光源开始发光,经过杆落地的时间后,B距光源比A距光源近了,根据光速不变原理可知,光到达B所需的时间比到达A的要短,故B端先落地;至于木杆向哪端倾斜也是相对的,王飞看来,木杆应该是向右倾斜着落地的.所以,选项C、D是正确的. 答案:CD,一,二,迁移应用,典题例解,知识精要,一,二,迁移应用,典题例解,知识精要,解析:相对于介子运动的实验室中测得的介子的平均寿命为,【例3】 在实验室中测得以速度0.8c运动的介子的平均寿命为410-8 s,问静止的介子的平均寿命为多少?,答案:2.410-8 s,一,二,迁移应用,典题例解,知识精要,一,二,迁移应用,典题例解,知识精要,据报道,欧洲大型强子对撞机开足马力可以把粒子加速到光速的99.9%,单束粒子能量可达到7万亿电子伏特.下列说法正确的是( ) A.如果继续对粒子加速,粒子速度可以达到光速 B.如果继续对粒子加速,粒子速度可能超过光速 C.粒子高速运动时质量大于静止时的质量 D.粒子高速运动时质量小于静止时的质量 答案:C 解析:根据相对论,如果继续对粒子加速,粒子速度不可能达到光速,选项A、B错误.由相对论质量公式可知,粒子高速运动时质量大于静止时的质量,选项C正确,D错误.,
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