5.1 初识相对论 教案-2021-2022学年高一下学期物理鲁科版（2019）必修第二册

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第5章第 1节 初识相对论
一、牛顿、爱因斯坦不同的时空观
1、绝对（经典）的时空观（牛顿力学时空观）
（1）牛顿认为：绝对的时间自身在流逝着，因其本性而在均匀地、与任何外界无关地流逝着；绝对的空
间就其本性而言，与外界任何事物无关，永远是相同的和不动的；时间和空间与物质及其运动无关，并
且时间和空间是完全独立的。
（2）经典时空观结论
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也是同时的。
2、相对的时空观
（1）爱因斯坦认为：绝对的时间和空间是不存在的，时间、空间与物质及其运动都有着密切的联系。
（2）相对论的时空观结论
“同时”具有相对性，即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不一定
是同时的。
二、经典力学的成就、局限性以及适用范围
1、经典力学的成就
（1）牛顿运动三定律和万有引力定律把天体的运动与地上物体的运动统一起来，是人类对自然界认识的
第一次大综合，是人类认识史上的一次重大飞跃．
（2）经典力学和以经典力学为基础发展起来的天体力学、材料力学和结构力学等得到了广泛的应用，并
取得了巨大的成就．
（3）18 世纪 60 年代，力学和热力学的发展及其与生产的结合，使机器和蒸汽机得到改进和推广，引发
了第一次工业革命．
（4）由牛顿力学定律导出的动量守恒定律、机械能守恒定律等，是航空航天技术的理论基础．火箭、人
造地球卫星、航天飞机、宇宙飞船、行星探测器等航天器的发射，都是牛顿力学规律的应用范例．
2、经典力学的局限性
（1）经典力学的绝对时空观，割裂了时间、空间、物质及其运动之间的联系，不能解释高速运动领域的
许多客观现象．
（2）经典力学的运动观，从自然观角度来说，给出的是一幅机械运动的图景，不能解释微观世界丰富多
彩的现象．
3、经典力学的适用范围
相对论和量子力学的出现，使人们认识到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；只适用于弱引力环境，不适用于强引力环境。
4、惯性系和非惯性系
（1）参考系不同
惯性系可以简单说成是相对地面静止的或者做匀速直线运动的参考系，而非惯性系则是相对地面做加速
或者减速运动的参考系。
（2）定律成立不同
惯性系中牛顿第一、第二定律成立，而非惯性系中牛顿第一、第二定律不成立。
惯性参照系牛顿运动定律在其中有效的参考系，又称惯性坐标系，简称惯性系。
非惯性参考系是相对某惯性参考系作非匀速直线运动的参考系，又称非惯性坐标系，简称非惯性系。
三、相对论的发展背景
1、伽利略和牛顿等人创立经典力学体系，到 19 世纪末已发展成为一个包括力、电、光、热等分支的完
整经典物理学体系。
2、1900 年英国物理学家开尔文宣告：物理科学大厦已经建成，在晴朗的天空远处有两朵“乌云”。第一
朵“乌云”引发了爱因斯坦相对论的产生，第二朵“乌云”引发了量子论的产生。
3、“以太”说
（1）人们认为光在太空中传播（即在真空条件下）是通过一种介质，这种介质就被命名为“以太”。
（2）1887 年的迈克耳孙—莫雷实验等表明：在不同的参考系中，光的传播速度都一样。否定了争论很久
的“以太”说，为物理学冲破传统经典物理学的束缚创造了极为重要的条件。
四、相对论的出现
1、经典的相对性原理
在以速度 v1水平行驶的汽车上，有人相对于汽车以速度 v2将一物体水平抛出。在静止在路边的观察者看
来，若物体抛出后与汽车同向，则物体速度为 v1+v2；若反向则物体的速度为 v1-v2。
2、爱因斯坦提出（狭义）相对论
（1）实验基础：不论光源与观测者做怎样的相对运动，光速都是一样的。
（2）两个基本假设
①相对性原理：所有物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式。
②光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，光速与光源、观察者间的相对运动
没有关系，测量到的真空中的光速c都一样（c=3×108 m/s）。
【课后练习】
1、经典力学不能适用于下列哪些运动（ ）
A．火箭的发射
B．宇宙飞船绕地球的运动
C．“勇气号”宇宙探测器在火星着陆
D．微观粒子的波动性
【答案】D。
2、经典力学只适用于“宏观世界”，这里的“宏观世界”是指（ ）
A．行星、恒星、星系等巨大的物质领域
B．地球表面上的物质世界
C．人眼能看到的物质世界
D．不涉及分子、原子、电子等微观粒子的物质世界
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