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第七章 万有引力与宇宙航行
第 5 节
一、经典力学的发展过程
17 世纪牛顿力学构成了体系。可以说，这是物理学第一次伟大的综合。牛顿建立了两个定律，一个是运动定律，一个是万有引力定律，并发展了微积分，具有解决实际问题的能力。他开拓了天体力学这一科学，海王星和冥王星的发现就充分显示了这一点 。
牛顿说：如果说我看得远，那是因为我站在巨人们的肩上。
经典力学金字塔
牛顿
伽利略、第谷
哥白尼、亚里士多德
笛卡尔、胡克、哈雷等
开普勒
一、经典力学的发展过程
物理学发展到19世纪末期，经典物理大厦已经建成。
一、经典力学的发展过程
所剩只是一些修饰工作
被两朵乌云笼罩
开尔文
迈克尔逊-莫雷实验 黑体辐射
绝对时空观
时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的。这种绝对时空观，也叫牛顿经典时空观。
时间、长度和质量这三者与参考系的运动无关
如：在一个无限大的光滑水平面上，有一质量为m的物体，在一个水平恒力F的作用下，从静止开始运动
由动力学及运动学公式可知：F=ma v=at
推理：随时间的推移，物体的速度不断增大，最终可使物体获得任意速度。
V水岸=5m/s
v船水=15m/s
船相对河岸的速度是多少？
v船岸=v船水+v水岸
V人=0.2c
答案：等于光速！
答案似乎应为1.2c。然而，事实并非如此。
阅读教材65页
在飞船上，沿飞船前进方向，射出一束光，在地面上的人看来，这束光传播的速度是多少呢？
匀速运动
（c为真空中的光速）
迈克尔逊莫雷实验
1887年，美国科学家迈克尔逊和莫雷通过实验证明了，在不同的参考系中，光的传播速度都是一样的！这与牛顿力学中，不同的参考系之间的速度变换关系（伽利略变换）不符！
阿尔伯特·迈克尔逊（1852—1931）
二、相对论时空观
1、两条基本假设
（1） 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，大小都是相同的。
2、狭义相对论结论
（1）同时是相对的
（2）时间延缓效应
（3）长度收缩效应
阿尔伯特·爱因斯坦（1879—1955）
同时的相对性
（阅读教材66页）
时间延缓效应
相对地面以 v 运动的某惯性参考系上的人，观察与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为Δτ，地面上的人观察该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为Δt，两者之间的关系为：
车上的人
长度收缩效应
如果有一根杆，与杆相对静止的人测得杆长是l0，沿着杆的方向，以速度v相对杆运动的人测得杆长是l，那么l0与l两者之间的关系是：
钟慢效应(相对时间)
尺缩效应(相对空间)
运动物体的长度（空间距离）和物理过程的快慢（时间进程）都跟物体运动状态有关。它反映的时空观称作相对论时空观。
绝对时空观：时间和空间独立与物体及其运动而存在的。
牛顿力学时空观
爱因斯坦
时空观
运动物体的长度（空间距离）和物理过程的快慢（时间进程）都跟物体运动状态有关，这反映的时空观称作相对论时空观。
光速
同时
时间与空间
质量
经典时空观
狭义相对论时空观
相对的
绝对的（不变）
绝对的
与运动无关
与运动无关
相对的
与运动有关
随速度增大而增大
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:
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！于是一切又回到黑暗中。
世人的疑惑
相对论时空观的第一次宏观验证
教材P67
相对论时空观的第一次验证
将铯原子钟放在飞机上，沿赤道向东和向西绕地球一周，回到原处后，分别比静止在地面上的钟慢59纳秒和快273纳秒。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。
1971年铯原子钟实验
三、经典力学的成就与局限性
实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合。
（教材68页）
三、经典力学的成就与局限性
在微观世界中（尺度在10-10m以下），由于物质的存在和运动形式（ 波粒二象性），较宏观世界，有较大的不同,牛顿力学也不适用。
牛顿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；
(1)低速:通常所见物体的运动,如行驶的汽车、发射的导弹、人造地球卫星及宇宙飞船等物体皆为低速运动物体。
(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。
1922年生于安徽合肥，物理学家，香港中文大学博文讲座教授兼理论物理研究所所长，清华大学高等研究院名誉院长、教授，纽约州立大学石溪分校荣休教授，中国科学院院士、美国国家科学院外籍院士、英国皇家学会外籍院士、台湾“中央研究院”院士、香港科学院荣誉院士、俄罗斯科学院院士，1957年获诺贝尔物理学奖。
同月，纽约州立大学石溪分校将理论物理研究所命名为“杨振宁理论物理研究所”
三、经典力学的成就与局限性
经典力学、相对论和量子理论的比较：
1.狭义相对论:阐述物体在以接近光速运动时所遵循的规律。
广义相对论:经典力学在弱引力的情况下与实验结果符合得很好;
广义相对论能够解释强引力情况下的作用规律。
互为补充，互不矛盾，互不否定共同支撑起物理学科的骨架。
2.量子力学:能够正确描述微观粒子的运动规律。
思维导图
小结
A
B
牛顿力学
相对论
时间延缓效应
长度收缩效应
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，不适用于强引力。
牛顿力学在宏观、低速、弱引力的广阔领域取得了巨大的成功
【问题】有一种粒子叫μ子，当它低速运动时，它的平均寿命是3.0μs，当μ子以0.99c的速度飞行时，若选μ子为参考系，μ子的平均寿命是多少？若以地面为参考系，μ子的平均寿命是多少？
【解】若选μ子为参考系，μ子的平均寿命为t1=3.0μs；
若以地面为参考系，μ子的平均寿命为t2

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