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第八章
牛顿力学的局限性与相对论初步
第一节
牛顿力学的局限性
狭义相对论
创生之柱
位于老鹰星云内圆柱形的“暗星云”，由星际气体和尘埃组成。得益于其背后明亮的恒星照出了柱状轮廓。
狭义相对论
蟹状星云
它是首颗被确认为历史上超新星爆发遗迹的天体。在大质量恒星死亡的遗骸中也是新生天体的温床。
狭义相对论
蝴蝶星云
就是这一对“双星”恒星在即将死亡的时候，从气体盘面抛出气体，灼热的气体向两端扩散形成了这样的双极外观。
牛顿力学的局限性
英国 牛顿
1643-1727
万有引力定律：
牛顿三大定律：
第一定律：
第二定律：
第三定律：
惯性
称为“牛顿力学”
或“经典力学”
根据牛顿第二定律
根据运动学基本公式
当时间趋近无穷，那物块的速度是否可以超过光速？
违背了事实规律。
牛顿力学的局限性
但实际上，牛顿力学的应用有一定的局限性，或者说，有一定的适用范围。局限性主要体现在高速、微观及强引力场情况下牛顿力学不再适用。
牛顿的经典时空观（绝对时空观）
（1）同时的绝对性
（2）质量的绝对性
（3）空间距离的绝对性
时间、长度和质量这三者都与参考系的运动无关
在各类工程技术中也有了广泛的应用。按照牛顿力学的观点，只要给定物体的初始条件和所受合力，就能给出物体之后运动状态的完整描述。
牛顿力学的局限性
美国 爱因斯坦
1879-1955
思想实验-追光实验
但爱因斯坦根据他的思想实验推断，无论用多大的速度追赶光，我们看到的光速依然是 c，始终不变，即不存在静止的光。
牛顿力学的局限性
迈克尔逊-莫雷实验
部分科学家假设了光传播所需的特殊介质——以太。
根据经典力学，在不同方向相对以太运动，光速应该有差异。
结果却表明，不存在相对以太的运动，不同方向的光速没有差异，即真空中的光速在任何参考系下都具有相同的数值，与参考系的相对速度无关，以太其实并不存在。
欧洲强子对撞机
目前世界上最大的加速器——大型强子对撞机（可以将单个质子加速到 0.999 999 99 c，使之具有7 TeV的能量。
1eV=1.6×10-9J
大型强子对撞机
典型示例1
现代大型高能粒子加速器可以把粒子的速度加速到与光速极为接近的程度。质子质量 mp = 1.67×10 27 kg，如果把一个质子加速到具有能量1.60×10 10 J，并假定这个能量就是质子具有的动能，按照经典力学，质子的速度为多大？
解：
由此可见，按照牛顿力学，高能质子的速度将超过光速，这个结论是错误的，到目前为止，实验上从未发现过超光速的粒子。
事实上，任何粒子的速度都不可能超过光速。
可见，牛顿力学在高速运动情况下不再适用。狭义相对论适用。
牛顿力学的局限性
卢瑟福原子模型
牛顿力学在解释涉及原子等微观粒子的物理现象时也遇到了极大的困难。
卢瑟福提出了原子结构理论，但这个理论无法解释原子的稳定性及其他很多性质。
事实上，在微观领域，物理量不再是连续变化的，而是分立的。微观粒子既有粒子性，又有波动性。
牛顿力学对此无能为力，只有量子力学才能正确描述原子、质子及电子等微观粒子的性质和状态，牛顿力学不再适用于微观世界。
现代电子云模型
牛顿力学的局限性
笔尖下的海王星
牛顿力学在描述行星等弱引力场天体运动方面取得了很大的成功，牛顿力学不仅预言了海王星的存在和哈雷彗星的回归等。
并且地球上物体的运动规律和天体的运动规律统一起来，达到了当时科学的高峰。
预言哈雷彗星回归
牛顿力学的局限性
喷射物质的中子星
但随着科学的发展，我们发现牛顿力学无法正确描述中子星、黑洞等强引力场天体的运动，也不能用于描述宇宙的演化规律。
即牛顿力学在强引力场情况下也不再适用。
广义相对论适用。
黑洞吞并的引力波
牛顿力学的局限性
引力场强弱通常用 描述
地球
太阳
中子星
黑洞
弱
强
这个值越小，表示引力场越弱；
越接近于1，则表示引力场越强。
牛顿力学的局限性
牛顿力学存在局限性，或者说牛顿力学的应用有一定的限制范围，但这并不表示牛顿力学就失去了存在的意义。在低速、宏观和弱引力场情况下，牛顿力学仍是非常精确的理论。
实际上，任何理论包括牛顿力学的应用，都有一定的条件和适用范围。超出了这个范围，理论就不再适用，需要寻找新的更加一般的理论。
从物理学的发展历史可以看到，人类对自然界的探索是不断深入的，从简单到复杂，从特殊到一般，从零散到整体，从表象到本质，每一次新现象的发现，每一个新理论的建立，都使我们对自然界的认识更全面、更准确、更深入。
课堂小结
牛顿力学适用于低速、宏观和弱引力场情况下
高速运动情况下狭义相对论适用。
强引力场情况下广义相对论适用。
微观情况下量子力学适用。

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