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第七章 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
情境与思考
思考1：若河中的水以相对于岸的速度v水岸流动，河中的船以相对于水的速度v船水顺流而下，则船相对于岸的速度v船岸如何表示？
v船岸 = v船水 + v水岸
情境与思考
思考2：设想人类可以利用飞船以0.2c的速度进行星际航行，若飞船向正前方的某一星球发射一束激光，该星球上的观察者测量到的激光的速度是多少？是1.2c吗？
v光人 = v光船 + v船人
v光船 = c
v船人 = 0.2c
v光人 = 1.2c
经典力学不再适用。
经典力学只适用于解决低速运动问题，不能用来处理高速运动问题，
要解决这一问题就需要用到相对论时空观。
相对时空观
麦克斯韦
电磁波的传播速度等于光速 c
19世纪，英国物理学家麦克斯韦根据电磁场理论预言了电磁波的存在，
并证明电磁波的传播速度等于光速c。
这个速度是相对哪个参考系而言的？
1887年的迈克耳逊—莫雷实验以及其他一些实验表明：
在不同的参考系中，光的传播速度都是一样的！所以证明电磁波的传播速度等于光速c，无论对于哪个参考系而言都是一样的。
阿尔伯特·亚伯拉罕·迈克尔逊
（波兰裔美国藉物理学家）
相对时空观
迈克尔逊－莫雷实验(Michelson-Morley Experiment)，是1887年迈克尔逊和莫雷在美国克利夫兰做的用迈克尔逊干涉仪测量两垂直光的光速差值的一项著名的物理实验。但结果证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的，由此否认了以太（绝对静止参考系）的存在，从而动摇了经典物理学基础，成为近代物理学的一个开端，在物理学发展史上占有十分重要的地位。
这与牛顿力学中不同参考系之间的速度变换关系不符！
相对时空观
爱因斯坦假设：
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：在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速c都相同。
经典力学也无法解释上述现象，因此为了解决矛盾，爱因斯坦于1905年提出了狭义相对论。
相对时空观
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：在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速c都相同。
假设一列火车沿平直轨道飞快地匀速行驶，车厢中央的光源发出了一个闪光，闪光照到了车厢的前壁和后壁。
车上的观察者以车厢为参考系，因为车厢是个惯性系，光向前、后传播的速率相同，光源又在车厢的中央，闪光当然会同时到达前后两壁。
对于车下的观察者来说，他以地面为参考系，因闪光向前、后传播的速率对地面也是相同的，在闪光飞向两壁的过程中，车厢向前行进了一段距离，所以向前的光传播的路程长些。他观测到的结果应该是：闪光先到达后壁，后到达前壁。
时间不再是绝对的，而是相对的——同时性是相对的
闪光同时到达前后侧壁
闪光先到达后方侧壁
相对时空观
（1）同时是相对的
在经典物理学家的头脑中，如果两个事件在一个参考系中看来是同时的，在另一个参考系中看来也一定是同时的，但是如果接受爱因斯坦的两个假设，我们会得出“同时是相对的”这样一个结论。
（2）时间延缓效应
时间不再是绝对的，而是相对的。
如果相对地面以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：
相对时空观
由于物体的速度不可能达到光速，故
＜ 0
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?
总有Δt ＜Δτ，
相对时空观
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：
空间距离也不再是绝对的，而是相对的。
（3）长度收缩效应
（4）运动的物体质量变大
由于物体的速度不可能达到光速，故
＜ 0
总有l＜l0，
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{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}钟慢效应(相对时间)
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{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}质增效应(相对质量)
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}尺缩效应(相对空间)
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1971年，科学家将铯原子钟放在喷气式飞机中作环球飞行，然后与地面的基准钟对照。
相对论的实验验证：1971年铯原子钟实验
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。
相对论的思想实验：双生子佯谬
有一对双生兄弟，其中一人跨上一宇宙飞船作接近光速的长程太空旅行，而另一个则留在地球。结果当旅行者回到地球后，我们发现他比留在地球上的兄弟更年轻。这个结果是由狭义相对论所推测出的（钟慢效应）。
这一现象可以通过实验来验证：我们能够在地面上探测到大气层上层产生的μ子（曾被称为μ介子），如果没有钟慢效应，那些μ子在到达地面之前就已经衰变了。
思考1：有一种基本粒子叫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，若以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？
相对于光速而言，低速可近似认为0，若选μ子为参考系，μ子的平均
寿命为t1=3.0μs
????????=?????????????(????????)????
?
钟慢效应(相对时间)：
?????=??????????(????????)????
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若以地面为参考系，μ子的平均寿命为：
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思考2：事实上到达地面的μ子，大多产生于距地面8km的高空，科学家们根据经典理论，可以计算出每秒到达地面的μ子个数，但这个理论数值小于实际观察到μ子个数，这是为什么呢？
由于钟慢效应，对于地面观察者看来，μ子的平均寿命，已不是3.0μs了，而是约为21μs，在这段时间内，μ子可以飞行更远的距离，更多的μ子都能飞越8km的距离到达地面。
牛顿力学的成就与局限性
1. 成就：
牛顿力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律的建立与应用更是确定了人们对牛顿力学的尊敬。在宏观物体做低速运动的广阔领域，牛顿力学与实际相符合，显示了牛顿运动定律的正确性和牛顿力学的魅力。
2. 局限性:
（1）微观世界：电子、质子、中子等微观粒子，发现它们不仅具有粒子性，同时还
具有波动性，它们的运动规律在很多情况下不能用牛顿力学来说明。
低速与高速
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
飞船等物体称为低速。
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，这样的称为高速。
（2）牛顿力学只适用于低速运动，不适用于高速运动。
牛顿力学的成就与局限性
3. 相对论和量子力学与牛顿力学的关系：
当物体的运动速度远小于光速c时，相对论物理学与牛顿力学的结论没有区别；当另一个重要常数即普朗克常量h可以忽略不计时，量子力学和牛顿力学的结论没有区别。
相对论和量子力学都没有否定牛顿力学，只是认为牛顿力学是在一定条件下的特殊情形。它们互为补充，互不矛盾，互不否定地共同支撑起物理学科的骨架。
经典力学
弱引力
低速
宏观
高速
广义相对论
微观
狭义相对论
强引力
量子力学
4. 小结
经典时空观
狭义相对论时空观
光速
同时
时间与空间
质量
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
同学们，下课！

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