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第
节
5
相对论时空观与
牛顿力学的局限性
第七章
V水=5m/s
v船=5m/s
轮船相对河岸的速度是多少？
课堂引入
V人=0.2倍光速
飞船上宇航员发出的激光速度是多少？
答案：等于光速！
议一议
课堂引入
绝对的真实的数学时间，就其本质而言，是永远均匀地流逝，与任何外界无关，绝对空间就其本质而言是与任何外界事物无关的，它从不运动，并且永远不变，这就是经典力学的时空观。也称绝对时空观。
绝对时空观：
牛顿：“如果说我看得远，那是因为我站在巨人们的肩上。”
一、经典力学中的速度叠加
我们知道，如果河水中的河水以相对河岸的速度v水岸流动，河中的船以相对于水的速度v船水顺流而下，则船相对于岸边的速度为
v船岸=v船水+v水岸
V水=5m/s
V船=5m/s
因此，前面问题的答案似乎应为1.2c。然而，事实并非如此。
真空中的光速是宇宙中最快的速度。这里怎么出现了1.2倍的光速呢？显然，在哪里出现了问题！
思考与讨论
一、经典力学中的速度叠加
十九世纪，英国科学家麦克斯韦，提出了电磁场理论，预言了电磁波的存在，并从理论上证明了，电磁波传播的速度等于光速。人们不禁要问：这个速度是相对哪个参考系而言的呢？
麦克斯韦（1831—1879）
1.牛顿力学与电磁理论的冲突
一、经典力学中的速度叠加
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！
在实验事实的面前，许多物理学家，仍然立足在牛顿力学时空观的基础上，想通过一些理论上的修补工作，解释实验现象。
阿尔伯特·迈克尔逊（1852—1931）
但都没有成功！
迈克尔—逊莫雷实验
二、相对论时空观
以爱因斯坦和庞加莱为代表的另一批物理学家，坚决主张，彻底放弃某些与实验事实不相符的观念，如绝对时间的观念，在实验事实的基础上，大胆提出，能够更好地解释实验现象的假设。
儒勒·庞加莱（法）
（1854-1912）
新思想代表人物
二、相对论时空观
2.相对论的两个基本假设
（1）相对性原理：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的。
（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。
阿尔伯特·爱因斯坦（1879—1955）
这两个假设看起来平淡无奇，但如果接受了这两个假设的观点，并用它来分析问题，可能会在我们的头脑中引起一场轩然大波！
二、相对论时空观
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
二、相对论时空观
爱因斯坦的解读
“当你和一个美丽的姑娘在一起坐一小时，你感觉只坐了一分钟，当你坐在火炉旁一分钟，就好象坐了一小时，这就是相对论。”
二、相对论时空观
同时性是相对的
车上的观察者:闪光同时到达车厢的前后两壁（图甲）
地面上的观察者:闪光先到达车厢后壁，后到达前壁（图乙）
同时的相对性
二、相对论时空观
由此可见，时间不再是绝对的，而是相对的，这种情况被称为时间延缓效应。
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t0，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t，两者之间的关系为：
时间延缓效应
二、相对论时空观
相对论的思想实验：有一对双胞胎兄弟，其中一个跨上一宇宙飞船作长程太空旅行，而另一个则留在地球。结果当旅行者回到地球后，我们发现他比他留在地球的兄弟更年轻。
双生子佯谬
二、相对论时空观
1971年，两位科学家利用数台铯原子钟，其中四台放到飞机里，地面上留一台作为标准钟，随后让飞机在赤道附近环球飞行，一次往西一次往东，每次耗费的时间大约是三天，最后看飞机上的原子钟和地面原子钟的时间差异。
实际值：向东飞行一圈，飞机上的时间比地面慢了59纳秒左右；而向西飞行时，飞机上时间比地面时间快了273纳秒左右。
二、相对论时空观
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：
由此可见，空间距离也不再是绝对的，而是相对的，这种情况被称为长度收缩效应。
长度收缩效应
二、相对论时空观
由上面两个式子可以知道，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。这个结论具有革命性的意义，它反映的时空观称作相对论时空观。
相对论的时空观
二、相对论时空观
物理学史上的”里程碑”
牛顿主要贡献
牛顿运动定律
万有引力定律
经典力学的金字塔
牛顿
伽利略、第谷
哥白尼、亚里士多德
笛卡尔、胡克、哈雷等
经典力学金字塔的建立
开普勒
牛顿说：“如果说我看得远，那是因为我站在巨人们的肩上。”
经典力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律更确立了牛顿的地位，牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的广阔领域，经受实践检验。
在宏观低速的世界：一切都理所当然？
宏观物体低速运动（远小于光速），经典力学完全适用。
时间和空间没有联系，相互独立，与物体及其运动状态都没有关系。
物体的相关物理量（位移、质量、大小等）与物体的运动状态都无关。
当一些问题(如微观领域的深入)牛顿解释不了时，它就只好用上帝的万能来解释，为此牛顿花费了后半生的心血，这正是牛顿的悲剧。
三、经典力学的局限性
从低速到高速（接近光速）
随着物体速度的加快，时间会变慢。将一个钟表留在地面上，而携带另一个以很快速度移动，随后进行比较，地上的钟表总比快速移动的快。
物体以接近光速运行时所表现出的长度会比它静止时更短。
爱因斯坦指出，任何物体以光速运动时，其长度将会缩短为零。
物体的质量随速度的增大而增大
1905年，爱因斯坦提出，物体高速时（接近光速），物体所占空间（如长度），物理、化学过程，生命持续时间，都与运动状态有关，时空都与运动相关联了------------狭义相对论
三、经典力学的局限性
从宏观到微观
19世纪末-20世纪初，深入到微观领域，发现电子、质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性，同时还具有波动性，很多情况下经典力学说明不了。
——量子力学
三、经典力学的局限性
从弱引力到强引力
物体间的万有引力是弱引力，经典力学适用
天体半径减小到一定程度时(太阳的引力半径为3 km，地球的引力半径为1 m,如白矮星)，天体间的引力就趋于无穷大 ，强引力。
——爱因斯坦广义相对论
三、经典力学的局限性
自研教材
自研教材：【科学漫步】
课堂小结
一、相对论时空观
时间延缓效应
长度收缩现象
二、牛顿力学的成就
三、牛顿力学的局限性

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