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(共19张PPT)
7.5 相对论时空观与
牛顿力学的局限性
第七章 万有引力与宇宙航行
学习目标
基本 要求 1．了解经典力学的发展历程和伟大成就。
2．认识经典力学的局限性和适用范围。
3．体会科学理论总是在不断发展的。
发展 要求 1．初步了解微观和高速世界中的奇妙现象。
2．初步了解相对论、量子论的建立对人类深入认识客观世界的作用。
说明 1．不要求用相对论中质量随速度变化的公式进行计算。
2．不要求识记证明经典力学局限性的有关事实。
问题
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？
经典力学中的速度叠加
V人
V车
V人
V车
相对论时空观
1887年的迈克耳孙—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！这与牛顿力学中不同参考系之间的速度变换关系不符。
在经典物理学中
车内观察者看到闪光同时传到前后两壁
车外观察者看到闪光先到达后壁，
后到达前壁
相对论时空观
爱因斯坦假设：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的；真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的——光速不变原理。
相对论时空观——时间延缓效应
如果相对于地面以 v 运动的惯性参考系上的人观察到与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为 Δτ，地面上的人观察到该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为 Δt，那么两者之间的关系是
相对论时空观——长度缩短效应
如果与杆相对静止的人测得杆长是l0，沿着杆的方向，以v相对杆运动的人测得杆长是l，那么两者之间的关系是
相对论时空观的验证
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。
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。
经典力学的局限性：宏观低速的世界
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。
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
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
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
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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