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(共21张PPT)
7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性
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？
经典时空观（绝对时空观）：
（1）同时的绝对性
（2）时间间隔的绝对性
（3）空间距离的绝对性
时间、长度和质量这三者都与物质及其运动无关。
因此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1.2c。然而，事实并非如此！
例如，设河流中的水相对于河岸的速度为v水岸，船相对于水的速度为v船水，则在经典力学中，船相对于岸的速度为
v船岸＝v船水＋v水岸(矢量和)．
经典时空观的运动合成原理：
如果实验前提正确，应该观察到0.4条的条纹移动。可是他们没有得到应有结果。后来又在德国、美国、瑞士多次重复该实验，得到的仍然是 “0结果”。
上述的矛盾使物理学家面临两个选择：
一是修补：修正现有的理论，去迎合实验结果(这相对比较容易，但常常无效) ；
二是创新：彻底摆脱“麦克斯韦电磁理论只适用于某一特殊的惯性系”，创立全新的理论。爱因斯坦等人选择了后者。
迈克尔孙和莫雷所做的实验证明光速的测量结果与光源和测量者的相对运动无关，亦即与参考系无关。可见光和电磁波的运动不服从经典力学的相对性原理。
爱因斯坦的思维
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爱丁顿通过实验首次验证了广义相对论。
爱因斯坦创立了相对论，阐述了物体以接近光速运动所遵循的规律，得出了一些不同于经典力学的观念和结论。
（1）相对性原理：不同惯性参考系，物理规律相同
（2）光速不变原理：任何惯性系，光速不变
1、两条基本假设：
一、相对论时空观
（1）相对时间
狭义相对论认为时间不是绝对的（即固定不变的）。爱因斯坦指出，随着物体（观察者所见到的）运动速度的加快，时间会变慢。使用同步原子钟已证实了这个结论的正确性，将一个钟表留在地面上，而携带另一个以很快速度移动（如在喷气式飞机上），随后进行比较，动的钟表总比另一个稍微慢一点。
——动时钟变慢
t0为物体静止的时间
t是物体速度为v时的时间
c是真空中的光速
L0为物体静止时的长度
L是物体速度为v时的长度
c是真空中的光速
——动长度变短
（2）相对长度
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相对论的实验验证
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相对论的实验验证
牛顿三定律和万有引力定律把天体的运动与地上物体的运动统一起来，是人类认识史上的第一次重大飞跃。
经典力学和以经典力学为基础发展起来的天体力学、材料力学和结构力学等得到了广泛应用，并取得了巨大成就。
1. 牛顿力学的成就
像一切科学一样，它没有也不会穷尽一切真理，它也有自己的局限性．它像一切科学理论一样，是一部“未完成的交响曲”．
二. 牛顿力学的成就与局限性
（1）只适用于物体的低速运动
物体在以接近光速运动时所遵从的规律，有些是与牛顿力学的结论并不相同的。
（2）只适用于宏观世界，不适用于微观世界
19世纪末到20世纪初，人们相继发现了电子、质子、中子等微观粒子，发现它们不仅具有粒子性，面且具有波动性，它们的运动规律不能用经典力学描述。 20世纪20年代，建立了量子力学，它能够正确地描述微观粒子运动的规律性。
2. 牛顿力学的成就与局限性
（3）经典力学规律只在惯性参考系中成立
经典力学规律只能用于宏观、低速（与光速相比）的情形，且只在惯性参考系中成立。
思考：相对论和量子力学的出现，是否表示经典力学失去了意义
【答案】对于高速运动（速度接近真空中的光速），需要应用爱因斯坦的狭义相对论。当物体的运动速度远小于真空中的光速时，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别。
对于微观世界，需要应用量子力学。当普朗克常数可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别。
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黑 洞
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引力波
一、经典力学规律只能用于：宏观物体、低速运动、惯性系。
二、相对论的基本原理
1、相对性原理
2、光速不变原理
课堂小结
（1）相对时间
（2）相对长度
T
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