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第七章 万有引力与宇宙航行
7.4 宇宙航行
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
问题？
生活经验让我们体会到，时间像一条看不见的“长河”，均匀地自行流逝着，空间像一个广阔无边的房间，它们都不影响物体及其运动。也就是说，时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的。这种绝对时空观，也叫牛顿力学时空观。
v船岸=v船水+v水岸
v船岸=v船水+v水岸这类表达式，又被称为伽利略变换，是牛顿力学，研究相对运动问题的基本原理之一。
飞船相对地面以速度v0= 0.2c（c为真空中的光速）匀速运动，从飞船上，沿飞船前进方向，射出一束光，在地面上的人看来，这束光传播的速度是否应为 v =v0+c = 1.2c 呢？
因此，前面问题的答案似乎应为1.2C。然而，事实并非如此。
1.2倍的光速与我们中学里学到的，真空中的光速是宇宙中最快的速度两者不相符。
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。
相对论时空观
Einstein 对相对论的解释:
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。
Albert Einstein
世纪伟人
高中物理
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。人们自然要问：这个速度是相对哪个参考系而言的？
一些物理学家对这个问题进行了研究。在实验研究中，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。
高中物理
在牛顿力学理论与电磁波理论的矛盾与冲突面前，一些物理学家仍坚持原有理论的基础观念，进行一些修补的工作，而爱因斯坦、庞加莱等人则主张彻底放弃某些与实验和观测不符的观念，如绝对时间的概念，提出能够更好地解释实验事实的假设。
爱因斯坦假设 ：
（1）在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的；
（2）真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。
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。
高中物理
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。因此，这两个事件不是同时发生的。
由此可见，时间不再是绝对的，而是相对的，这种情况被称为：时间的延缓效应。
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 ，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：
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的收缩效应。
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。
这两个式子中都有一个因式：
当物体运动的速度v远小于c时 趋近于1。与牛顿经典力学的时空观一致
原来牛顿力学时空观是相对论时空观在低速运动情况下的特例。
牛顿力学的成就与局限性
1．经典力学的基础是牛顿运动定律，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，包括天体力学的研究中，经受了实践的检验，取得了巨大的成就。
2．爱因斯坦狭义相对论阐述物体在以接近光的速度运动时所遵从的规律。得出了一些不同于经典力学的观点和结论。
3．时间与空间
（1）物体运动的特征就是它的位置随时间而发生变化，因而要描述物体运动就应该对空间和时间有一些认识。
（2）通过生活经验我们体会到，所谓空间就像一个广阔无边又硕大无比的房间，它是容纳一切物体的“容器”。它给物体提供了一个运动的“舞台”，并不干扰物体的“演出”。也就是说，空间是独立于物体及其运动而存在的。
（3）通过生活经验我们还体会到，时间就像一条看不见的 “长河”，均匀地自行流逝着，它计量着物体运动的持续性，而任何物体都影响不了它。也就是说，时间也是独立于物体及其运动而存在的。
（4）令人高兴的是，我们这种认识与物理学的伟大奠基者牛顿的看法是一致的。人们对时空的这种认识称为牛顿时空观，也叫经典时空观。
（5）爱因斯坦所提出的时空观认为，在研究物体的高速运动即速度接近真空中的光速时，物体的长度即物体所占有的空间以及物理过程、化学过程，甚至生命过程的持续时间，都与它们的运动状态有关。这样，空间和时间不再与物体及运动无关而独立存在了。
（6）然而，物理学的进展表明，一些看似天真的问题，其答案却是惊天动地的。人们对空间和时间概念的扬弃与修正，推动着物理研究的深化，扩展着人类的科学视野。
从宏观到微观
（1）19世纪末20世纪初，物理学研究深入到微观世界，发现了电子、质子、中子等微观粒子，而且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经典力学来说明。20世纪20年代， 量子力学建立，它能够很好地描述微观粒子运动的规律性，并在现代科学技术中发挥了重要作用。这就是说，经典力学一般不适用于微观粒子。
（2）相对论和量子力学的出现，说明人类对自然界的认识更加广泛和深入，而不表示经典力学失去了意义。它只是使人们认识到经典力学有它的适用范围：只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界。
经典力学的适用范围
只适用于低速运动，不适用于高速运动；
只适用于宏观世界，不适用于微观世界；
只适用于弱引力作用，不适用于强引力作用。
练一练
1、通过一个加速装置对电子加一很大的恒力，使电子从静止开始加速，则对这个加速过程，下列描述正确的是( )
A．根据牛顿第二定律，电子将不断做匀加速直线运动
B．电子先做加速运动，后以光速做匀速直线运动
C．电子开始先近似于匀加速运动，后来质量增大，牛顿运动定律不再适用
D．电子是微观粒子，整个加速过程根本就不能用牛顿运动定律解释
答案：C
总结
一、牛顿力学时空观
时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的。这种绝对时空观，也叫牛顿力学时空观。
二、相对论时空观
1、爱因斯坦的两个假设
（1）相对性原理（2）光速不变原理
2．相对论时空观的内容
认为时间和空间是相互联系相互影响的，并且与物质的存在及运动有关。
3、时间延缓效应
4、长度收缩效应
三、牛顿力学的成就与局限性
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。

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