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7.5 相对论时空观与牛顿力学的相对性
第七章 万有引力与宇宙航行
学习目标
1. 知道牛顿力学的局限性，
2.了解经典力学在科学研究和生产技术中的应用，
3.体会人类对自然界的探索是不断深入的。
4.初步了解相对论的时空观，关注宇宙起源和演化研究进展。
经典的相对性原理
（1）惯性系：
牛顿运动定律成立的参考系。
相对于一个惯性参考系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系。
（2）伽利略相对性原理
力学规律在任何惯性系中都是相同的.
设想人类可以利用飞船以0.2c的速度进行星际航行。如果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？
相对论时空观的内容
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？
麦克斯韦英国物理学家、数学家
迈克尔逊：波兰裔美国藉物理学家。
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。
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：
（一）时间延缓效应
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。
（二）长度收缩效应
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。
相对于地面以速度v运动的物体，从地面上看：
(1)沿着运动方向上的长度变短了，速度越大，变短得越多.
(2)在垂直于运动方向不发生长度收缩效应现象.
高中物理
牛顿力学的成就与局限性
1、牛顿力学的成就
想一下主要有哪些物理学家作出了哪些突出的贡献？
重 大 成 就 时 间
阿基米德发现浮力定律 公元前三世纪
开普勒发现行星运动定律 1609，1619
伽利略阐明了运动的相对性原理 1632
伽利略发现了自由落体运动规律、惯性原理 1638
帕斯卡发现帕斯卡原理 1653
马德堡半球实验、验证大气压力 1663
发现胡克定律——弹簧弹力和形变的关系 1678
牛顿发表《自然哲学的数学原理》，阐明了运动定律和万有引力定律 1687
亚里士多德 伽利略 笛卡儿 惠更斯 牛顿
国别 生活年代 古希腊，约公元前384～公元前322年 意大利，1564～1642年 法国，1596～1650年 荷兰，1629～1695年 英国， 1642～1727年
主要的科学研究方法 观察、思维、推理 观察实验、假设、数学推理三者相结合 实验观察、数学推理 实验、数学推理 归纳与演绎、综合与分析、实验观察等
力学方面的主要成就 两个反面的结论： ①力是维持物体运动的原因。 ②重的物体比轻的物体下落得快。 ①自由落体运动规律 ②力学相对性原理 惯性定律 ①制成了世界上第一架计时摆钟。 ②测量出重力加速度的值。 ①三大运动定律、②万有引力定律。
经典力学的伟大成就
⑴把人类对整个自然界的认识推进到一个新水平，牛顿从力学上证明了自然界的统一；
⑵经典力学的建立首次明确了一切自然科学理论应有的基本特征，这标志着近代理论自然科学的诞生，也成为其他各门自然科学的典范；
⑶经典力学的建立对自然科学和科技的发展、社会的进步具有深远影响：
①经典力学形成的科学研究方法的推广应用；
②经典力学与其他基础科学相结合产生了许多交叉学科，促进了自然科学的进一步发展；
③经典力学在科学技术上有广泛的应用，促进了社会文明的发展。
经典力学局限性：
1、不能解决高速运动问题（接近光速）
2、不适用于微观领域中物质结构和能量不连续的现象
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；只适用于弱引力情况，不适用于强引力情况．
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．当普朗克常量可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别．
对于强引力情况，需要应用爱因斯坦引力理论．当天体的实际半径远大于它们的引力半径时，爱因斯坦引力理论和牛顿万有引力定律计算出的力的差异并不很大．
1.下列说法中正确的是(　　)
A．牛顿运动定律就是经典力学
B．经典力学的基础是牛顿运动定律
C．牛顿运动定律可以解决自然界中所有的问题
D．经典力学可以解决自然界中所有的问题
B
2.经典力学只适用于“宏观世界”．这里的“宏观世界”是指(　　)
A．行星、恒星、星系等巨大的物质领域
B．地球表面上的物质世界
C．人眼能看到的物质世界
D．不涉及分子、原子、电子等微观粒子的物质世界
D

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