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7.5 相对论时空观与牛顿 力学的局限性
复习回顾：
1、卫星的追及和相遇问题的两类情况?
2、卫星变轨的供需关系？
3、卫星变轨中的四句口诀（诗）？
4、飞船对接的两种方案？
5、同步卫星，近地卫星和赤道上物体的速度加速度角速度等关系？
6、什么是连续群和卫星群？
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。
经典力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律更是树立了人们对牛顿物理学的尊敬。
物理学家杨振宁曾赞颂到：“如果一定要举出某个人、某一天作为近代科学诞生的标志，我选牛顿《自然哲学的数学原理》在1687年出版的那一天。”
牛顿的《自然哲学的数学原理》被评价为科学史上最伟大的著作
经典力学的发展过程
一、绝对时空观（牛顿力学时空观）
1.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。
在牛顿力学时空观里，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。所以不管选什么参考系，不管物体怎么运动，物体的时间、长度、质量等等的测量结果肯定是一样的。
所以时间就是表示一个变化的过程。
1.河水、树木，这是个事件还是个事物？
2.河水在流动，树木在生长呢？
什么是时间？
事物
事件
3.如果没有了时间，水还流动吗，树木还在生长吗？
4.要是没有空间树木往哪里长，水往哪里流呢？
我们知道，若河中的水以相对于岸的速度v水岸流动, 河中的船以相对于水的速度v船水顺流而下，则船相对于岸的速度为
v船岸=v船水+v水岸
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否为1.2c？
v光观=v光船+v船观
v光船=c
v船观=0.2c
v光观=1.2c
事实并非如此！
思考：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
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。
迈克尔逊:波兰裔美国藉物理学家
二、相对论时空观
在牛顿力学理论与电磁波理论的矛盾与冲突面前，一此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点，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
庞加莱
1.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。
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.几个效应
（1）时间延缓效应
如果相当于地面以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，则
Δt= _____________
Δτ
1-
（1）
由于 1－ < 1，所以总有 Δt >Δτ，此种情况称为时间延缓效应。
（2）长度收缩效应
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
l = l0
1-
（2）
由于1－ < 1，所以总有 l < l0，此种情况称为长度收缩效应。
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。
注意：
①沿着运动方向上的长度变短了，速度越大，变短得越多；
②在垂直于运动方向上长度不变.
（3）质量增加效应
m= _____________
m0
1-
m0为物体静止时的质量，m为物体以速度v运动时的质量，那么两者之间的关系是
由于1－ < 1，所以总有 m0< m，此种情况称为质量增加效应。
由上面三个式子可以知道，运动物体的长度（空间距离）和物理过程的快慢（时间进程）以及物体的质量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。
相对论时空观的第一次宏观验证是在 1971 年进行的。当时在地面上将四只铯原子钟调整同步，然后把它们分别放在两架喷气式飞机上做环球飞行，一架向东飞，另一架向西飞。两架飞机各绕地球飞行一周后回到地面，与留在地面上的铯原子钟进行比较。实验结果与相对论的理论预言符合得很好。
根据狭义相对论，随着物体（观察者所见到的）运动速度的加快，时间会变慢。
推测：向东飞行速度比地面上的大，所以向东飞行时铯原子钟的度数应该比地球上的铯原子钟慢了；而向西飞飞机的速度和地球自转相抵消，它们的速度比地面上的小，所以向西飞行的铯原子钟应该比地球上的快。
实验结果：将铯原子钟放在飞机上，沿赤道向东和向西绕地球一周，回到原处后，分别比静止在地面上的钟慢59纳秒和快273纳秒。实验结果与理论预言符合的很好。这是相对论的第一次宏观验证。
例1.如图所示，强强乘坐速度为0.9c(c为光速)的宇宙飞船追赶正前方的壮壮，壮壮的飞行速度为0.5c，强强向壮壮发出一束光进行联络，则壮壮观测到该光束的传播速度为( )
A．0.4c B．0.5c　
C．0.9c 　 D．1.0c
解析：根据光速不变原理，在一切惯性参考系中测量到真空中的光速c都一样，而壮壮所处参考系即为惯性参考系，因此壮壮观察到的光速为1.0c，选项D正确。
D
例2.以下哪项属于爱因斯坦对相对论提出的基本假设( )
B
A.一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度小
B.在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的
C.真空中的光速在不同的惯性参考系中是不相同的
D.相对论认为时间和空间与物体的运动状态有关
解析 爱因斯坦对相对论提出的两条基本假设为：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，故B正确.
例3.如图所示，惯性系 ???? 中有一边长为 ???? 的正方形，从相对???? 系
沿 ???? 方向以接近光速匀速飞行的飞行器上观察到该正方形的图像
是( )
?
C
A.&1& B.&2& C.&3& D.&4&
解析 根据长度收缩效应知，沿 ???? 轴方向正方形边长缩短，沿 ???? 轴方向正方形边长不变，故C正确.
?
例4.假设地面上有一火车以接近光速的速度运行，其内站立着一个中等身材的人，站在路旁的人观察车里的人，观察的结果是( )
A.这个人是一个矮胖子 B.这个人是一个瘦高个子
C.这个人矮但不胖 D.这个人瘦但不高
解析　取路旁的人为惯性系，车上的人相对于路旁的人高速运动，根据长度收缩效应，人在运动方向上将变窄，但在垂直于运动方向上没有发生变化，故选D.
D
三、牛顿力学的成就与局限性
1.牛顿力学的成就
牛顿力学的基础是牛顿运动定律，在低速、宏观、弱引力的广阔领域，牛顿力学取得了巨大的成就。牛顿力学又称为经典力学。
研究方法
的代表
伽利略的“自然数学法”和牛顿的“归纳演绎法”推动了物理、数学和哲学的发展
主要
成就
天体力学、材料力学和结构力学等得到了广泛的应用
18世纪60年代，力学和热力学的发展及应用，引发了第一次工业革命
动量守恒定律、机械能守恒定律等是航空航天技术的理论基础
2.研究方法和主要成就
地面上物体运动
天体的运动
拦河筑坝
各种机械
投出的篮球
所有这些都服从牛顿力学的规律。牛顿力学在如此广阔的领域里与实际相符合，显示了牛顿运动定律的正确性和牛顿力学的魅力。
导弹发射
人造卫星
宇宙飞船
随着物体运动速度的加快，时间会变慢。
以接近光速运行的火箭的长度会比它静止时更短，尽管乘坐火箭的人看来并没有什么两样。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，时间与空间都与运动相关联了------------狭义相对论
牛顿力学的局限性
从低速到高速
适用：低速物体运动，不适用于高速运动。
高速：双生子佯谬
低速：投出的篮球
伦琴
汤姆生
贝克勒耳
第二次革命的导火索，是物理学史上的三大发现：伦琴发现 X 射线、汤姆生发现电子、贝克勒耳发现天然放射线，使物理学的研究从宏观领域进入了微观世界。
从宏观到微观
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，而且具有波动性，它们的运动规律不能用经典力学描述。
20世纪20年代，普朗克建立了量子力学，它能够正确地描述微观粒子运动的规律性，并在现代科学技术中发挥了重要作用。
粒子性
干涉
衍射
波动性
适用：宏观物体，不适用于微观物体。
例5.(多选)以下说法正确的是(　　)
A．经典力学理论普遍适用，大到天体，小到微观粒子均适用
B．经典力学理论具有一定的局限性
C．在经典力学中，物体的质量不随运动状态的改变而改变
D．相对论和量子力学否定了经典力学理论
BC
例6.[湖北武汉2022高一下月考] 500米口径的中国天眼 ???????????????? 是
世界上已建成的最大的射电望远镜，可监测脉冲星，探测引力波的
存在.而引力波是实验验证爱因斯坦相对论的最后一块“拼图”.
关于牛顿力学、相对论和量子力学，下列说法正确的是 ( )
?
A
A.牛顿力学适用于研究宏观物体的低速运动
B.由于相对论的提出，牛顿力学已经失去了它的应用价值
C.高速运动的 ???? 子寿命变长这一现象，既能用相对论时空观解释，
又能用经典理论解释
D.不论是宏观物体，还是微观粒子，牛顿力学和量子力学都是适
用的

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