1、7.5 7.5 相对论时空观与牛顿力学的相对性相对论时空观与牛顿力学的相对性 第七章第七章 万有引力与宇宙航行万有引力与宇宙航行 学习目标学习目标 1.1. 知道牛顿力学的局限性，知道牛顿力学的局限性， 2.2.了解经典力学在科学研究和生产技术中的应用，了解经典力学在科学研究和生产技术中的应用， 3.3.体会人类对自然界的探索是不断深入的。体会人类对自然界的探索是不断深入的。 4.4.初步了解相对论的时空观，关注宇宙起源和演化研究进展。初步了解相对论的时空观，关注宇宙起源和演化研究进展。 经典的相对性原理经典的相对性原理 （1 1）惯性系：）惯性系： 牛顿运动定律成立的参考系。牛顿运动定律成立
2、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。性系。 （2 2）伽利略相对性原理）伽利略相对性原理 力学规律在任何惯性系中都是相同的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设想人类可以利用飞船以0.2c0.2c 的速度进行星际航行。如果飞船向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。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该星球上的观察者测量到的激光的 速度是多少？速度是多少？ 一、相对论时空观一、相对论时空观 （1 1）相对性原理）相对性原理 在不
3、同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的 （2 2）光速不变原理）光速不变原理 在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速c c都相同都相同 狭义相对论的两个基本假设狭义相对论的两个基本假设 1 1、“同时同时”的相对性的相对性 车上的观察者车上的观察者: :光同时到达车厢的前后两壁光同时到达车厢的前后两壁 地面上的观察者地面上的观察者: :光先到车厢后壁后到前壁光先到车厢后壁后到前壁 对于车厢内的人：对于车厢内的人： 对于车厢外的人：对于车厢外的人： 2 2、时间延缓效应、时间延缓效应 c h t 2 0 22
4、 2 4 vc h t 2 2 0 1 c v t t t t t t0 0，时钟变慢效应，时钟变慢效应 现实中现实中v v远小于远小于c c，故，故 时间相差很小时间相差很小 时间延缓是相互的时间延缓是相互的 h 时空相对性的实验验证时空相对性的实验验证 19711971年，科学家将铯原子钟放在喷气式飞机中作环球飞行，然后与地年，科学家将铯原子钟放在喷气式飞机中作环球飞行，然后与地 面的基准钟对照实验结果与理论预言符合的很好这是相对论的第面的基准钟对照实验结果与理论预言符合的很好这是相对论的第 一次宏观验证一次宏观验证 3 3、长度收缩效应（尺缩效应）、长度收缩效应（尺缩效应） v v 注意
5、：长度收缩效应只发生在相对运动的方向上注意：长度收缩效应只发生在相对运动的方向上 2 2 0 1 c v ll 物体的质量是否随着速度而变化？物体的质量是否随着速度而变化？ 严格的论证表明，物体运动时的质量与它静止时的质量之严格的论证表明，物体运动时的质量与它静止时的质量之 间有下面的关系：间有下面的关系： m m为运动质量为运动质量 m m0 0为静止质量为静止质量 4 4、质速关系、质速关系 2 2 0 1 c v m m 宏观物体的速度宏观物体的速度 不可能达到光速不可能达到光速 狭义相对论时空观狭义相对论时空观与与经典时空观经典时空观的区别：的区别： 相对论时空观：相对论时空观： 空间
6、和时间与物质的运动状态有关空间和时间与物质的运动状态有关 经典时空观：经典时空观： 空间和时间是脱离物质而存在的，是绝对的，空间和时空间和时间是脱离物质而存在的，是绝对的，空间和时 间没有什么联系间没有什么联系 虽然相对论更具有普遍性，但经典物理学作为相对论在宏观低速时虽然相对论更具有普遍性，但经典物理学作为相对论在宏观低速时 的特例，在自己的适用范围内还可以继续发挥作用的特例，在自己的适用范围内还可以继续发挥作用 例例1 1 关于狭义相对论，下列说法不正确的是关于狭义相对论，下列说法不正确的是( () ) A.A.狭义相对论认为在不同的惯性参考系中，一切物理狭义相对论认为在不同的惯性参考系中
7、，一切物理 规律都是相同的规律都是相同的 B.B.狭义相对论认为在一切惯性系中，光在真空中的速狭义相对论认为在一切惯性系中，光在真空中的速 度都等于度都等于c c，与光源的运动无关，与光源的运动无关 C.C.狭义相对论只涉及无加速运动的惯性系狭义相对论只涉及无加速运动的惯性系 D.D.狭义相对论任何情况下都适用狭义相对论任何情况下都适用 解析根据狭义相对论的基本假设可知，选项解析根据狭义相对论的基本假设可知，选项A A、B B正确；狭义相对论只涉及惯性参考系，正确；狭义相对论只涉及惯性参考系， 不涉及非惯性参考系，选项不涉及非惯性参考系，选项D D错误，错误，C C正确。正确。 答案答案D D
8、 例例2 2 以下说法中正确的是以下说法中正确的是( () ) A.A.经典物理中的速度合成公式在任何情况下都是适用的经典物理中的速度合成公式在任何情况下都是适用的 B.B.经典物理规律也适用于高速运动的物体经典物理规律也适用于高速运动的物体 C.C.力学规律在一个静止的参考系和一个匀速运动的参考系中是不力学规律在一个静止的参考系和一个匀速运动的参考系中是不 等价的等价的 D.D.力学规律在任何惯性系里都是等价的力学规律在任何惯性系里都是等价的 解析在所有惯性系中，一切力学规律都是等价的，故解析在所有惯性系中，一切力学规律都是等价的，故D D正确，正确，C C错误；经典物理规律是狭义错误；经典
9、物理规律是狭义 相对论在低速状态下的一个近似，所以经典物理规律只适用于低速运动的物体，而经典物理相对论在低速状态下的一个近似，所以经典物理规律只适用于低速运动的物体，而经典物理 中的速度合成公式也只适用于低速情况，故中的速度合成公式也只适用于低速情况，故A A、B B均错误。均错误。 答案答案D D 二、牛顿力学的成就与局限性二、牛顿力学的成就与局限性 1 1经典力学的基础是经典力学的基础是牛顿运动定律牛顿运动定律，牛顿运动定律和万有引力定，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，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
10、验，取得了巨大的成就。经受了实践的检验，取得了巨大的成就。 2 2爱因斯坦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。的规律。得出了一些不同于经典力学的观点和结论。 3 3时间与空间时间与空间 （1 1）物体运动的特征就是它的位置随时间而发生变化，因而）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。要描述物体运动就应该对空间和时间有一些认识。 （2 2）通过生活经验我们体会到，所谓空间就像一个广阔无边）通过生活经验我们体会到，所谓空间就像一个广
11、阔无边 又硕大无比的房间，它是容纳一切物体的又硕大无比的房间，它是容纳一切物体的“容器容器”。它给物。它给物 体提供了一个运动的体提供了一个运动的“舞台舞台”，并不干扰物体的，并不干扰物体的“演出演出”。 也就是说，空间是独立于物体及其运动而存在的。也就是说，空间是独立于物体及其运动而存在的。 （3 3）通过生活经验我们还体会到，时间就像一条看不见的）通过生活经验我们还体会到，时间就像一条看不见的 “长河长河”，均匀地自行流逝着，它计量着物体运动的持续性，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而任何物体都影响不了它。也就是说，时间也
12、是独立于物体及 其运动而存在的。其运动而存在的。 （4 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）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。叫经典时空观。 （5 5）爱因斯坦所提出的时空观认为，在研究物体的）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高速运动即速度 接近真空中的光速时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，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
13、有程、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。关。这样，空间和时间不再与物体及运动无关而独立存在了。这样，空间和时间不再与物体及运动无关而独立存在了。 （6 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）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。究的深化，扩展着人类的科学视野。 4.4.从宏观到微观从宏观到微观 （1 1）1919世纪末世纪末2020世纪初，物理学研究深入到微观世界，发现了电世纪初，
14、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子、质子、中子等微观粒子，而且发现它们不仅具有粒子性粒子性，同，同 时还具有时还具有波动性波动性，它们的运动规律在很多情况下不能用经典力学，它们的运动规律在很多情况下不能用经典力学 来说明。来说明。2020世纪世纪2020年代，年代， 量子力学量子力学建立，它能够很好地描述微观建立，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。这就这就 是说，经典力学一般不适用于微观粒子。是说，经典力学一般不适用于微观粒子。 （2 2）相对论和量子力学
15、的出现，说明人类对自然界的认识更加广泛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。适用于宏观世界，不适用于微观世界。 经典力学的适用范围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；只适用于宏观世界，不适用于微观世界； 只适用于弱引力
16、作用，不适用于强引力作用。只适用于弱引力作用，不适用于强引力作用。 课堂训练课堂训练 1 1对于下列说法正确的是（对于下列说法正确的是（ ） A A. .经典力学的质量是不变的经典力学的质量是不变的 B B. .经典力学的时间和空间是独立于物体运动的经典力学的时间和空间是独立于物体运动的 C C. .爱因斯坦的狭义相对论研究的是物体在低速运动时所遵循的规爱因斯坦的狭义相对论研究的是物体在低速运动时所遵循的规 律律 D D. .爱因斯坦的狭义相对论研究的是物体在高速运动时所遵循的规爱因斯坦的狭义相对论研究的是物体在高速运动时所遵循的规 律律 2 2下列说法正确的是（下列说法正确的是（ ） A A
17、在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变，在狭义相对论中，在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变，在狭义相对论中， 物体的质量也不随运动状态而改变物体的质量也不随运动状态而改变 B B在经典力学中，物体的质量随运动速度的增加而减小，在狭义相对在经典力学中，物体的质量随运动速度的增加而减小，在狭义相对 论中，物体的质量随物体速度的增大而增大论中，物体的质量随物体速度的增大而增大 C C在经典力学中，物体的质量是不变的，在狭义相对论中，物体的质在经典力学中，物体的质量是不变的，在狭义相对论中，物体的质 量随物体速度的增大而增大量随物体速度的增大而增大 D D在经典力学中，物体的质量是不变的，在狭义相对论中，物体的质在经典力学中，物体的质量是不变的，在狭义相对论中，物体的质 量随物体速度的增大而减小量随物体速度的增大而减小
