1、中物理第七章第七章 万有引力与宇宙航行万有引力与宇宙航行7.57.5相对论时空观与牛顿力学的局限性相对论时空观与牛顿力学的局限性设想人类可以利用飞船设想人类可以利用飞船以以 0.2c 的速度进行星际航行。的速度进行星际航行。若飞船向正前方的某一星球若飞船向正前方的某一星球发射一束激光，该星球上的发射一束激光，该星球上的观察者测量到的激光的速度观察者测量到的激光的速度是多少？是多少？课堂引入课堂引入 描述一个物体的运动必须选择一个参考系，然后研究这一物体相描述一个物体的运动必须选择一个参考系，然后研究这一物体相对于参考系是如何运动的。对于参考系是如何运动的。 惯性参考系惯性参考系牛顿运动定律成立
2、的参考系牛顿运动定律成立的参考系非惯性参考系非惯性参考系牛顿运动定律不成立的参考系牛顿运动定律不成立的参考系一、牛顿力学的经典时空观一、牛顿力学的经典时空观1 1、惯性系与非惯性系、惯性系与非惯性系 所有相对于惯性系做所有相对于惯性系做匀速直线运动匀速直线运动的参考系都是的参考系都是惯性系惯性系，而对于，而对于惯性系做惯性系做变速运动变速运动的参考系为的参考系为非惯性系非惯性系。表述表述1 1：对于所有的惯性系，力学规律都是相同的。对于所有的惯性系，力学规律都是相同的。2 2、伽利略的相对性原理、伽利略的相对性原理表述表述2 2：在一个惯性参考系内进行的任何力学实验都不能判：在一个惯性参考系内
3、进行的任何力学实验都不能判断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动。断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动。表述表述3 3：一切惯性系都是等价的。：一切惯性系都是等价的。 绝对的真实的数学时间，就其本质绝对的真实的数学时间，就其本质而言，是永远均匀地流逝，与任何外而言，是永远均匀地流逝，与任何外界无关，绝对空间就其本质而言是与界无关，绝对空间就其本质而言是与任何外界事物无关的，它从不运动，任何外界事物无关的，它从不运动，并且永远不变，这就是并且永远不变，这就是经典力学的时经典力学的时空观空观。也称。也称绝对时空观绝对时空观。绝对时空观绝对时空观：牛顿：“如果说我看得远，那是因
4、为我站在巨人们的肩上。” 思考与讨论：思考与讨论：我们知道，如果河水中的河水以相对河岸的速度我们知道，如果河水中的河水以相对河岸的速度流动，河中的船流动，河中的船以相对于水的速度以相对于水的速度顺流而下，则船相对于岸边的速度为顺流而下，则船相对于岸边的速度为v v船岸船岸= =v v船水船水+ +v v水岸水岸V水=5m/sV船=5m/s因此，前面问题的答案似乎应因此，前面问题的答案似乎应为为1.2c1.2c。然而，事实并非如此。然而，事实并非如此。真空中的光速是宇宙中最快的速度。这里怎么出现了这里怎么出现了1.21.2倍的光倍的光速呢？速呢？显然，在哪里出现了问题！ 十九世纪，英国科学家麦克
5、斯韦，十九世纪，英国科学家麦克斯韦，提出了电磁场理论，预言了电磁波的存提出了电磁场理论，预言了电磁波的存在，并从理论上证明了，在，并从理论上证明了，电磁波传播的电磁波传播的速度等于光速。速度等于光速。人们不禁要问：这个速人们不禁要问：这个速度是相对哪个参考系而言的呢？度是相对哪个参考系而言的呢？麦克斯韦（18311879）1.1.牛顿力学与电磁理论的冲突牛顿力学与电磁理论的冲突二、相对论时空观二、相对论时空观 1887 1887年，美国科学家年，美国科学家迈克尔逊和莫雷迈克尔逊和莫雷通过实验证明了，在不同的参考系中，光通过实验证明了，在不同的参考系中，光的传播速度都是一样的！的传播速度都是一样
6、的！这与牛顿力学中，这与牛顿力学中，不同的参考系之间的速度变换关系（伽利不同的参考系之间的速度变换关系（伽利略变换）不符！略变换）不符！ 在实验事实的面前，许多物理学家，在实验事实的面前，许多物理学家，仍仍然立足在牛顿力学时空观的基础上然立足在牛顿力学时空观的基础上，想通，想通过一些理论上的修补工作，解释实验现象。过一些理论上的修补工作，解释实验现象。阿尔伯特迈克尔逊（18521931）但都没有成功！但都没有成功！ 以以爱因斯坦爱因斯坦和和庞加莱庞加莱为代表的为代表的另一批物理学家，坚决主张，另一批物理学家，坚决主张，彻底彻底放弃某些与实验事实不相符的观念放弃某些与实验事实不相符的观念，如绝对
7、时间的观念，在实验事实的如绝对时间的观念，在实验事实的基础上，大胆提出，能够更好地解基础上，大胆提出，能够更好地解释实验现象的假设。释实验现象的假设。儒勒庞加莱（法）（1854-1912）2.2.相对论的两个基本假设相对论的两个基本假设（1 1）相对性原理：相对性原理：在不同的惯性参考系中，在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的。物理规律的形式都是相同的。（2 2）光速不变原理：光速不变原理：真空中的光速在真空中的光速在不同的惯性参考系中，大小都是相同的。不同的惯性参考系中，大小都是相同的。阿尔伯特爱因斯坦（18791955） 这两个假设看起来平淡无奇，但如这两个假设看起来平淡无奇，但
8、如果接受了这两个假设的观点，并用它来果接受了这两个假设的观点，并用它来分析问题，可能分析问题，可能会会在我们的头脑中引起在我们的头脑中引起一场轩然大波！一场轩然大波！ 相对论的时空观念与人们固有的时空观念差别很大，很难被普相对论的时空观念与人们固有的时空观念差别很大，很难被普通人所理解。人们都称赞爱因斯坦伟大，但又常常弄不懂这伟大的通人所理解。人们都称赞爱因斯坦伟大，但又常常弄不懂这伟大的内容。这使人们想起英国诗人内容。这使人们想起英国诗人波谱波谱的诗句的诗句: :自然和自然的法则在黑暗中自然和自然的法则在黑暗中隐藏；隐藏；上帝说，上帝说，让牛顿去吧！让牛顿去吧！于是一切都被照亮。于是一切都被
9、照亮。魔鬼说，魔鬼说，让爱因斯坦去吧！于是一切让爱因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。又回到黑暗中。同时性是相对的同时性是相对的车上的观察者车上的观察者: :闪光同时到达车厢的前后两壁闪光同时到达车厢的前后两壁（图甲）（图甲）地面上的观察者地面上的观察者: :闪光先到达车厢后壁，后到达前壁（图乙）闪光先到达车厢后壁，后到达前壁（图乙） 由此可见，时间不再是绝对的，而由此可见，时间不再是绝对的，而是相对的，这种情况被称为是相对的，这种情况被称为 如果相对地面以如果相对地面以v v运动的某惯性参考系上的人，观察与其一起运动的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物体
10、完成某个动作的时间间隔为t t0 0，地面上的人观察该物体在同一地点，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完成这个动作的时间间隔为t t，两者之间的关系为：，两者之间的关系为：20)(1cvtt 如果有一根杆，与杆相对静止的人测得杆长是如果有一根杆，与杆相对静止的人测得杆长是l l0 0，沿着杆的方向，以，沿着杆的方向，以速度速度v v相对杆运动的人测得杆长是相对杆运动的人测得杆长是l l，那么，那么l l0 0与与l l两者之间的关系是：两者之间的关系是：20)(1cvll 由此可见，空间距离也不再是由此可见，空间距离也不再是绝对的，而是相对的，这种情况被绝对的，而是相对的
11、，这种情况被称为称为 由上面两个式子可以知道，运动物体的长度（空间距离）和物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革命性的意义，它反映的时空观称作2)(1cvt20)(1cvll牛顿力学的诞生开创了人类科技文明的新纪元，为工业革命和现牛顿力学的诞生开创了人类科技文明的新纪元，为工业革命和现代生活奠定了基础。从地面上物体的运动到天体运动，从拦河筑代生活奠定了基础。从地面上物体的运动到天体运动，从拦河筑坝、修建桥梁到设计各种机械，从普通
12、的交通工具到发射人造卫坝、修建桥梁到设计各种机械，从普通的交通工具到发射人造卫星和宇宙飞船星和宇宙飞船.所有这些都符合牛顿力学的规律。所有这些都符合牛顿力学的规律。牛顿力学牛顿力学在如此广泛的领域里在如此广泛的领域里与事实相符合，显示出牛顿力学的正确性和无限魅力。与事实相符合，显示出牛顿力学的正确性和无限魅力。三、三、牛顿力学的成就与局限性牛顿力学的成就与局限性(1) 实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合。实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合。(2) 确定了自然科学应有的基本特征。确定了自然科学应有的基本特征。(3) 将将“实验和数学实验和数学”相结合的方法推广到物理学的各个分支，相结
13、合的方法推广到物理学的各个分支，形成了完整的经典力学体系。形成了完整的经典力学体系。1 1、牛顿力学的成就、牛顿力学的成就1919世纪末世纪末-20-20世纪初，深入到微观领域，发现电子、质子、中子世纪初，深入到微观领域，发现电子、质子、中子等微观粒子不仅具有等微观粒子不仅具有粒子性粒子性，同时还具有，同时还具有波动性波动性，很多情况下经，很多情况下经典力学说明不了。典力学说明不了。和所有的真理一样，牛顿力学也具有局限性。和所有的真理一样，牛顿力学也具有局限性。2.2.牛顿力学的局限性牛顿力学的局限性在微观世界中（尺度在在微观世界中（尺度在1010-10-10m m以下），由于物质的存在和运动
14、以下），由于物质的存在和运动形式形式（波粒二象性），较宏观世界，有较大的不同（波粒二象性），较宏观世界，有较大的不同, ,牛顿力学也不适用。牛顿力学也不适用。牛顿力学牛顿力学只适用于只适用于低速低速运动，不适用于高速运动；运动，不适用于高速运动；只适用于只适用于宏观宏观世界，不适用于微观世界；世界，不适用于微观世界；只适用于只适用于弱引力弱引力情况，不适用于强引力情况。情况，不适用于强引力情况。低速与高速低速与高速: :(1)(1)低速低速: :通常所见物体的运动通常所见物体的运动, ,如行驶的汽车、发射的如行驶的汽车、发射的导弹、人造地球卫星及宇宙飞船等物体皆为低速运动导弹、人造地球卫星及宇
15、宙飞船等物体皆为低速运动物体。物体。(2)(2)高速高速: :有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近速相接近, ,这样的速度称为高速。这样的速度称为高速。经典力学、相对论和量子理论的比较经典力学、相对论和量子理论的比较1.1.狭义相对论狭义相对论: :经典力学适用于低速运动的物体经典力学适用于低速运动的物体; ;狭义相对论阐狭义相对论阐述物体在以接近光速运动时所遵循的规律。述物体在以接近光速运动时所遵循的规律。2.2.量子力学量子力学: :经典力学适用于宏观世界经典力学适用于宏观世界; ;量子力学能够正确描述量子力学能够正确描述微观粒子的运动规律。
16、微观粒子的运动规律。3.3.广义相对论广义相对论: :经典力学在弱引力的情况下与实验结果符合得很经典力学在弱引力的情况下与实验结果符合得很好好; ;爱因斯坦的广义相对论能够解释强引力情况下的作用规律。爱因斯坦的广义相对论能够解释强引力情况下的作用规律。例例1 1、以牛顿运动定律为基础的经典力学的适用范围是以牛顿运动定律为基础的经典力学的适用范围是( () ) A A低速、宏观的运动问题低速、宏观的运动问题 B B高速、微观的运动问题高速、微观的运动问题 C C低速、微观的运动问题低速、微观的运动问题 D D高速、宏观的运动问题高速、宏观的运动问题典例分析典例分析A例例2 2、( (多选多选)
17、)物理学的发展丰富了人类对物质世界的认识，物理学的发展丰富了人类对物质世界的认识，推动了科学技术的创新和革命，促进了物质生产的繁荣与人推动了科学技术的创新和革命，促进了物质生产的繁荣与人类文明的进步下列表述正确的是类文明的进步下列表述正确的是( () )A A牛顿发现了万牛顿发现了万有引力定律有引力定律B B牛顿通过实验证实了万有引力定律牛顿通过实验证实了万有引力定律C C相对论相对论的创立表明经典力学已不再适用的创立表明经典力学已不再适用D D爱因斯坦建立了狭义相爱因斯坦建立了狭义相对论，把物理学推进到高速领域对论，把物理学推进到高速领域例例3 3、下列说法正确的是下列说法正确的是( ()
18、)A A在经典力学中，物体在经典力学中，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质量也不随运动状态而改变B B狭义相对论和经典力学是狭义相对论和经典力学是完全不同相互矛盾的两个理论完全不同相互矛盾的两个理论C C物体高速运动时，物体物体高速运动时，物体的运动服从狭义相对论，在低速运动时，物体的运动服的运动服从狭义相对论，在低速运动时，物体的运动服从牛顿运动定律从牛顿运动定律D D以上说法都是错误的以上说法都是错误的C例例4 4、以对于经典力学理论，下列说法正确的是以对于经典力学理论，下列说法正确的是( () )
19、A A由于相对论、量子理论的提出，经典力学已经过时了由于相对论、量子理论的提出，经典力学已经过时了B B经典力学在今天广泛应用，它的正确性无可怀疑，仍是经典力学在今天广泛应用，它的正确性无可怀疑，仍是普遍适用的普遍适用的C C经典力学在历史上起了巨大的作用，随着物理学的发展经典力学在历史上起了巨大的作用，随着物理学的发展而逐渐过时，成为一种古老的理论而逐渐过时，成为一种古老的理论D D经典力学在宏观低速运动中，引力不太大时适用经典力学在宏观低速运动中，引力不太大时适用D例例5 5、对于时空观的认识，下列说法正确的是对于时空观的认识，下列说法正确的是( () )A A相对论给出了物体在低速运动时
20、所遵循的规律相对论给出了物体在低速运动时所遵循的规律B B相对论具有普遍性，经典物理学为它在低速运动时的特例相对论具有普遍性，经典物理学为它在低速运动时的特例C C相对论的出现使经典物理学在自己的适用范围内不再继续相对论的出现使经典物理学在自己的适用范围内不再继续发挥作用发挥作用D D经典物理学建立在实验的基础上，它的结论又受到无数次经典物理学建立在实验的基础上，它的结论又受到无数次实验的检验，因此在任何情况下都适用实验的检验，因此在任何情况下都适用典例分析典例分析B例例6 6、( (多选多选) )在地面附近有一高速飞过的火箭，关于地面上的在地面附近有一高速飞过的火箭，关于地面上的人和火箭中的
21、人观察到的现象正确的是人和火箭中的人观察到的现象正确的是( ( ) )A A地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变快了地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变快了B B地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变慢了地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变慢了C C火箭上的人观察到火箭的长度和时间进程均无变化火箭上的人观察到火箭的长度和时间进程均无变化D D火箭上的人看地面上的物体长度变短，时间进程变慢了火箭上的人看地面上的物体长度变短，时间进程变慢了BCD例例7 7、关于经典力学和量子力学，下列说法中正确的是关于经典力学和量子力学，下列说法中正确的是( () )A A不
22、论是对宏观物体，还是微观粒子，经典力学和量子不论是对宏观物体，还是微观粒子，经典力学和量子力学都是适用的力学都是适用的B B量子力学适用于宏观物体的运动；经典力量子力学适用于宏观物体的运动；经典力学适用于微观粒子的运动学适用于微观粒子的运动C C经典力学适用于宏观物体的运动；经典力学适用于宏观物体的运动；量子力学适用于微观粒子的运动量子力学适用于微观粒子的运动D D上述说法都是错误的上述说法都是错误的C典例分析典例分析例例8 8、某宇航员要到离地球某宇航员要到离地球5 5光年的星球上去旅行，如果地球光年的星球上去旅行，如果地球指挥中心希望把这路程缩短为指挥中心希望把这路程缩短为3 3光年，则他
23、所乘飞船相对地光年，则他所乘飞船相对地球的速度为球的速度为（ ）A A0.5c0.5cB B0.6c0.6cC C0.8c 0.8c D D0.9c0.9cC例例9 9、( (多选多选) )假设一列假设一列100 m100 m长的火车以接近光速的速度穿过一根长的火车以接近光速的速度穿过一根100 m100 m长的隧道，它们的长度都是在静止状态下测量的，下列关于看到的现象长的隧道，它们的长度都是在静止状态下测量的，下列关于看到的现象判断正确的是判断正确的是( ( ) )A A相对隧道静止的观察者会看到，火车变短，在相对隧道静止的观察者会看到，火车变短，在某些位置上，隧道能完全遮住它某些位置上，隧
24、道能完全遮住它B B相对隧道静止的观察者会看到，隧相对隧道静止的观察者会看到，隧道变短，在某些位置上，火车从隧道的两端伸出来道变短，在某些位置上，火车从隧道的两端伸出来C C相对火车静止的相对火车静止的观察者会看到，火车变短，在某些位置上，隧道能完全遮住它观察者会看到，火车变短，在某些位置上，隧道能完全遮住它D D相对相对火车静止的观察者会看到，隧道变短，在某些位置上，火车从隧道的两火车静止的观察者会看到，隧道变短，在某些位置上，火车从隧道的两端伸出来端伸出来AD解析：相对于隧道静止的观察者看到火车在运动，所解析：相对于隧道静止的观察者看到火车在运动，所以火车比隧道短，在某些位置火车会完全处在
25、隧道内部，以火车比隧道短，在某些位置火车会完全处在隧道内部，然而相对火车静止的观察者会看到隧道在运动，所以隧道然而相对火车静止的观察者会看到隧道在运动，所以隧道比火车短，在某些位置火车两端都伸出隧道，比火车短，在某些位置火车两端都伸出隧道，A A、D D两项正两项正确，确，B B、C C两项错误两项错误答案：答案：ADAD例例1010、话说有兄弟两个，哥哥乘坐宇宙飞船以接近光的速度话说有兄弟两个，哥哥乘坐宇宙飞船以接近光的速度离开地球去遨游太空，经过一段时间返回地球，哥哥惊奇地离开地球去遨游太空，经过一段时间返回地球，哥哥惊奇地发现弟弟比自己要苍老许多，则该现象的科学解释是发现弟弟比自己要苍老
26、许多，则该现象的科学解释是( () )A A哥哥在太空中发生了基因突变，停止生长了哥哥在太空中发生了基因突变，停止生长了B B弟弟弟弟思念哥哥而加速生长了思念哥哥而加速生长了C C由相对论可知，物体速度越大，由相对论可知，物体速度越大，在其上的时间进程就越慢，生理过程也越慢在其上的时间进程就越慢，生理过程也越慢D D这是神话，这是神话，科学无法解释科学无法解释C解析：根据相对论的时间延缓效应，当飞船速度接解析：根据相对论的时间延缓效应，当飞船速度接近光速时，时间会变慢时间延缓效应对生命过程、近光速时，时间会变慢时间延缓效应对生命过程、化学反应等也是成立的飞船运行的速度越大，时间化学反应等也是成立的飞船运行的速度越大，时间延缓效应越明显，人体的新陈代谢越缓慢延缓效应越明显，人体的新陈代谢越缓慢答案：答案：C C
