7.5相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性課件高中物理

1、7.5 相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性 設(shè)想人類可以利用飛船以 0.2c 的速度 進(jìn)行星際航行。若飛船向正前方的某一星 球發(fā)射一束激光，該星球上的觀察者測量 到的激光的速度是多少？ 生活經(jīng)驗(yàn)讓我們體會(huì)到，時(shí)間像一條看不見的“長 河”，均勻地自行流逝著，空間像一個(gè)廣闊無邊的房間，它 們都不影響物體及其運(yùn)動(dòng)。也就是說，時(shí)間與空間都是獨(dú) 立于物體及其運(yùn)動(dòng)而存在的。這種絕對(duì)時(shí)空觀，也叫牛頓 力學(xué)時(shí)空觀。 我們知道，若河中的水以相對(duì)于岸的速度 v 水岸流動(dòng)， 河中的船以相對(duì)于水的速度 v 船水順流而下，則船相對(duì)于岸 的速度為 v 船岸 v 船水 v 水岸 因此，前面問題的答案似乎應(yīng)為 1.2c。然而，事

2、實(shí)并 非如此！一、相對(duì)論時(shí)空觀 19世紀(jì)，英國物理學(xué)家麥克斯韋根據(jù)電磁場理論預(yù)言了電磁波的存在，并證明電磁波的傳播速度等于光速 c。人們自然要問：這個(gè)速度是相對(duì)哪個(gè)參考系而言的？一些物理學(xué)家對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行了研究。在實(shí)驗(yàn)研究中,1887 年的邁克耳孫莫雷實(shí)驗(yàn)以及其他一些實(shí)驗(yàn)表明： 在不同的參考系中，光的傳播速度都是一樣的！這與牛頓 力學(xué)中不同參考系之間的速度變換關(guān)系不符。 在牛頓力學(xué)理論與電磁波理論的矛盾與沖突面前，一 些物理學(xué)家仍堅(jiān)持原有理論的基礎(chǔ)觀念，進(jìn)行一些修補(bǔ)的 工作，而愛因斯坦、龐加萊等人則主張徹底放棄某些與實(shí)驗(yàn)和觀測不符的觀念，如絕對(duì)時(shí)間的概念，提出能夠更好 地解釋實(shí)驗(yàn)事實(shí)的假設(shè)。愛

3、因斯坦假設(shè) ：(1)在不同的慣性參考系中，物理規(guī)律的形式都是相同的；(2)真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的。 在經(jīng)典物理學(xué)家的頭腦中，如果兩個(gè)事件在一個(gè)參考 系中是同時(shí)的，在另一個(gè)參考系中一定也是同時(shí)的。但是， 如果接受了愛因斯坦的兩個(gè)假設(shè)，還是這樣嗎？ 假設(shè)一列火車沿平直軌道飛快地勻速行駛。車廂中央 的光源發(fā)出了一個(gè)閃光，閃光照到了車廂的前壁和后壁。 車上的觀察者以車廂為參考系，因?yàn)檐噹莻€(gè)慣性系，光 向前、后傳播的速率相同，光源又在車廂的中央，閃光當(dāng) 然會(huì)同時(shí)到達(dá)前后兩壁（圖 7.5-1 甲）。 對(duì)于車下的觀察者來說，他以地面為參考系，因閃光 向前、后傳播的速率對(duì)地面也是相同

4、的，在閃光飛向兩壁 的過程中，車廂向前行進(jìn)了一段距離，所以向前的光傳播 的路程長些。他觀測到的結(jié)果應(yīng)該是 ：閃光先到達(dá)后壁， 后到達(dá)前壁（圖 7.5-1 乙）。因此，這兩個(gè)事件不是同時(shí)發(fā) 生的。 在愛因斯坦兩個(gè)假設(shè)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo),可以得到下述結(jié)果。如果相對(duì)于地面以 v 運(yùn)動(dòng)的慣性參考系上的人觀察到 與其一起運(yùn)動(dòng)的物體完成某個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔為，地面 上的人觀察到該物體在同一地點(diǎn)完成這個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔 為t，那么兩者之間的關(guān)系是 :1、時(shí)間延緩效應(yīng)2、長度收縮效應(yīng) 如果與桿相對(duì)靜止的人測得桿長是 L0 ，沿著桿的方向，以 v 相對(duì)桿運(yùn)動(dòng)的人測得桿長是 L，那么兩者之間的關(guān)系是：（1）

5、式和（2）式表明 ：運(yùn)動(dòng)物體的長度（空間距離） 和物理過程的快慢（時(shí)間進(jìn)程）都跟物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。 這個(gè)結(jié)論具有革命性的意義，它所反映的時(shí)空觀稱作相對(duì)論時(shí)空觀。 要驗(yàn)證（1）（2）兩式是否正確，首先要找到高速運(yùn)動(dòng)的物體?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn) 子以 0.99 c 甚至更高的速度飛行。根據(jù)經(jīng)典理論可計(jì)算每秒到達(dá)地球的 子數(shù)，這個(gè)數(shù)值小于實(shí)際觀察到的子數(shù)。觀察到的現(xiàn)象與經(jīng)典理論產(chǎn)生了矛盾。 相對(duì)于光速而言，低速運(yùn)動(dòng)即可近似認(rèn)為速度為 0，即 若選擇與 子一起運(yùn)動(dòng)的某一物體為參考系，此時(shí) 子的 平均壽命是 3.0 s。對(duì)于地面上的觀測者來說，由（1）式 計(jì)算可知 子平均壽命約為 21 s。由于平均壽命增大，飛

6、 行的距離也變大，因而在地面附近實(shí)際觀測到的 子的數(shù) 量就大于經(jīng)典理論作出的預(yù)言。 相對(duì)論時(shí)空觀的第一次宏觀驗(yàn)證是在 1971 年進(jìn)行的。 當(dāng)時(shí)在地面上將四只銫原子鐘調(diào)整同步，然后把它們分別 放在兩架噴氣式飛機(jī)上做環(huán)球飛行，一架向東飛，另一架 向西飛。兩架飛機(jī)各繞地球飛行一周后回到地面，與留在 地面上的銫原子鐘進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與相對(duì)論的理論預(yù) 言符合得很好。（在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，原子鐘計(jì)時(shí)的差異實(shí)際是狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論兩種效應(yīng)的結(jié)果。）二、牛頓力學(xué)的成就與局限性 牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動(dòng)定律，萬有引力定律的建 立與應(yīng)用更是確立了人們對(duì)牛頓力學(xué)的尊敬。從地面上物體的運(yùn)動(dòng)到天體的運(yùn)動(dòng)，從攔河筑壩、

7、修建橋梁到設(shè)計(jì)各種機(jī)械，從自行車到汽車、火車、飛機(jī)等現(xiàn)代交通工具的運(yùn)動(dòng)，從投出籃球到發(fā)射導(dǎo)彈、人造地球衛(wèi)星、宇宙飛船所有這些都服從牛頓力學(xué)的規(guī)律。牛頓力學(xué)在如此廣闊的領(lǐng)域里與實(shí)際相符合，顯示了牛頓運(yùn)動(dòng)定律的正確性和牛頓力學(xué)的魅力。 但是，通過前面的學(xué)習(xí)，我們已經(jīng)知道物體在以接近 光速運(yùn)動(dòng)時(shí)所遵從的規(guī)律，有些是與牛頓力學(xué)的結(jié)論并不相同的。除了高速運(yùn)動(dòng)，牛頓力學(xué)在其他方面是否也有局限性？ 19 世紀(jì)末和 20 世紀(jì)初，物理學(xué)研究深入到微觀世界，發(fā) 現(xiàn)了電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子，而且發(fā)現(xiàn)它們不僅具 有粒子性，同時(shí)還具有波動(dòng)性，它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律在很多情 況下不能用牛頓力學(xué)來說明。20 世紀(jì) 20 年代

8、，量子力學(xué)建立了，它能夠很好地描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，并在現(xiàn) 代科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮了重要作用。 然而，基于實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的牛頓力學(xué)不會(huì)被新的科學(xué)成 就所否定，而是作為某些條件下的特殊情形，被包括在新的科學(xué)成就之中。當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速 c 時(shí) （c 3108 m/s），相對(duì)論物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論沒有 區(qū)別；當(dāng)另一個(gè)重要常數(shù)即普朗克常量 h 可以忽略不計(jì)時(shí) （h 6.6310-34 Js），量子力學(xué)和牛頓力學(xué)的結(jié)論沒有 區(qū)別。相對(duì)論與量子力學(xué)都沒有否定過去的科學(xué)，而只認(rèn)為過去的科學(xué)是自己在一定條件下的特殊情形。（1）電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子不僅具有粒子性，同時(shí)還具有波動(dòng)性，它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律在很多情況下不能用經(jīng)典力學(xué)來說明，而量子力學(xué)能夠正確地描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律（2）經(jīng)典力學(xué)的適用范圍：只適用于低速運(yùn)動(dòng)，不適用于高速運(yùn)動(dòng)；只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界 牛頓力學(xué)的成就與局限（3）了解低速與高速低速：通常所見物