相對論時空觀與牛頓力學的局限性高一下學期物理人教版（2019）必修2

相對論時空觀與牛頓力學的局限性課前導入經(jīng)典力學的基礎(chǔ)是牛頓運動定律，萬有引力定律更是樹立了人們對牛頓物理學的尊敬。通過前面的學習，我們知道從天體的運動到地面上的各種物體的運動，從大氣的流動到地殼的變動，所有這些都服從經(jīng)典力學規(guī)律。那么，是不是任何情境下都遵從經(jīng)典力學的規(guī)律呢？一、牛頓力學時空觀1、牛頓力學時空觀時間與空間都是獨立于物體及其運動而存在的。這種絕對時空觀，也叫牛頓力學時空觀。在牛頓力學時空觀里，時間像一條看不見的“長河”，均勻地自行流逝著，空間像一個廣闊無邊的房間，它們都不影響物體及其運動。所以不管選什么參考系，不管物體怎么運動，物體的時間、長度、質(zhì)量等等的測量結(jié)果肯定是一樣的。想一想

設(shè)想人類可以利用飛船以0.2c的速度進行星際航行。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否為1.2c？19世紀，英國物理學家麥克斯韋根據(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：這個速度是相對哪個參考系而言的?一些物理學家對這個問題進行了研究。在實驗研究中，1887年的邁克耳孫一莫雷實驗以及其他一些實驗表明：在不同的參考系中，光的傳播速度都是一樣的！這與牛頓力學中不同參考系之間的速度變換關(guān)系不符。相對論時空觀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)典物理學家的頭腦中，如果兩個事件在一個參考系中是同時的，在另一個參考系中一定也是同時的。但是，如果接受了愛因斯坦的兩個假設(shè)，還是這樣嗎?愛因斯坦假設(shè)：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，因為車廂是個慣性系，光向前、后傳播的速率相同，光源又在車廂的中央，閃光當然會同時到達前后兩壁(圖7.5-1甲)。對于車下的觀察者來說，他以地面為參考系，因閃光向前、后傳播的速率對地面也是相同的，在閃光飛向兩壁的過程中，車廂向前行進了一段距離，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：閃光先到達后壁，后到達前壁(圖7.5-1乙)。因此，這兩個事件不是同時發(fā)生的。

在愛因斯坦兩個假設(shè)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過嚴格的數(shù)學推導，可以得到下述結(jié)果。如果相對于地面以v運動的慣性參考系上的人觀察到與其一起運動的物體完成某個動作的時間間隔為Δτ，地面上的人觀察到該物體在同一地點完成這個動作的時間間隔為Δt，那么兩者之間的關(guān)系是時間膨脹高中物理

如果與桿相對靜止的人測得桿長是l0，沿著桿的方向，以v相對桿運動的人測得桿長是l，那么兩者之間的關(guān)系是長度收縮

要驗證（1）（2）兩式是否正確，首先要找到高速運動的物體?？茖W家發(fā)現(xiàn)μ子以0.99c甚至更高的速度飛行。根據(jù)經(jīng)典理論可計算每秒到達地球的μ子數(shù)，這個數(shù)值小于實際觀察到的μ子數(shù)。觀察到的現(xiàn)象與經(jīng)典理論產(chǎn)生了矛盾。

相對于光速而言，低速運動即可近似認為速度為0，即若選擇與μ子一起運動的某一物體為參考系，此時μ子的平均壽命是3.0μs。對于地面上的觀測者來說，由（1）式計算可知μ子平均壽命約為21μs。由于平均壽命增大，飛行的距離也變大，因而在地面附近實際觀測到的μ子的數(shù)量就大于經(jīng)典理論作出的預(yù)言。相對論時空觀的第一次宏觀驗證是在1971年進行的。當時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上做環(huán)球飛行，一架向東飛，另一架向西飛。兩架飛機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行比較。實驗結(jié)果與相對論的理論預(yù)言符合得很好。經(jīng)典力學的巨大成就(1)把天體運動與地面上物體的運動統(tǒng)一起來．(2)經(jīng)典力學和以經(jīng)典力學為基礎(chǔ)發(fā)展起來的天體力學、材料力學和結(jié)構(gòu)力學等．(3)力學和熱力學的發(fā)展及其與生產(chǎn)的結(jié)合引發(fā)了第一次工業(yè)革命．(4)由牛頓運動定律導出的動量守恒定律、機械能守恒定律等是航空航天技術(shù)的理論基礎(chǔ)．經(jīng)典力學的局限性1．經(jīng)典力學是從日常機械運動中總結(jié)出來的，超出這個范圍，經(jīng)典力學常常就不適用了．2．絕對時空觀：牛頓認為，時間、空間與物質(zhì)及其運動完全無關(guān)，時間與空間也完全無關(guān)．正確理解絕對時空觀①時間和空間是分離的，時間尺度和空間尺度與物質(zhì)運動無關(guān)，都是絕對的．②經(jīng)典力學的時空觀認為，時間就其本質(zhì)而言是永遠均勻地流逝，與任何其他外界事物無關(guān)，空間就其本質(zhì)而言與外界任何事物無關(guān)，它從不運動，并且永遠不變．由絕對時空觀得到的結(jié)論①同時的絕對性在一個慣性系中的觀察者在某一時刻觀測到兩個事件，對另一個做勻速直線運動的慣性系中的觀察者來說是同時發(fā)生的，即同時性與觀察者的運動狀態(tài)無關(guān)．②時間間隔的絕對性任何事件(或物體的運動)所經(jīng)歷的時間，在不同的參考系中測量都是相同的，而與參考系(或觀察者)的運動無關(guān)．③空間距離的絕對性如果各個慣性系中用來測量長度的標準相同，那么空間兩點的距離也就有絕對不變的量值，而與慣性系的選擇(或觀察者的運動狀態(tài))無關(guān)．經(jīng)典力學的絕對時空觀，割裂了時間、空間、物質(zhì)及其運動之間的聯(lián)系，不能解釋高速運動領(lǐng)域的許多客觀現(xiàn)象．經(jīng)典力學的運動觀，從自然觀角度來說，給出的是一幅機械運動的圖景，不能解釋微觀世界豐富多彩的現(xiàn)象．經(jīng)典力學有它的適用范圍：只適用于低速運動，不適用于高速運動；只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界；只適用于弱引力情況，不適用于強引力情況．經(jīng)典力學有它的適用范圍：只適用于低速運動，不適用于高速運動；只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界；只適用于弱引力情況，不適用于強引力情況．對于高速運動(速度接近真空中的光速)，需要應(yīng)用愛因斯坦的相對論．當物體的運動速度遠小于真空中的光速時，相對論物理學與經(jīng)典物理學的結(jié)論沒有區(qū)別．對于微觀世界，需要應(yīng)用量子力學．當普朗克常量可以忽略不計時，量子力學和經(jīng)典力學的結(jié)論沒有區(qū)別．對于強引力情況，需要應(yīng)用愛因斯坦引力理論．當天體的實際半徑遠大于它們的引力半徑時，愛因斯坦引力理論和牛頓萬有引力定律計算出的力的差異并不很大．課堂訓練1．對于下列說法正確的是（）A.經(jīng)典力學的質(zhì)量是不變的B.經(jīng)典力學的時間和空間是獨立于物體運動的C.愛因斯坦的狹義相對論研究的是物體在低速運動時所遵循的規(guī)律D.愛因斯坦的狹義相對論研究的是物體在高速運動時所遵循的規(guī)律ABD2．下列說法正確的是（）A．在經(jīng)典力學中，物體的質(zhì)量不隨運動狀態(tài)而改變，在狹義相對論中，物體的質(zhì)量也不隨