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相對論時空觀與牛頓力學的局限性
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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。
思考
若河中的水以相對于岸的速度 V水岸 流動，河中的船以相對于水的速度 V船水 順流而下，則船相對于岸的速度V船岸如何表示？
V船岸=V船水+V水岸
伽利略變換，是牛頓經典力學研究相對運動問題的基本法則。
思考
設飛船以 0.2c 的速度航行。向正前方某一星球發射一束激光，該星球上的觀察者測量到的激光的速度是多少？
根據v光星=v光船+v船星
星球上測量的激光的速度應為1.2c。
真的是這樣嗎？
經典物理學上的烏云
詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（1831—1879）
十九世紀，英國科學家麥克斯韋，提出了電磁場理論，預言了電磁波的存在，并從理論上證明了，電磁波傳播的速度等于光速，而且似乎這個速度無需參考系，是個常數。
經典物理學上的烏云
阿爾伯特·邁克爾遜（1852—1931）
1887年的邁克爾遜-莫雷實驗。這個實驗中，他們二人想測量由于地球公轉引起的公轉切線方向和垂直黃道面方向的光速差異，最后竟然發現兩個方向上的光速沒有區別，這就證明了在不同的參考系中，光的傳播速度都是一樣的！
垂直黃道面方向光速
地軸
地球公轉方向
公轉切線方向光速
經典物理學上的烏云
開爾文：“物理學大廈上空的烏云”。
光速不變的結果和牛頓力學中不同參考系之間的速度變換（伽利略變換）關系不符。
是堅持牛頓力學還是尊重事實？
開爾文
（1824—1907）
以愛因斯坦和龐加萊為代表的另一批物理學家，堅決主張，徹底放棄某些與實驗事實不相符的觀念，如絕對時間的觀念。
愛因斯坦在實驗事實的基礎上，大膽提出兩個假設。
阿爾伯特·愛因斯坦（德） （1879—1955）
儒勒·龐加萊（法）
（1854-1912）
（1）相對性原理：在不同的慣性參考系中，物理規律的形式都是相同的。
兩個假設為基礎可以推到令人驚嘆
的結論。
（2）光速不變原理：真空中的光速在不同的慣性參考系中，大小都是相同的。
相對論時空觀
結論：
區別于牛頓力學時空觀，運動的物體，不同參考系中，“同時”是相對的。
“同時”的相對性
相對論的效應：時間延緩效應
假設：火車速度是V，該過程地面參考系用時是t0，以火車是t 。
小于1，所以t0總是大于t。同一過程，地面上的人用更時長。
這種現象叫時間延緩效應。
時間延緩效應
如果以地面為參考系的人測量桿長為 ，火車上相對桿靜止的人測得桿為
長度收縮效應
由于 小于1，所以沿著火車前進的方向總有 小于 。此種情況稱之為長度收縮效應。
由數學推導可得：
相對論時空觀
上面兩個公式表明，運動物體的長度（空間距離）和物理過程的快慢（時間進程）都跟物體的運動狀態有關，這個結論具有革命性意義，被稱為相對論時空觀。
相對論效應如何驗證呢？
宇宙射線與大氣中的分子發生碰撞，可以在離海平面大約8公里高處產生接近光速的高能μ子，由于μ子是一種不穩定的粒子，實驗室測得其靜止時平均壽命只有3微秒。
如何解釋？
依據牛頓力學時空觀：
μ子前行距離
結論：幾乎沒有μ子可以到達地面。
事實：在地面上可以觀測到大量的μ子。
相對論的驗證
相對論的驗證
μ子靜止時平均壽命是3.0μs，假設高空中μ子以0.99c的速度飛行
若選μ子為參考系，μ子的平均壽命為t1=3.0μs；
若以地面為參考系，μ子的平均壽命為t2
由時間延長效應可得：
地面觀察者看到μ子的前進距離
牛頓力學的成就
牛頓力學有很多解釋不了的現象
牛頓力學是否還有價值？
牛頓力學的適用條件是什么？
牛頓力學的局限性
當物體運動速度v遠小于c時， 趨近于1。此時 ， 與牛頓經典力學的時空觀一致。
原來牛頓的經典力學是相對論在遠小于光速情況下的特例。
牛頓力學的局限性
牛頓力學取得了輝煌成就，但是真理是相對的，沒有理論可以窮盡一切真理。相對論和量子力學中，牛頓力學成了低速和宏觀狀態的特例。
適用于速度遠小于光速c，接近光速時用相對論。
適用于h可以忽略不計時，微觀尺度用量子力學。
牛頓力學的局限性
相對論是不是就是最終的理論呢？
牛頓經典力學只適用于低速，宏觀問題。
2.牛頓力學的成就和局限性
沒有絕對的時間與空間，時間和空間都是相對的。
時間的延緩效應
長度的收縮效應
1.相對論時空觀
課堂小結
3.科學“真理”是相對的，只有堅持科學探索才能接近真理。

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