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第七章 萬有引力與宇宙航行
第5節(jié) 相對論時空觀與牛頓力學的局限性
設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多少？
思考與討論
如果河水中的河水以相對河岸的速度v水岸流動，河中的船以相對于水的速度v船水順流而下，則船相對于岸邊的速度為多少？
因此，前面問題的答案似乎應為1.2c。然而，事實并非如此。
真空中的光速是宇宙中最快的速度。這里怎么出現(xiàn)了1.2倍的光速呢？顯然，在哪里出現(xiàn)了問題！
V水=5m/s
V船=5m/s
v船岸=v船水+v水岸
1.知道牛頓力學只適用低速、宏觀物體的運動。知道相對論、量子論有助于人類認識高速、微觀領域。
2.知道愛因斯坦狹義相對論的基本假設，知道長度相對性和時間間隔相對性的表達式。
3. 知道科學真理是相對的，未知世界必將在人類不懈的探索中被揭開更多的謎底。
麥克斯韋
英國物理學家麥克斯韋根據(jù)電磁場理論預言了電磁波的存在，并證明電磁波的傳播速度等于光速。
一、相對論時空觀
邁克耳孫
1887年邁克耳孫——莫雷實驗表明：在不同的參考系中，光的傳播速度都是一樣的。
按照絕對時空觀,光的傳播速度與參考系的選取有關,而實驗測得光的傳播速度與參考系的選取無關,二者有矛盾。
(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。
愛因斯坦的假設
如圖，如果兩個事件在一個參考系中是同時的，在另一個參考系中也是同時的嗎？
火車上的觀察者觀測到：閃光會同時到達前后兩壁。
地面上的觀察者觀測到：閃光會先到到后壁，后到達前壁。
狹義相對論認為：同時是相對的。
什么是時間延緩效應？
時間延緩效應： ， t0 為相對地面以速度v運動的慣性參考系上的人測定的時間， t為地面上的人測定的時間.
由于 ，總有t > t0 ，此種情況稱為時間延緩效應
什么是長度收縮效應？
，l是沿著桿以v運動的人測得的桿長，l0是與桿相對靜止的人測得的桿長，l由于 ，總有l(wèi)2.牛頓力學與電磁理論的矛盾
在不同的參考系中，光在真空中的傳播速度都是一樣的。
1.絕對時空觀（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。
一、相對論時空觀
5.相對論時空觀：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(tài)有關。
4.三個結論：同時是相對的、時間延緩效應、長度收縮效應
3.愛因斯坦的兩個假設
在不同的慣性參考系中，物理規(guī)律的形式都是相同的。
真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的。
相對論時空觀的實驗驗證：
（1）高速運動的 μ 子壽命延長
（2）1971年使用同步原子鐘已證實了這個結論的正確性，將一個鐘表留在地面上，而攜帶另一個以很快速度移動（如在噴氣式飛機上），隨后進行比較，運動的鐘表總比留在地面上的鐘表稍微慢一點。
1.牛頓力學的有何成就？
二、牛頓力學的成就與局限性
（1）牛頓三定律和萬有引力定律把天體的運動與地上物體的運動統(tǒng)一起來，是人類認識史上的第一次重大飛躍；
（2）經(jīng)典力學和以經(jīng)典力學為基礎發(fā)展起來的天體力學、材料力學和結構力學等得到了廣泛應用，并取得了巨大成就。
（3）由牛頓力學導出的動量守恒定律、機械能守恒定律等，是航空航天技術的理論基礎。火箭、人造衛(wèi)星、航天飛機、宇宙飛船、行星探測器等航天器的發(fā)射，都是牛頓力學規(guī)律的應用范例。牛頓力學在如此廣闊的領域與實際相符合，顯示了牛頓運動定律的正確性和牛頓力學的魅力。
2.牛頓力學有何局限性？
物體在以接近光速運動時所遵從的規(guī)律，有些與牛頓力學的結論不同。
在微觀世界，電子、質子、中子等微觀粒子，他們的運動規(guī)律在很多情況下不能用牛頓力學來說明。
3.相對論和量子力學的出現(xiàn)，是否表示經(jīng)典力學失去了意義
相對論和量子力學的出現(xiàn)，說明人類對自然界的認識更加廣泛和深入，而不表示經(jīng)典力學失去了意義。它只是使人們認識到經(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。
牛頓力學的局限性
1、關于牛頓力學和狹義相對論，下列說法正確的是（　　）
A．牛頓力學適用于宏觀世界弱引力場中的低速運動
B．牛頓力學適用于分析高速運動的μ子的壽命
C．在狹義相對論中，真空中光速是可變的
D．在狹義相對論中，物體的能量與質量無關
2、設某人在以速度為0.5c的飛船上，打開一個光源，則下列說法正確的是(　　)
A.飛船正前方地面上的觀察者看到這一光速為1.5c
B.飛船正后方地面上的觀察者看到這一光速為0.5c
C.在垂直飛船前進方向地面上的觀察者看到這一光速是2c
D.在地面上任何地方的觀察者看到的光速都是c
3、某星際飛船正在遙遠的外太空飛行，假如它的速度可以達到0.7c，在地球上觀測到其經(jīng)過8.76×104 h的時間到達某星球，則在飛船上的人看來，其到達此星球需要的時間是（　　）
A．8.76×104 h B．6.26×104 h
C．12.27×104 h D．16.52×104 h
4、在狹義相對論中，下列說法中正確的是（　　）
A．經(jīng)典物理學可視為相對論在低速運動時的特例
B．真空中光速在不同的慣性參考系中是不相同的
C．在高速運動情況下，慣性參考系中的物理規(guī)律不一定相同
D．狹義相對論全面否定了經(jīng)典物理學
5、如圖所示，a、b、c為三個完全相同的時鐘，a放在水平地面上，b、c分別放在以速度vb、vc向同一方向飛行的兩枚火箭上，且vbA．a(chǎn) B．b C．c D．無法確定
(1)同時是相對的
(3)動尺變短
(4)運動的物體質量變大
(1)不同慣性參考系,物理規(guī)律相同
1、兩條基本假設
(2)任何慣性系,光速不變
2、狹義相對論結論
(2)動鐘變慢
時間、長度和質量這三者都與參考系的運動有關。

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