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第七章 萬有引力與宇宙航行
第 5 節
一、經典力學的發展過程
17 世紀牛頓力學構成了體系。可以說，這是物理學第一次偉大的綜合。牛頓建立了兩個定律，一個是運動定律，一個是萬有引力定律，并發展了微積分，具有解決實際問題的能力。他開拓了天體力學這一科學，海王星和冥王星的發現就充分顯示了這一點 。
牛頓說：如果說我看得遠，那是因為我站在巨人們的肩上。
經典力學金字塔
牛頓
伽利略、第谷
哥白尼、亞里士多德
笛卡爾、胡克、哈雷等
開普勒
一、經典力學的發展過程
物理學發展到19世紀末期，經典物理大廈已經建成。
一、經典力學的發展過程
所剩只是一些修飾工作
被兩朵烏云籠罩
開爾文
邁克爾遜-莫雷實驗 黑體輻射
絕對時空觀
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，也叫牛頓經典時空觀。
時間、長度和質量這三者與參考系的運動無關
如：在一個無限大的光滑水平面上，有一質量為m的物體，在一個水平恒力F的作用下，從靜止開始運動
由動力學及運動學公式可知：F=ma v=at
推理：隨時間的推移，物體的速度不斷增大，最終可使物體獲得任意速度。
V水岸=5m/s
v船水=15m/s
船相對河岸的速度是多少？
v船岸=v船水+v水岸
V人=0.2c
答案：等于光速！
答案似乎應為1.2c。然而，事實并非如此。
閱讀教材65頁
在飛船上，沿飛船前進方向，射出一束光，在地面上的人看來，這束光傳播的速度是多少呢？
勻速運動
（c為真空中的光速）
邁克爾遜莫雷實驗
1887年，美國科學家邁克爾遜和莫雷通過實驗證明了，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，不同的參考系之間的速度變換關系（伽利略變換）不符！
阿爾伯特·邁克爾遜（1852—1931）
二、相對論時空觀
1、兩條基本假設
（1） 相對性原理：在不同的慣性參考系中，一切物理規律都是相同的。
（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。
2、狹義相對論結論
（1）同時是相對的
（2）時間延緩效應
（3）長度收縮效應
阿爾伯特·愛因斯坦（1879—1955）
同時的相對性
（閱讀教材66頁）
時間延緩效應
相對地面以 v 運動的某慣性參考系上的人，觀察與其一起運動的物體完成某個動作的時間間隔為Δτ，地面上的人觀察該物體在同一地點完成這個動作的時間間隔為Δt，兩者之間的關系為：
車上的人
長度收縮效應
如果有一根桿，與桿相對靜止的人測得桿長是l0，沿著桿的方向，以速度v相對桿運動的人測得桿長是l，那么l0與l兩者之間的關系是：
鐘慢效應(相對時間)
尺縮效應(相對空間)
運動物體的長度（空間距離）和物理過程的快慢（時間進程）都跟物體運動狀態有關。它反映的時空觀稱作相對論時空觀。
絕對時空觀：時間和空間獨立與物體及其運動而存在的。
牛頓力學時空觀
愛因斯坦
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）都跟物體運動狀態有關，這反映的時空觀稱作相對論時空觀。
光速
同時
時間與空間
質量
經典時空觀
狹義相對論時空觀
相對的
絕對的（不變）
絕對的
與運動無關
與運動無關
相對的
與運動有關
隨速度增大而增大
相對論的時空觀念與人們固有的時空觀念差別很大，很難被普通人所理解。人們都稱贊愛因斯坦偉大，但又常常弄不懂這偉大的內容。這使人們想起英國詩人波譜的詩句:
自然和自然的法則在黑暗中隱藏；上帝說，讓牛頓去吧！于是一切都被照亮。魔鬼說，讓愛因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。
世人的疑惑
相對論時空觀的第一次宏觀驗證
教材P67
相對論時空觀的第一次驗證
將銫原子鐘放在飛機上，沿赤道向東和向西繞地球一周，回到原處后，分別比靜止在地面上的鐘慢59納秒和快273納秒。實驗結果與理論預言符合的很好。這是相對論的第一次宏觀驗證。
1971年銫原子鐘實驗
三、經典力學的成就與局限性
實現了人類對自然界認識的第一次理論大綜合。
（教材68頁）
三、經典力學的成就與局限性
在微觀世界中（尺度在10-10m以下），由于物質的存在和運動形式（ 波粒二象性），較宏觀世界，有較大的不同,牛頓力學也不適用。
牛頓力學只適用于低速運動，不適用于高速運動；
只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界；
(1)低速:通常所見物體的運動,如行駛的汽車、發射的導彈、人造地球衛星及宇宙飛船等物體皆為低速運動物體。
(2)高速:有些微觀粒子在一定條件下其速度可以與光速相接近,這樣的速度稱為高速。
1922年生于安徽合肥，物理學家，香港中文大學博文講座教授兼理論物理研究所所長，清華大學高等研究院名譽院長、教授，紐約州立大學石溪分校榮休教授，中國科學院院士、美國國家科學院外籍院士、英國皇家學會外籍院士、臺灣“中央研究院”院士、香港科學院榮譽院士、俄羅斯科學院院士，1957年獲諾貝爾物理學獎。
同月，紐約州立大學石溪分校將理論物理研究所命名為“楊振寧理論物理研究所”
三、經典力學的成就與局限性
經典力學、相對論和量子理論的比較：
1.狹義相對論:闡述物體在以接近光速運動時所遵循的規律。
廣義相對論:經典力學在弱引力的情況下與實驗結果符合得很好;
廣義相對論能夠解釋強引力情況下的作用規律。
互為補充，互不矛盾，互不否定共同支撐起物理學科的骨架。
2.量子力學:能夠正確描述微觀粒子的運動規律。
思維導圖
小結
A
B
牛頓力學
相對論
時間延緩效應
長度收縮效應
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，不適用于強引力。
牛頓力學在宏觀、低速、弱引力的廣闊領域取得了巨大的成功
【問題】有一種粒子叫μ子，當它低速運動時，它的平均壽命是3.0μs，當μ子以0.99c的速度飛行時，若選μ子為參考系，μ子的平均壽命是多少？若以地面為參考系，μ子的平均壽命是多少？
【解】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

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