物理 1相对论时空观与牛顿力学的局限性-课件

由绝对时空观得到的结论
①同时的绝对性
在一个惯性系中的观察者在某一时刻观测到两个事件，对另一个做匀速直线运动的惯性系中的观察者来 说是同时发生的，即同时性与观察者的运动状态无关．
②时间间隔的绝对性
任何事件(或物体的运动)所经历的时间，在不同的参考系中测量都是相同的，而与参考系(或观察者)的运 动无关．
假设一列火车沿平直轨道飞快地匀速行 驶。车厢中央的光源发出了一个闪光， 闪光照到了车厢的前壁和后壁。 车上的观察者以车厢为参考系，因为车 厢是个惯性系，光向前、后传播的速率 相同，光源又在车厢的中央，闪光当然 会同时到达前后两壁
对于车下的观察者来说，他以地面为参 考系，因闪光向前、后传播的速率对地 面也是相同的，在闪光飞向两壁的过程 中，车厢向前行进了一段距离，所以向 前的光传播的路程长些。他观测到的结 果应该是：闪光先到达后壁，后到达前 壁(图7.5-1乙)。 因此，这两个事件不是同时发生的
以爱因斯坦和庞加莱为代表的另一批物 理学家，坚决主张，彻底放弃某些与实 验事实不相符的观念，如绝对时间的观 念，在实验事实的基础上，大胆提出， 能够更好地解释实验现象的假设。
爱因斯坦假设： ①在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是 相同的。 ②真空中的光速在不同的惯性参考系中，大小都 是相同的。
如果有一根杆，与杆相对静止的人测得杆长是l0，沿着杆的方向，以速 度v相对杆运动的人测得杆长是l，那么l0与l两者之间的关系是：
l l0
1 (v )2 c
1 ( v )2 1 c
l < l0
由此可见，空间距离也不再是绝对的，而是相对的，这种情况被称为 长度的收缩效应。
t
1 (v )2 c
如果相对地面以v运动的某惯性参考系上的人，观察与其一起运动的物
体完成某个动作的时间间隔为 ，地面上的人观察该物体在同一地点
完成这个动作的时间间隔为Δt，两者之间的关系为：
t
1 (v )2 c
1 ( v )2 1 c
t
由此可见，时间不再是绝对的，而是相对的，这种情况被称为：时间 的延缓效应。
经典力学有它的适用范围： 只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界， 不适用于微观世界；只适用于弱引力情况，不适用于强引力情 况．
经典力学有它的适用范围： 只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界， 不适用于微观世界；只适用于弱引力情况，不适用于强引力情 况．
对于高速运动(速度接近真空中的光速)，需要应用爱因斯坦的相对 论．当物体的运动速度远小于真空中的光速时，相对论物理学与经典物 理学的结论没有区别． 对于微观世界，需要应用量子力学．当普朗克常量可以忽略不计时，量 子力学和经典力学的结论没有区别． 对于强引力情况，需要应用爱因斯坦引力理论．当天体的实际半径远大 于它们的引力半径时，爱因斯坦引力理论和牛顿万有引力定律计算出的 力的差异并不很大．
的速度是否应为 v =v0+c = 1.2c 呢？
1.2倍的光速与我们中学里学到的，真空中的光速是宇宙中最 快的速度两者不相符。
1887年，美国科学家迈克尔逊和莫雷通过实验证明了，在不同的 参考系中，光的传播速度都是一样的！ 这与牛顿力学中，不同的参考系之间的速度变换关系（伽利略变换） 不符！ 在实验事实的面前，许多物理学家，仍然立足在牛顿力学时空观的 基础上，想通过一些理论上的修补工作，解释实验现象。
对河岸的速度v水流动，河中的船以 相对于水的速度v船顺流而下，则船 相对于岸边的速度为
v合=v船+v水
v = v0+v1 这类表达式，又被称 为伽利略变换，是牛顿力学，研 究相对运动问题的基本原理之一。
如果有一艘飞船，相对地面以速度v0= 0.2c（c为真空中的光速）匀速运动， 从飞船上，沿飞船前进方向，射出一束光，在地面上的人看来，这束光传播
经典力学的局限性
1．经典力学是从日常机械运动中总结出来的，超出这个范围，经典力 学常常就不适用了． 2．绝对时空观：牛顿认为，时间、空间与物质及其运动完全无关，时 间与空间也完全无关．
正确理解绝对时空观
①时间和空间是分离的，时间尺度和空间尺度与物质运动无关，都是绝 对的． ②经典力学的时空观认为，时间就其本质而言是永远均匀地流逝，与任 何其他外界事物无关，空间就其本质而言与外界任何事物无关，它从不 运动，并且永远不变．
下列说法中正确的是( B ) A．牛顿运动定律就是经典力学 B．经典力学的基础是牛顿运动定律 C．牛顿运动定律可以解决自然界中所有的问题 D．经典力学可以解决自然界中所有的问题
原来牛顿力学时空观是相对论时空观在低速运动情况下的特例。
经典力学的巨大成就
(1)把天体运动与地面上物体的运动统一起来． (2)经典力学和以经典力学为基础发展起来的天体力学、材料力学和结构 力学等． (3)力学和热力学的发展及其与生产的结合引发了第一次工业革命． (4)由牛顿运动定律导出的动量守恒定律、机械能守恒定律等是航空航天 技术的理论基础．
相对论时空观与牛顿力学 的局限性
三种宇宙速度 同步卫星
第一宇宙速度 第二Βιβλιοθήκη Baidu宙速度 第三宇宙速度
近地卫星
生活经验让我们体会到， 时间好像一条看不见的 长河，均匀地自行流逝 着，空间好像一个广阔 无边的大房间，它们彼 此独立，都不影响物体 及其运动。这种绝对时 空观，也叫牛顿力学时 空观。
我们知道，如果河水中的河水以相
l l0
1 (v )2 c
由上面两个式子可以知道，运动物体的长度（空间距离）和物理 过程的快慢（时间进程）都跟物体运动状态有关。这个结论具有 革命性的意义，它反映的时空观称作相对论时空观。
这两个式子中都有一个因式： 1 ( v ) 2 c
当物体运动的速度v远小于c时 力学的时空观一致
1 ( v ) 2 趋近于1。与牛顿经典 c
③空间距离的绝对性
如果各个惯性系中用来测量长度的标准相同，那么空间两点的距离也就有绝对不变的量值，而与惯性系 的选择(或观察者的运动状态)无关．
经典力学的绝对时空观，割裂了时间、空间、物质及其运动之 间的联系，不能解释高速运动领域的许多客观现象．
经典力学的运动观，从自然观角度来说，给出的是一幅机械运 动的图景，不能解释微观世界丰富多彩的现象．