首先要突出說明的是選題的現(xiàn)實(shí)價(jià)值，每一個(gè)研究的目的都是為了指導(dǎo)現(xiàn)實(shí)生活，一定要講清本選題的研究有什么實(shí)際作用、解決什么問題；其次再寫課題的理論和學(xué)術(shù)價(jià)值。7.5相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性第七章

萬有引力與宇宙航天

什么是運(yùn)動(dòng)？什么又是靜止？

我們?nèi)绾稳ヅ袛噙\(yùn)動(dòng)與靜止？導(dǎo)

入牛頓力學(xué)的經(jīng)典時(shí)空觀01

描述一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)必須選擇一個(gè)參考系，然后研究這一物體相對(duì)于參考系是如何運(yùn)動(dòng)的。

兩個(gè)小球一起做自由落體運(yùn)動(dòng)，均受到重力的作用，如果以紅球?yàn)閰⒖枷?，則綠球是靜止的。而綠球受到的合外力不為零。所以綠球相對(duì)于紅球這個(gè)參考系而言，并不符合牛頓運(yùn)動(dòng)定律。慣性參考系——牛頓運(yùn)動(dòng)定律成立的參考系非慣性參考系——牛頓運(yùn)動(dòng)定律不成立的參考系1、慣性系與非慣性系

所有相對(duì)于慣性系做勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系都是慣性系，而對(duì)于慣性系做變速運(yùn)動(dòng)的參考系為非慣性系。表述1：對(duì)于所有的慣性系，力學(xué)規(guī)律都是相同的。2、伽利略的相對(duì)性原理表述2：在一個(gè)慣性參考系內(nèi)進(jìn)行的任何力學(xué)實(shí)驗(yàn)都不能判斷這個(gè)慣性系是否相對(duì)于另一個(gè)慣性系做勻速直線運(yùn)動(dòng)。表述3：一切慣性系都是等價(jià)的。絕對(duì)的真實(shí)的數(shù)學(xué)時(shí)間，就其本質(zhì)而言，是永遠(yuǎn)均勻地流逝，與任何外界無關(guān)，絕對(duì)空間就其本質(zhì)而言是與任何外界事物無關(guān)的，它從不運(yùn)動(dòng)，并且永遠(yuǎn)不變，這就是經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀。也稱絕對(duì)時(shí)空觀。絕對(duì)時(shí)空觀：牛頓：“如果說我看得遠(yuǎn)，那是因?yàn)槲艺驹诰奕藗兊募缟稀！毕鄬?duì)論時(shí)空觀02

十九世紀(jì)，英國(guó)科學(xué)家麥克斯韋，提出了電磁場(chǎng)理論，預(yù)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。人們不禁要問：這個(gè)速度是相對(duì)哪個(gè)參考系而言的呢？麥克斯韋（1831—1879）1.牛頓力學(xué)與電磁理論的沖突1887年，美國(guó)科學(xué)家邁克爾遜和莫雷通過實(shí)驗(yàn)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(xué)中，不同的參考系之間的速度變換關(guān)系（伽利略變換）不符！

在實(shí)驗(yàn)事實(shí)的面前，許多物理學(xué)家，仍然立足在牛頓力學(xué)時(shí)空觀的基礎(chǔ)上，想通過一些理論上的修補(bǔ)工作，解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。阿爾伯特·邁克爾遜（1852—1931）但都沒有成功！邁克爾—遜莫雷實(shí)驗(yàn)

以愛因斯坦和龐加萊為代表的另一批物理學(xué)家，堅(jiān)決主張，徹底放棄某些與實(shí)驗(yàn)事實(shí)不相符的觀念，如絕對(duì)時(shí)間的觀念，在實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上，大膽提出，能夠更好地解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的假設(shè)。儒勒·龐加萊（法）（1854-1912）新思想代表人物2.相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)（1）相對(duì)性原理：在不同的慣性參考系中，物理規(guī)律的形式都是相同的。（2）光速不變?cè)恚赫婵罩械墓馑僭诓煌膽T性參考系中，大小都是相同的。阿爾伯特·愛因斯坦（1879—1955）

這兩個(gè)假設(shè)看起來平淡無奇，但如果接受了這兩個(gè)假設(shè)的觀點(diǎn)，并用它來分析問題，可能會(huì)在我們的頭腦中引起一場(chǎng)軒然大波！

相對(duì)論的時(shí)空觀念與人們固有的時(shí)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(nèi)容。這使人們想起英國(guó)詩(shī)人波譜的詩(shī)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。世人的疑惑愛因斯坦的解讀“當(dāng)你和一個(gè)美麗的姑娘在一起坐一小時(shí)，你感覺只坐了一分鐘，當(dāng)你坐在火爐旁一分鐘，就好象坐了一小時(shí)，這就是相對(duì)論?！蓖瑫r(shí)性是相對(duì)的車上的觀察者:閃光同時(shí)到達(dá)車廂的前后兩壁（圖甲）地面上的觀察者:閃光先到達(dá)車廂后壁，后到達(dá)前壁（圖乙）同時(shí)的相對(duì)性

由此可見，時(shí)間不再是絕對(duì)的，而是相對(duì)的，這種情況被稱為時(shí)間延緩效應(yīng)。

如果相對(duì)地面以v運(yùn)動(dòng)的某慣性參考系上的人，觀察與其一起運(yùn)動(dòng)的物體完成某個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔為t0，地面上的人觀察該物體在同一地點(diǎn)完成這個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔為t，兩者之間的關(guān)系為：時(shí)間延緩效應(yīng)雙生子佯謬相對(duì)論的思想實(shí)驗(yàn)：有一對(duì)雙胞胎兄弟，其中一個(gè)跨上一宇宙飛船作長(zhǎng)程太空旅行，而另一個(gè)則留在地球。結(jié)果當(dāng)旅行者回到地球后，我們發(fā)現(xiàn)他比他留在地球的兄弟更年輕。

如果有一根桿，與桿相對(duì)靜止的人測(cè)得桿長(zhǎng)是l0，沿著桿的方向，以速度v相對(duì)桿運(yùn)動(dòng)的人測(cè)得桿長(zhǎng)是l，那么l0與l兩者之間的關(guān)系是：

由此可見，空間距離也不再是絕對(duì)的，而是相對(duì)的，這種情況被稱為長(zhǎng)度收縮效應(yīng)。長(zhǎng)度收縮效應(yīng)

由上面兩個(gè)式子可以知道，運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度（空間距離）和物理過程的快慢（時(shí)間進(jìn)程）都跟物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。這個(gè)結(jié)論具有革命性的意義，它反映的時(shí)空觀稱作相對(duì)論時(shí)空觀。相對(duì)論的時(shí)空觀相對(duì)論時(shí)空觀的第一次驗(yàn)證將銫原子鐘放在飛機(jī)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)言符合的很好。這是相對(duì)論的第一次宏觀驗(yàn)證。1971年銫原子鐘實(shí)驗(yàn)牛頓力學(xué)的成就與局限性03經(jīng)典力學(xué)的建立過程伽利略、第谷哥白尼、亞里士多德笛卡爾、胡克、哈雷等經(jīng)典力學(xué)金字塔的建立開普勒牛頓經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展過程楊振寧曾贊頌到：“如果一定要舉出某個(gè)人、某一天作為近代科學(xué)誕生的標(biāo)志，我選牛頓《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》在1687年出版的那一天。”牛頓力學(xué)的成就

牛頓力學(xué)的誕生開創(chuàng)了人類科技文明的新紀(jì)元，為工業(yè)革命和現(xiàn)代生活奠定了基礎(chǔ)。從地面上物體的運(yùn)動(dòng)到天體運(yùn)動(dòng)，從攔河筑壩、修建橋梁到設(shè)計(jì)各種機(jī)械，從普通的交通工具到發(fā)射人造衛(wèi)星和宇宙飛船.....

所有這些都符合牛頓力學(xué)的規(guī)律。牛頓力學(xué)在如此廣泛的領(lǐng)域里與事實(shí)相符合，顯示出牛頓力學(xué)的正確性和無限魅力。

時(shí)間均勻地自行流逝，空間像廣闊無邊的舞臺(tái)，時(shí)間和空間彼此獨(dú)立、互不關(guān)聯(lián)，都不影響物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)。時(shí)間和空間獨(dú)立與物體及其運(yùn)動(dòng)而存在的。這是絕對(duì)時(shí)空觀，也叫牛頓力學(xué)時(shí)空觀。牛頓力學(xué)時(shí)空觀愛因斯坦時(shí)空觀

相對(duì)時(shí)空觀中，時(shí)間和空間被聯(lián)系在一起，它們互相聯(lián)系又互相制約，物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)對(duì)時(shí)間和空間有一定的影響。愛因斯坦還把時(shí)間看作第四維，與三維的空間一起組成了四維時(shí)空。1.實(shí)現(xiàn)了人類對(duì)自然界認(rèn)識(shí)的第一次理論大綜合。2.確定了自然科學(xué)應(yīng)有的基本特征。3.將“實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)”相結(jié)合的方法推廣到物理學(xué)的各個(gè)分支，形成了完整的經(jīng)典力學(xué)體系。19世紀(jì)末-20世紀(jì)初，深入到微觀領(lǐng)域，發(fā)現(xiàn)電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子不僅具有粒子性，同時(shí)還具有波動(dòng)性，很多情況下經(jīng)典力學(xué)說明不了。和所有的真理一樣，牛頓力學(xué)也具有局限性。牛頓力學(xué)的成就在微觀世界中（尺度在10-10m以下），由于物質(zhì)的存在和運(yùn)動(dòng)形式（波粒二象性），較宏觀世界，有較大的不同,牛頓力學(xué)也不適用。1.只適用于低速運(yùn)動(dòng)，不適用于高速運(yùn)動(dòng)；2.只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界；3.只適用于弱引力情況，不適用于強(qiáng)引力情況。牛頓力學(xué)的局限性(1)低速:通常所見物體的運(yùn)動(dòng),如行駛的汽車、發(fā)射的導(dǎo)彈、人造地球衛(wèi)星及宇宙飛船等物體皆為低速運(yùn)動(dòng)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。低速與高速:1.狹義相對(duì)論:經(jīng)典力學(xué)適用于低速運(yùn)動(dòng)的物體;狹義相對(duì)論闡述物體在以接近光速運(yùn)動(dòng)時(shí)所遵循的規(guī)律。2.量子力學(xué):經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀世界;量子力學(xué)能夠正確描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。3.廣義相對(duì)論:經(jīng)典力學(xué)在弱引力的情況下與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得很好;愛因斯坦的廣義相對(duì)論能夠解釋強(qiáng)引力情況下的作用規(guī)律。經(jīng)典力學(xué)、相對(duì)論和量子理論的比較課堂小結(jié)AB牛頓力學(xué)相對(duì)論時(shí)間延緩效應(yīng)長(zhǎng)度收縮效應(yīng)只適用于低速運(yùn)動(dòng)，不適用于高速運(yùn)動(dòng)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(qiáng)引力。牛頓力學(xué)在宏觀、低速、弱引力的廣闊領(lǐng)域取得了巨大的成功典例05A．根據(jù)愛因斯坦的狹義相對(duì)論，當(dāng)一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)的速度接近光速時(shí)，會(huì)出現(xiàn)“鐘慢尺縮”效應(yīng)。對(duì)于高速飛行的

子，當(dāng)其速度接近光速時(shí)，其周圍的時(shí)間會(huì)迅速減慢，所以其壽命會(huì)變長(zhǎng)，故A正確。B．牛頓力學(xué)適用于低速（相對(duì)于光速）、宏觀物體的運(yùn)動(dòng)問題，不適用于質(zhì)子、電子等微觀粒子的運(yùn)動(dòng)情況，故B錯(cuò)誤。C．牛頓力學(xué)適用于世界上普通的物體，研究天體的運(yùn)動(dòng)，牛頓力學(xué)仍然適用，故C錯(cuò)誤。D．雖然洲際導(dǎo)彈的速度可達(dá)到6000m/s，但此速度相對(duì)于光速來說，仍然屬于低速，牛頓力學(xué)仍然適用，故D錯(cuò)誤。A．同速率同向飛行，認(rèn)為是同一參考系，測(cè)得時(shí)間一致，故A正確，不符合題意；BC．有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，測(cè)得時(shí)間均比相對(duì)靜止時(shí)間變慢了，故BC正確，不符合題意。D．以飛船為參考系，可認(rèn)為地球向飛船飛行，航天員認(rèn)為地球上的時(shí)間變慢了，故D錯(cuò)誤，符合題意。A．選擇μ子為參考系，此時(shí)μ子的平均壽命就等于低速運(yùn)動(dòng)時(shí)的平均壽命3.0μs，A錯(cuò)誤；B．根據(jù)鐘慢效應(yīng)，對(duì)于地面上的觀測(cè)者來說，高速飛行的μ子的平均壽命大于3.0μs，B錯(cuò)誤；C．根據(jù)尺縮效應(yīng)，如果觀察者和μ子一起飛向地面，觀察者認(rèn)為大氣層厚度變小，C正確；D．根據(jù)光速不變?cè)?，如果觀測(cè)者和μ子一起飛向地面，觀測(cè)者觀察同方向向地球照射的太陽(yáng)光光速等于c，D錯(cuò)誤。檢

測(cè)062．有一對(duì)孿生兄弟小明和小偉，當(dāng)他們長(zhǎng)大到20歲時(shí)，由于航天的需要，小偉要乘坐航天飛船去太空進(jìn)行科學(xué)研究，在地球上經(jīng)過20年后小偉才返回地面，則下列判斷正確的是（）A．小明顯得更年輕

B．小偉顯得更年輕C．他們倆一樣年輕

D．無法判斷誰(shuí)更年輕B3．飛船以0.9c的速度做勻速直線運(yùn)動(dòng)（c為光在真空中的傳播速度），并向運(yùn)動(dòng)的反方向發(fā)出電磁波，甲在飛船內(nèi)，乙在地球上，以下說法符合實(shí)際的是（）A．甲、乙觀察到飛船內(nèi)時(shí)鐘快慢一樣B．發(fā)出的電