經(jīng)典力學的局限性與相對論初步1.牛頓經(jīng)典力學的成就2.相對論時空觀3.宇宙起源和演化教學導入

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？問題啟發(fā)

引入主題

問題的答案似乎應為1.2c，然而，事實并非如此！因為經(jīng)典力學不再適用。經(jīng)典力學只適用于解決低速運動問題，不能用來處理高速運動問題，要解決這一問題就需要用到相對論時空觀。知識點一：牛頓力學的成就局限性大到天體運動，小到生活中各種各樣的運動，都符合牛頓經(jīng)典力學，牛頓經(jīng)典力學覆蓋著極廣大的范圍。牛頓力學的局限性和適用范圍天體物體多樣性低速宏觀弱引力場牛頓力學時空觀時間就是表示一個變化的過程。1.河水、樹木，這些是事件還是事物？2.河水在流動，樹木在生長呢？時間和空間事物事件絕對時空觀：1.如果沒有了時間，水還流動嗎，樹木還在生長嗎？2.要是沒有空間樹木往哪里長，水往哪里流呢？

時間與空間都是獨立于物體及其運動而存在的。事物和事件知識點二：絕對時空觀知識點三：相對論時空觀物理學上的里程碑牛頓力學時空觀（絕對時空觀）時間和空間獨立于物體及其運動相對論時空觀：時間和空間被聯(lián)系在一起，它們互相聯(lián)系又互相制約，物質(zhì)的運動對時間和空間有一定的影響牛頓主要貢獻牛頓伽利略、第谷哥白尼、亞里士多德笛卡爾、胡克、哈雷等經(jīng)典力學金字塔的建立開普勒牛頓所說：“如果說我看得遠，那是因為我站在巨人們的肩上?！?/p>

經(jīng)典力學的基礎是牛頓運動定律，萬有引力定律更確立了牛頓的地位，牛頓運動定律和萬有引力定律在宏觀、低速、弱引力的廣闊領域，經(jīng)受實踐檢驗。麥克斯韋建立了電磁場理論電磁波的傳播速度等于光速c這個速度是相對哪個參考系而言的？邁克耳孫一莫雷實驗

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參考系之問的速度變換關系不符。1、在不同的慣性參考系中，物理規(guī)律的形式都是相同的；愛因斯坦兩個基本假設：2、真空中的光速在不同的慣性參號系中大小都是相同的。光速不變原理例如：假設一列火車沿平直軌道飛快地勻速行駛。車廂中央的光源發(fā)出了一個閃光，閃光照到了車廂的前壁和后壁。（1）車上的觀察者以車廂為參考系，閃光到達前后兩壁的時間相同嗎？甲參考答案：（1）如圖甲所示：因為車廂是個慣性系，閃光向前、后傳播的速率相同，光源又在車廂的中央，閃光當然會同時到達前后兩壁。（2）車下的觀察者來說，以地面為參考系，閃光到達前后兩壁的時間相同嗎？在閃光飛向兩壁的過程中，車廂向前行進了一段距離，所以向前的光傳播的路程長些即：閃光先到達后壁，后到達前壁因此，這兩個事件不是同時發(fā)生的。乙根據(jù)愛因斯坦的假設：真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的，所以他以地面為參考系，閃光向前、后傳播的速率對地面也是相同的。鐘慢尺縮

如果相對地面以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t0，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t，兩者之間的關系為：時間不再是絕對的，而是相對的——鐘慢效應。

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：空間不再是絕對的，而是相對的——尺縮效應。

由上面兩個式子可以知道，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(tài)有關。這個結(jié)論具有革命性的意義，它反映的時空觀稱作相對論時空觀。鐘慢尺縮相對論時空觀的驗證

相對論時空觀的第一次宏觀驗證是在1971年進行的。當時在地面上將四只銫原子鐘調(diào)整同步，然后把它們分別放在兩架噴氣式飛機上做環(huán)球飛行，一架向東飛，另一架向西飛。兩架飛機各繞地球飛行一周后回到地面，與留在地面上的銫原子鐘進行比較。實驗結(jié)果與相對論的理論預言符合得很好。動鐘變慢按照狹義相對論而言，物體運動時質(zhì)量會隨著物體運動速度增大而增加(質(zhì)速關系)，同時，空間和時間也會隨著物體運動速度的變化而變化，即會發(fā)生尺縮效應和鐘慢效應。1、狹義相對論質(zhì)速關系:m=_____________m01-m0是物體靜止時的質(zhì)量，m是物體速度為v時的質(zhì)量，c是真空中的光速.知識點四

：狹義相對論2、從弱引力到強引力按牛頓的萬有引力定律推算，行星應該沿著一些橢圓做周期性運動，而天文觀測表明，行星的軌道并不是嚴格閉合的，它們的近日點在不斷地旋進，如水星的運動，由經(jīng)典力學與行星軌道的矛盾說明了什么？參考答案：經(jīng)典力學只適用于弱引力場，而不適用于強引力場.1、（多選）下列說法正確的是（）A.

不論是宏觀物體，還是微觀粒子，經(jīng)典力學和量子力學都是適用的B.

當物體運動速度很大（接近于光速）時，經(jīng)典力學理論所得的結(jié)果與實際結(jié)果之間出現(xiàn)了較大的偏差C.

在經(jīng)典力學中，物體的質(zhì)量是不變的，在狹義相對論中，物體的質(zhì)量隨物體速度增大而減小D.

牛頓的引力理論不能用于中子星表面BD當堂檢測2.下列關于經(jīng)典力學的說法正確的是（）A．經(jīng)典力學適用于宏觀、低速（遠小于光速）運動的物體B．經(jīng)典力學適用于微觀、高速（接近光速）運動的粒子C．相對論和量子力學的出現(xiàn)，表明經(jīng)典力學已被完全否定了D．經(jīng)典力學在理論和實踐上取得了巨大的成功，從地面到天體的運動都服從經(jīng)典力學的規(guī)律，因此任何情況下都適用A當堂檢測3.在物理學的發(fā)展過程中，許多物理學家都做出了重大貢獻，他們也創(chuàng)造出了許多物理學研究方法，下列關于物理學史和物理學方法的敘述中正確的是（）A．牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律，他被稱為“稱量地球質(zhì)量”第一人B．卡文迪許為了檢驗萬有引力定律的正確性，首次進行了“月-地檢驗”C．經(jīng)典力學理論是普遍適用得，大到天體，小到微觀粒子均適用D．開普勒行星運動定律是開普勒在第谷留下的觀測記錄的基礎上整理和研究出來的D當堂檢測4.下列說法正確的是（

）A.以牛頓運動定律為基礎的經(jīng)典力學沒有存在的價值B.物理學的發(fā)展，使人們認識到經(jīng)典力學有它的適用范圍C.相對論和量子力學的出現(xiàn)是對經(jīng)典力學的否定D.經(jīng)典力學對處理高速運動的微觀物體具有相當高的正確性【答案】B【解析】經(jīng)典力學適用于宏觀低速物體，不能適用于微觀高速物體；相對論和量子力學更加深入地研究運動規(guī)律，但并沒有否認經(jīng)典力學的意義。相對論和量子力學的推出并不意味著經(jīng)典力學的全盤否定，只是它應在一定條件下使用?！窘獯稹緼BC牛頓運動定律能夠解決宏觀物體的低速運動問題，在生產(chǎn)、生活及科技方面起著重要作用；解決問題時雖然有一定誤差，但誤差極其微小，可以忽略不計；故經(jīng)典力學仍可在一定范圍內(nèi)適用。雖然相對論和量子力學更加深入科學地認識自然規(guī)律，它是科學的進步，但并不表示對經(jīng)典力學的否定，故B正確，AC錯誤；D.經(jīng)典力學不能用于處理高速運行的物體，故D錯誤。故選B。5.美國科學家2016年2月11日宣布，他們探測到引力波的存在．引力波是實驗驗證愛因斯坦相對論的最后一塊缺失的“拼圖”，相對論在一定范圍內(nèi)彌補了經(jīng)典力學的局限性．關于經(jīng)典力學，下列說法正確的是（

）A.經(jīng)典力學完全適用于宏觀低速運動B.經(jīng)典力學取得了巨大成就，是普遍適用的C.隨著物理學的發(fā)展，經(jīng)典力學將逐漸成為過時的理論D.由于相對論、量子論的提出，經(jīng)典力學已經(jīng)失去了它的應用價值【答案】A【解析】經(jīng)典力學的適用范圍是宏觀、低速情形，高速情形要用相對論，微觀粒子運動要用量子力學．明確經(jīng)典力學具有一定的局限性，但并不是完全沒有了使用價值．【解答】A、經(jīng)典力學完全適用于宏觀低速運動的物體，故A正確；B、經(jīng)典力學取得了巨大的成就，但它也具有一定的局限性，并不是普遍適用的，故B錯誤C、相對論與量子力學都沒有否定過去的科學，而只認為過去的科學是自己在一定條件下的特殊情形；故CD錯誤；故選A。6.關于相對論時空觀與牛頓力學的局限性，下列說法中正確的是（）A．相對論和量子力學更加深入地研究運動規(guī)律，徹底否認了經(jīng)典力學B．相對論認為真空中的光速在不同的慣性參考系中是不同的C．牛頓定律不適用于研究中國空間站天和核心艙的高速發(fā)射D．經(jīng)典力學是相對論及量子力學在一定條件下的特例【答案】D【解析】A．相對論和量子力學并沒有否定經(jīng)典力學，認為經(jīng)典力學是在一定條件