7.5相對(duì)論時(shí)空與牛頓力學(xué)的局限性

時(shí)間像一條看不見的“長(zhǎng)河”，均勻地自行流逝著，空間像一個(gè)廣闊無(wú)邊的房間，它們都不影響物體及其運(yùn)動(dòng)。若河中的水以相對(duì)于岸的速度v水岸流動(dòng)，河中的船以相對(duì)于水的速度v船水順流而下，則船相對(duì)于岸的速度為v船岸＝v船水＋v水岸時(shí)間與空間都是獨(dú)立于物體及其運(yùn)動(dòng)而存在的。這種絕對(duì)時(shí)空觀，也叫牛頓力學(xué)時(shí)空觀。設(shè)想人類可以利用飛船以0.2c的速度進(jìn)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(cè)量到的激光的速度是多少？答案似乎應(yīng)為1.2c。然而，事實(shí)并非如此！因?yàn)榻?jīng)典力學(xué)不再適用。經(jīng)典力學(xué)只適用于解決低速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，不能用來(lái)處理高速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，要解決這一問(wèn)題就需要用到相對(duì)論時(shí)空觀。一、相對(duì)論時(shí)空觀一、相對(duì)論時(shí)空觀

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。麥克斯韋（1831—1879）1887年，美國(guó)科學(xué)家邁克爾孫和莫雷通過(guò)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(guò)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(méi)有成功！邁克爾孫—莫雷實(shí)驗(yàn)（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,表明在任何慣性系中研究某個(gè)物體的某一運(yùn)動(dòng)過(guò)程，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律形式不變。1.愛因斯坦的兩個(gè)假設(shè)（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。表明了經(jīng)典時(shí)空觀與相對(duì)論時(shí)空觀的不同。在經(jīng)典物理學(xué)中，如果兩個(gè)事件在一個(gè)參考系中是同時(shí)的，在另一個(gè)參考系中一定也是同時(shí)的。但是，如果按照愛因斯坦的兩個(gè)假設(shè)，結(jié)論還是這樣嗎？2.相對(duì)論時(shí)空觀的內(nèi)容根據(jù)愛因斯坦假設(shè)：真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的，兩個(gè)事件在一個(gè)參考系中是同時(shí)的，在另一個(gè)參考系中不一定也是同時(shí)的。認(rèn)為時(shí)間和空間是相互聯(lián)系、相互影響的，并且與物質(zhì)的存在及運(yùn)動(dòng)有關(guān)。例如：假設(shè)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(gè)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(dá)前后兩壁的時(shí)間相同嗎？（2）車下的觀察者來(lái)說(shuō)，以地面為參考系，閃光到達(dá)前后兩壁的時(shí)間相同嗎？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)性是相對(duì)的3.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Δτ，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Δt，兩者之間的關(guān)系為：由于物體的速度不可能達(dá)到光速，故＜1

總有Δt>Δτ，時(shí)間不再是絕對(duì)的，而是相對(duì)的。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：4.長(zhǎng)度收縮效應(yīng)5.運(yùn)動(dòng)的物體質(zhì)量變大由于物體的速度不可能達(dá)到光速，故＜0總有l(wèi)＜l0，空間距離也不再是絕對(duì)的，而是相對(duì)的。

經(jīng)典時(shí)空觀狹義相對(duì)論時(shí)空觀光速相對(duì)的絕對(duì)的（不變）同時(shí)絕對(duì)的相對(duì)的時(shí)間與空間與運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)與運(yùn)動(dòng)有關(guān)質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)隨速度增大而增大梳理深化思考1：有一種基本粒子叫μ子，當(dāng)它低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，它的平均壽命是3.0μs，當(dāng)μ子以0.99c的速度飛行時(shí)，若以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？相對(duì)于光速而言，低速可近似認(rèn)為0，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：

思考2：事實(shí)上到達(dá)地面的μ子，大多產(chǎn)生于距地面8km的高空，科學(xué)家們根據(jù)經(jīng)典理論，可以計(jì)算出每秒到達(dá)地面的μ子個(gè)數(shù)，但這個(gè)理論數(shù)值小于實(shí)際觀察到μ子個(gè)數(shù)，這是為什么呢？由于鐘慢效應(yīng)，對(duì)于地面觀察者看來(lái)，μ子的平均壽命，已不是3.0μs了，而是約為21μs，在這段時(shí)間內(nèi)，μ子可以飛行更遠(yuǎn)的距離，更多的μ子都能飛越8km的距離到達(dá)地面。1.成就：

牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動(dòng)定律，萬(wàn)有引力定律的建立與應(yīng)用更是確定了人們對(duì)牛頓力學(xué)的尊敬。在宏觀物體做低速運(yùn)動(dòng)的廣闊領(lǐng)域，牛頓力學(xué)與實(shí)際相符合，顯示了牛頓運(yùn)動(dòng)定律的正確性和牛頓力學(xué)的魅力。2.局限性:（1）微觀世界：電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子，發(fā)現(xiàn)它們不僅具有粒子性，同時(shí)還具有波動(dòng)性，它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律在很多情況下不能用牛頓力學(xué)來(lái)說(shuō)明。（2）牛頓力學(xué)只適用于低速運(yùn)動(dòng)，不適用于高速運(yùn)動(dòng)。二、牛頓力學(xué)的成就與局限性低速與高速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稱為低速。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，這樣的稱為高速。3.相對(duì)論和量子力學(xué)與牛頓力學(xué)的關(guān)系：

當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速c時(shí)，相對(duì)論物理學(xué)與牛頓力學(xué)的結(jié)論沒(méi)有區(qū)別；當(dāng)另一個(gè)重要常數(shù)即普朗克常量h可以忽略不計(jì)時(shí)，量子力學(xué)和牛頓力學(xué)的結(jié)論沒(méi)有區(qū)別。

相對(duì)論和量子力學(xué)都沒(méi)有否定牛頓力學(xué)，只是認(rèn)為牛頓力學(xué)是在一定條件下的特殊情形。它們互為補(bǔ)充，互不矛盾，互不否定地共同支撐起物理學(xué)科的骨架。相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性相對(duì)論時(shí)空觀愛因斯坦假設(shè)

牛頓力學(xué)的成就與局限性成就：形成了完整的經(jīng)典力學(xué)體系局限性：微觀、高速、強(qiáng)力不適用相對(duì)論、量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的關(guān)系：互為補(bǔ)充，互不矛盾，互不否定，共同支撐起物理學(xué)科的骨架。1.關(guān)于牛頓力學(xué)和狹義相對(duì)論，下列說(shuō)法正確的是（）A．牛頓力學(xué)適用于宏觀世界弱引力場(chǎng)中的低速運(yùn)動(dòng)B．牛頓力學(xué)適用于分析高速運(yùn)動(dòng)的μ子的壽命C．在狹義相對(duì)論中，真空中光速是可變的D．在狹義相對(duì)論中，物體的能量與質(zhì)量無(wú)關(guān)2.設(shè)某人在以速度為0.5c的飛船上，打開一個(gè)光源，則下列說(shuō)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1.5cB.飛船正后方地面上的觀察者看到這一光速為0.5cC.在垂直飛船前進(jìn)方向地面上的觀察者看到這一光速是2cD.在地面上任何地方的觀察者看到的光速都是c3、某星際飛船正