第5章 第1節(jié)　經(jīng)典力學的成就與局限性+第2節(jié)　經(jīng)典時空觀與相對論時空觀

1、.第一節(jié)經(jīng)典力學的成就與局限性第二節(jié)經(jīng)典時空觀與相對論時空觀學 習 目 標知 識 脈 絡1.理解經(jīng)典力學的開展歷程及其對自然科學、社會開展的影響.2.認識經(jīng)典力學的局限性和適用范圍.3.理解經(jīng)典時空觀及其根本推論.4.理解狹義相對論的理論根底和相對論時空觀的幾個推論重點、難點經(jīng) 典 力 學 與 相 對 論1經(jīng)典力學的成就和局限性1開展歷程17世紀，伽利略開展了觀察實驗、科學思維與數(shù)學相結合的方法，并發(fā)現(xiàn)了慣性定律、落體定律和力學相對性原理牛頓在伽利略、笛卡兒、開普勒、惠更斯等人研究的根底上，采用歸納與演繹、綜合與分析的方法，總結出一套普遍適用的力學運動規(guī)律牛頓運動定律和萬有引力定律17、18世

2、紀的科學家逐漸開展了從動量、能量角度對牛頓運動定律的表述，進一步完善了經(jīng)典力學體系2偉大成就經(jīng)典力學把天上物體和地上物體的運動統(tǒng)一起來，實現(xiàn)了人類對自然界認識的第一次理論大綜合使人們認識到了以現(xiàn)象觀察和實驗研究為根底的自然科學理論的根本特征建立了以實驗和數(shù)學相結合的研究方法推動了其他學科的開展，與其他學科相結合產(chǎn)生了一些穿插性的分支學科3適用范圍從地面上的各種物體的運動到天體的運動；從大氣流動到地殼變動；從自行車到汽車、火車、飛機等交通工具的運動，從投出籃球到發(fā)射導彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船所有這些都服從經(jīng)典力學的規(guī)律4局限性經(jīng)典力學不適用于研究高速運動接近光速的物體經(jīng)典力學不適用于微觀領域中物質(zhì)

3、構造和能量不連續(xù)的現(xiàn)象2經(jīng)典時空觀1慣性系與非慣性系慣性系：牛頓運動定律成立的參考系，相對于慣性系靜止或做勻速直線運動的參考系都是慣性系非慣性系：牛頓運動定律不成立的參考系，相對于慣性系做變速運動的參考系是非慣性系2伽利略相對性原理對于所有的慣性系，力學規(guī)律都是一樣的，或者說，一切慣性系都是等效的3經(jīng)典時空觀絕對時空觀時間永遠均勻地流逝，與任何外界無關；空間與任何外界事物無關，從不運動，永遠不變4經(jīng)典時空觀的幾個詳細結論同時的絕對性時間間隔的絕對性空間間隔 的絕對性；物體質(zhì)量恒定不變，即它們與參考系的選擇或觀察者的運動狀態(tài)無關時間、長度和質(zhì)量這三個根本物理量在經(jīng)典力學中都與參考系觀察者的運動無

4、關3相對論時空觀1狹義相對論的兩條根本假設相對性原理：在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是一樣的光速不變原理：不管在哪個慣性系中，測得的真空中的光速都一樣2相對論時空觀“同時的相對性：在一個參考系中同時發(fā)生的兩個事件，在另一個參考系看來是不同時的運動的時鐘變慢：時鐘相對于觀察者靜止時，走得快；相對于觀察者運動時，走得慢運動速度越快，效果越明顯運動的尺子縮短：物體相對于觀察者靜止時，它的長度測量值最大；相對于觀察者運動時，觀察者在運動方向上觀測，它的長度要縮短速度越快，縮的越短物體質(zhì)量隨速度的增加而增大：當速度接近光速時，質(zhì)量趨于無窮大，當速度比光速小得多時，物體運動質(zhì)量與靜止時的質(zhì)量相等1在

5、經(jīng)典力學中，時間、長度和質(zhì)量與運動沒有關系2相對論，完全否認了經(jīng)典力學的理論×3對于高速運動的物體，它的質(zhì)量隨著速度的增加而變大假設一列火車的速度是10 m/s，一個人在車上相對于車以10 m/s的速度向前跑，那么他相對于地面的速度為20 m/s.假設火車的速度為0.9cc為光速，火車上的人向前發(fā)出一束激光相對于車的速度為c激光相對于地面的速度是否為1.9c?【提示】根據(jù)光速不變原理光速仍為c，對于高速運動的物體，例如此題中以0.9c的速度行駛的列車，經(jīng)典力學中的結論不能簡單套用討論1：經(jīng)典時空觀中，時間、長度和質(zhì)量這三個根本物理量與參考系有關嗎？【提示】無關討論2：相對論時空觀中時

6、間和空間與物質(zhì)的運動有關嗎？【提示】有關1絕對時空觀是在地球范圍內(nèi)憑直覺經(jīng)歷建立起來的，它符合人們對空間、時間的主觀感受；相對論時空觀是在光速不變的實驗事實上，以狹義相對論的兩條根本假設為前提建立的2經(jīng)典時空觀中，時間、空間、物質(zhì)是彼此獨立、互不聯(lián)絡的，時間、長度和質(zhì)量這三個物理量都與參考系的運動無關相對論時空觀中，空間和時間是運動著的物質(zhì)的存在形式，時空概念是從物質(zhì)運動中抽象出來的，它們之間互相依賴、彼此聯(lián)絡3兩種理論的適用范圍不同經(jīng)典力學理論適用于弱引力作用下，低速運動的宏觀物體而它在強引力作用下，或高速運動或微觀世界不適用相對論原理是一種全新的時空與引力理論，它并沒有否認經(jīng)典力學理論，是

7、在經(jīng)典力學根底上加以完善，適用范圍更廣、更全面1多項選擇20世紀以來，人們發(fā)現(xiàn)了一些新的事實，而經(jīng)典力學卻無法解釋經(jīng)典力學只適用于解決物體的低速運動問題，不能用來處理高速運動問題；只適用于宏觀物體，一般不適用于微觀粒子這說明A隨著認識的開展，經(jīng)典力學已成了過時的理論B人們對客觀事物的詳細認識，在廣度上是有局限性的C經(jīng)典力學與相對論是互相矛盾的一對理論D人們應當不斷地擴展認識，在更廣闊的領域內(nèi)掌握不同事物的本質(zhì)與規(guī)律【解析】人們對客觀世界的認識，要受到所處的時代的客觀條件和科學程度的制約，所以形成的看法也都具有一定的局限性，人們只有不斷地擴展自己的認識，才能掌握更廣闊領域內(nèi)的不同事物的本質(zhì)與規(guī)律

8、；新的科學的誕生，并不意味著對原來科學的全盤否認，只能認為過去的科學是新的科學在一定條件下的特殊情形所以A、C錯，B、D對【答案】BD2根據(jù)愛因斯坦提出的相對論，以下說法正確的選項是A經(jīng)典力學理論普遍適用，大到天體，小到微觀粒子均適用B物體的質(zhì)量取決于物體所含物質(zhì)的多少，因此物體無論以多大速度運動，其質(zhì)量與速度無關C一個真實的物體，其運動速度有可能到達甚至超過真空中的光速D質(zhì)量、長度、時間的測量結果都是隨物體與觀測者的相對運動狀態(tài)而改變【解析】根據(jù)愛因斯坦提出的相對論，經(jīng)典力學只適用于宏觀低速的運動，A錯誤質(zhì)量隨速度的增大而增大，B錯誤物體的速度不能越過光速，C錯誤物體的質(zhì)量、長度、時間的測量

9、結果都與觀測者相對運動狀態(tài)有關，D正確【答案】D狹 義 相 對 論 的 主 要 結 論1兩個根本原理1相對性原理所有物理規(guī)律在一切慣性參照系中都具有一樣的形式2光速不變原理在一切慣性參照系中，測量到的真空中的光速c都一樣c3×108 m/s2兩個效應1時間延緩效應在相對論時空觀中，運動的時鐘比靜止的時鐘走得慢關系式為t，t為運動時間，t為靜止時間2長度收縮效應在相對于物體運動著的慣性系中沿運動方向測出的物體長度，比在相對靜止的慣性系中測出的長度變小關系式： ll.3兩種關系1質(zhì)速關系在經(jīng)典力學中，物體的質(zhì)量與物體的運動無關但在相對論中，運動物體的質(zhì)量隨其運動速度的變化而變化關系式：m

10、其中m為物體的運動質(zhì)量，m0為靜止質(zhì)量，v為物體相對慣性系的運動速度2質(zhì)能關系按照相對論及根本力學定律可推出質(zhì)量和能量有如下關系：Emc2，這就是著名的質(zhì)能關系式質(zhì)量和能量是物質(zhì)不可別離的屬性，當物質(zhì)的質(zhì)量減少或增加時，必然伴隨著能量的減少或增加，其關系為Emc2.1汽車運動時沒發(fā)現(xiàn)長度變化，故狹義相對論是錯誤的×2由質(zhì)能關系可知，質(zhì)量就是能量，能量也就是質(zhì)量，二者無區(qū)別×3時鐘延緩效應是低速的時鐘比高速的時鐘走的慢×假如你使一個物體加速、加速、再加速，它的速度會增加到等于光速甚至大于光速嗎？【提示】不能因為物體的質(zhì)量隨速度的增大而增大，假假設物體的速度趨近于光速

11、，這時物體的質(zhì)量會趨近于無窮大，故不可能把物體的速度增大到等于光速，當然更不可能大于光速，因為光速是速度的最大值討論1：相對性原理和光速不變原理各說明了什么問題？【提示】1相對性原理說明：在某個慣性系中描繪某個物理系統(tǒng)的某個物理過程的物理定律，在其他一切慣性系中對該系統(tǒng)該過程做出描繪的物理定律形式不變2光速不變原理說明：在一切慣性系中觀測在真空中傳播的光，不管沿任何方向，其速度大小都是c，與光源或觀察者的運動無關討論2：時間延緩效應是不是指時鐘走得慢了？長度收縮效應是不是指物體長度變短了？【提示】不是時間延緩效應和長度收縮效應說明在不同慣性系中觀測時，測得的結果不同，是相對論時空觀的表達，不是

12、時鐘真的變慢了或物體長度真的變短了1時間延緩效應在相對論時空觀中，運動時鐘與靜止時鐘的關系：t，由上式可以看出v<c，t>t，因此假如某時鐘所顯示的某個物理過程經(jīng)歷的時間間隔小，我們稱該時鐘走得慢，所以我們說運動的鐘比靜止的鐘走得慢這種效應被稱為時間延緩2長度收縮效應按照狹義相對論時空觀，空間也與運動親密相關，即對某物體空間廣延性的觀測，與觀測者和該物體的相對運動有關觀測長度l與靜止長度l之間的關系：ll，由于v<c，所以l<l.這種長度觀測效應被稱為長度收縮3質(zhì)速關系在相對物體靜止的參考系中測量，物體具有最小的質(zhì)量m0稱為靜止質(zhì)量；在相對物體以速度v運動的慣性系中測量

13、，物體的運動質(zhì)量為m.4質(zhì)能關系1經(jīng)典物理學的觀點：在經(jīng)典物理學中，質(zhì)量和能量是兩個獨立的概念2相對論的觀點：由相對論及根本力學定律可推出質(zhì)量和能量的關系為Emc2，能量變化量和質(zhì)量變化量關系為Emc2.3半人馬星座星是離太陽系最近的恒星，它距地球為4.3×1016 m設有一宇宙飛船自地球往返于半人馬星座星之間1假設宇宙飛船的速率為0.999c，按地球上時鐘計算，飛船往返一次需多少時間？2如以飛船上時鐘計算，往返一次的時間又為多少？【解析】1由于題中恒星與地球的間隔 s和宇宙飛船的速度v均是地球上的觀察者測量的，故飛船往返一次，地球時鐘所測時間間隔t2.87×108 s.2

14、可從相對論的時間延緩效應考慮把飛船分開地球和回到地球視為兩個事件，顯然飛船上的鐘測出兩事件的時間間隔t是固定的，地球上所測的時間間隔t與t之間滿足時間延緩效應的關系式以飛船上的時鐘計算，飛船往返一次的時間間隔為tt1.28×107 s.【答案】12.87×108 s21.28×107 s4一支靜止時長l的火箭以v的速度從觀察者的身邊飛過1火箭上的人測得火箭的長度應為多少？2觀察者測得火箭的長度應為多少？3假如火箭的速度為光速的二分之一，觀察者測得火箭的長度應為多少？【解析】1火箭上的人測得的火箭長度與火箭靜止時測得的長度一樣，即為l.2火箭外面的觀察者看火箭時，有

15、相對速度v，測量長度將變短，由相對論長度收縮效應公式知ll，其中c為真空中的光速3將v代入長度收縮效應公式得ll.【答案】1l2l3l5太陽內(nèi)部不停地發(fā)生著劇烈的熱核反響，在不斷地輻射能量因此其質(zhì)量也不斷地減少假設太陽每秒鐘輻射的總能量為4×1026 J，試計算太陽在1 s內(nèi)失去的質(zhì)量估算5 000年內(nèi)總共減少了多少質(zhì)量，并求5 000年內(nèi)減少的質(zhì)量與太陽的總質(zhì)量2×1027 t的比值【解析】由太陽每秒鐘輻射的能量E可得其每秒內(nèi)失去的質(zhì)量為：mkg×1010kg4.4×109 kg.在5 000年內(nèi)太陽總共減少的質(zhì)量為Mm·t×101

16、0×5 000×24×365×3 600 kg7×1020 kg.與太陽的總質(zhì)量比值為k3.5×1010.【答案】4.4×109 kg7×1020kg3.5×1010時間延緩效應和長度收縮效應的應用方法11“鐘慢效應或“動鐘變慢是在兩個不同慣性系中進展時間比較的一種效應，不要認為是時鐘的構造或精度因運動而發(fā)生了變化，而是在不同參考系中對時間的觀測效應2運動時鐘變慢完全是相對的，在兩個慣性參考系中的觀測者都將發(fā)現(xiàn)對方的鐘變慢了21長度收縮效應是狹義相對論時空觀的一種表達，即在不同慣性系中的觀測者對同一物體的

17、同一個空間廣延性進展觀測，測得的結果不同2這種沿著運動方向的長度的變化是相對的；另外垂直于速度方向的長度不變廣 義 相 對 論 簡 介1狹義相對論無法解決的問題1萬有引力理論無法納入狹義相對論框架2慣性參考系在狹義相對論中具有特殊的地位2廣義相對論的根本原理1廣義相對性原理：在任何參考系中物理規(guī)律都是一樣的2等效原理：一個均勻的引力場與一個做勻加速運動的參考系等價3廣義相對論的幾個結論1光線在引力場中偏轉2引力場的存在使得空間不同位置的時間進程出現(xiàn)偏向引力紅移3水星近日點的進動，行星的軌道并不是嚴格閉合的，它們的近日點或遠日點有進動1矮星外表的引力很強2在引力場弱的地方，時鐘走得快些3在引力場

18、越弱的地方，時間進程越慢×4在引力場強的地方，光譜線向綠端偏移×怎樣理解“引力紅移現(xiàn)象？提示：按照廣義相對論，引力場的存在使得空間不同位置的時間進程出現(xiàn)差異例如，在強引力的星球附近，時間進程會變慢，因此光振動會變慢，相應的光的波長變長、頻率變小，光譜線會發(fā)生向紅光一端挪動的現(xiàn)象光譜線的這種挪動是在引力作用下發(fā)生的，所以叫“引力紅移討論：由廣義相對論可知光線在引力場中會偏轉，為什么我們一般看到“光沿直線傳播？提示：通常物體的引力場都太弱，引力場引起光線的彎曲不明顯1廣義相對論的根本原理1廣義相對性原理：愛因斯坦把狹義相對性原理從勻速和靜止參考系推廣到做加速運動的參考系，認為所有的參考系都是平權的，不管它們是慣性系還是非慣性系，對于描繪物理現(xiàn)象來說都是平等的2等效原理：在物理學上，一個均勻的引力場等效于一個做勻加速運動的參考系2廣義相對論的幾個結論1光線在引力場中偏轉根據(jù)廣義相對論，物質(zhì)的引力會使光線彎曲，引力場越強，彎曲越厲害通常物體的引力場都太弱，但太陽引力場卻能引起光線比較明顯的彎曲2引力紅移：按照廣義相對論，引力場的存在使得空間不同位置的時間進程出現(xiàn)差異例如，在強引力的星球附