相對論時空觀與牛頓力學(xué)的局限性

人教版必修第二冊6、經(jīng)典力學(xué)的局限性第六章萬有引力與航天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。愛因斯坦牛頓問題：1速度有無極限？2微觀粒子的行為與宏觀物體是否遵循相同的規(guī)律？3時間和空間是否是絕對一成不變的？4牛頓建立的經(jīng)典力學(xué)已相當(dāng)完善，愛因斯坦為什么還要提出相對論？相對論是否全盤否定了牛頓的經(jīng)典力學(xué)理論？對建立經(jīng)典力學(xué)作出重要貢獻(xiàn)的科學(xué)家哥白尼伽利略笛卡爾惠更斯開普勒牛頓建的經(jīng)典力學(xué)體系經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展過程17世紀(jì)牛頓力學(xué)構(gòu)成了體系。可以說，這是物理學(xué)第一次偉大的綜合。牛頓建立了兩個定律，一個是運(yùn)動定律，一個是萬有引力定律，并發(fā)展了變量數(shù)學(xué)微積分，具有解決實(shí)際問題的能力。他開拓了天體力學(xué)這一科學(xué)，海王星和冥王星的發(fā)現(xiàn)就充分顯示了這一點(diǎn)。經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展過程牛頓伽利略、第谷哥白尼、亞里士多德笛卡爾、胡克、哈雷等如果說我看得遠(yuǎn)，那是因?yàn)槲艺驹诰奕藗兊募缟??！ｎD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)展過程經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動定律，萬有引力定律更是樹立了人們對牛頓物理學(xué)的尊敬。物理學(xué)家楊振寧曾贊頌到：“如果一定要舉出某個人、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?！迸ｎD的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》被評價(jià)為科學(xué)史上最偉大的著作經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展過程一、經(jīng)典時空觀與相對論時空觀描述一個物體的運(yùn)動必須選擇一個參考系，然后研究這一物體相對于參考系是如何運(yùn)動的。兩個小球一起做自由落體運(yùn)動，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。所以綠球相對于紅球這個參考系而言，并不符合牛頓運(yùn)動定律。慣性參考系——牛頓運(yùn)動定律成立的參考系非慣性參考系——牛頓運(yùn)動定律不成立的參考系所有相對于慣性系做勻速直線運(yùn)動的參考系都是慣性系，而對于慣性系做變速運(yùn)動的參考系為非慣性系。對于所有的慣性系，力學(xué)規(guī)律都是相同的，或者說，一切慣性系都是等效的，這一結(jié)論稱為伽利略相對性原理。絕對的真實(shí)的數(shù)學(xué)時間，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，并且永遠(yuǎn)不變，這就是經(jīng)典力學(xué)的時空觀。也稱絕對時空觀。二、相對論時空觀光是一種電磁波，光速是一個恒定的常數(shù)c，與光源和觀察者的運(yùn)動無關(guān)，運(yùn)動火車尾發(fā)出的光并沒有因?yàn)榛疖嚨那斑M(jìn)而速度變?yōu)閏v2。利用經(jīng)典力學(xué)解決上述問題時，遇到了無法解釋的現(xiàn)象。為了解決上述矛盾，愛因斯坦于1905年提出了狹義相對論。相對性原理：在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的。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相同。2、運(yùn)動的尺子縮短：一個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(yùn)動時，它的長度要縮短。（長度收縮效應(yīng)）3、物體質(zhì)量隨速度的增加而增大：當(dāng)速度接近光速時，質(zhì)量趨于無窮大。如果物體的運(yùn)動速度比光速小很多時，物體運(yùn)動時的質(zhì)量和物體靜止時的質(zhì)量相等。相對效應(yīng)只有在高速（接近光速）運(yùn)動的情況下效應(yīng)才顯著，在通常的情況下，相對論效應(yīng)極其微小，可忽略不計(jì)。1、運(yùn)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(yùn)動時，觀察者會看到它變慢了。（時間膨脹效應(yīng)）二、相對論時空觀（一）、從低速到高速如：在一個無限大的光滑水平面上，有一質(zhì)量為m的物體，在一個水平恒力F的作用下，從靜止開始運(yùn)動。根據(jù)牛頓第二定律可知物體將以加速度a=F/m做勻加速直線運(yùn)動。由運(yùn)動學(xué)公式可知：物體的速度v=at推理：隨著時間的推移，物體的速度不斷增大，最終可使物體獲得任意速度。但事實(shí)并非如此，常識告訴我們，物體運(yùn)動速度是有極限的，現(xiàn)在已知的最大速度是光速，且現(xiàn)在也無法使物體運(yùn)動超越這個速度。速度遠(yuǎn)小于光速時，經(jīng)典力學(xué)完全適用。當(dāng)物體的速度接近光速時，經(jīng)典力學(xué)就不適用了。Fm1905年，出生于德國的美籍物理學(xué)家阿爾伯特·愛因斯坦（1879─1955）發(fā)表了狹義相對論。這個理論指出在宇宙中唯一不變的是光線在真空中的速度，其它任何事物──速度、長度、質(zhì)量和經(jīng)過的時間，都隨觀察者的參考系而變化。（一）、從低速到高速相對質(zhì)量在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量是不變的，但愛因斯坦的狹義相對論指出，物體的質(zhì)量隨速度的增大而增大。m0為物體靜止時的質(zhì)量m是物體速度為v時的長度c是真空中的光速——動質(zhì)量增大（一）、從低速到高速質(zhì)量隨速度增大而增大（一）、從低速到高速什么是低速，什么是高速？通常所見的物體的運(yùn)動皆為低速運(yùn)動，如行駛的汽車，發(fā)射的導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星及宇宙飛船等。與光速相接近的速度稱為高速，有些微觀粒子在一定條件下其速度可以與光速相接近。（一）、從低速到高速（二）、從宏觀到微觀19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，人們相繼發(fā)現(xiàn)了電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子，發(fā)現(xiàn)它們不僅具有粒子性，面且具有波動性，它們的運(yùn)動規(guī)律不能用經(jīng)典力學(xué)描述。20世紀(jì)20年代，建立了量子力學(xué)，它能夠正確地描述微觀粒子運(yùn)動的規(guī)律性，并在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮了重要作用。（三）、從弱引力到強(qiáng)引力物體間的萬有引力是弱引力，經(jīng)典力學(xué)適用天體半徑減小到一定程度時,如白矮星、中子星，密度特別大，天體間的引力非常大，屬于強(qiáng)引力。經(jīng)典力學(xué)不再適用。黑洞這種極端條件下的宇宙天體。它有極強(qiáng)的吸引力，光也無法逃脫。愛因斯坦廣義相對論相對論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，是否表示經(jīng)典力學(xué)失去了意義相對論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，說明人類對自然界的認(rèn)識更加廣泛和深入，而不表示經(jīng)典力學(xué)失去了意義。它只是使人們認(rèn)識到經(jīng)典力學(xué)有它的適用范圍：只適用于低速運(yùn)動，不適用于高速運(yùn)動，只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界。（三）、從弱引力到強(qiáng)引力互為補(bǔ)充，互不矛盾，互不否定共同支撐起物理學(xué)科的骨架。宏觀低速高速強(qiáng)引力相對論、量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的關(guān)系經(jīng)典力學(xué)狹義相對論廣義相