相对论时空观与牛顿力学的局限性

人教版必修第二册6、经典力学的局限性第六章万有引力与航天自然和自然的法则在黑暗中隐藏。上帝说，让牛顿去吧！于是一切都被照亮。魔鬼说，让爱因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。爱因斯坦牛顿问题：1速度有无极限？2微观粒子的行为与宏观物体是否遵循相同的规律？3时间和空间是否是绝对一成不变的？4牛顿建立的经典力学已相当完善，爱因斯坦为什么还要提出相对论？相对论是否全盘否定了牛顿的经典力学理论？对建立经典力学作出重要贡献的科学家哥白尼伽利略笛卡尔惠更斯开普勒牛顿建的经典力学体系经典力学的发展过程17世纪牛顿力学构成了体系。可以说，这是物理学第一次伟大的综合。牛顿建立了两个定律，一个是运动定律，一个是万有引力定律，并发展了变量数学微积分，具有解决实际问题的能力。他开拓了天体力学这一科学，海王星和冥王星的发现就充分显示了这一点。经典力学的发展过程牛顿伽利略、第谷哥白尼、亚里士多德笛卡尔、胡克、哈雷等如果说我看得远，那是因为我站在巨人们的肩上。——牛顿经典力学金字塔的建立开普勒牛顿经典力学的发展过程经典力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律更是树立了人们对牛顿物理学的尊敬。物理学家杨振宁曾赞颂到：“如果一定要举出某个人、某一天作为近代科学诞生的标志，我选牛顿《自然哲学的数学原理》在1687年出版的那一天。”牛顿的《自然哲学的数学原理》被评价为科学史上最伟大的著作经典力学的发展过程一、经典时空观与相对论时空观描述一个物体的运动必须选择一个参考系，然后研究这一物体相对于参考系是如何运动的。两个小球一起做自由落体运动，均受到重力的作用，如果以红球为参考系，则绿球是静止的。而绿球受到的合外力不为零。所以绿球相对于红球这个参考系而言，并不符合牛顿运动定律。惯性参考系——牛顿运动定律成立的参考系非惯性参考系——牛顿运动定律不成立的参考系所有相对于惯性系做匀速直线运动的参考系都是惯性系，而对于惯性系做变速运动的参考系为非惯性系。对于所有的惯性系，力学规律都是相同的，或者说，一切惯性系都是等效的，这一结论称为伽利略相对性原理。绝对的真实的数学时间，就其本质而言，是永远均匀地流逝，与任何外界无关，绝对空间就其本质而言是与任何外界事物无关的，它从不运动，并且永远不变，这就是经典力学的时空观。也称绝对时空观。二、相对论时空观光是一种电磁波，光速是一个恒定的常数c，与光源和观察者的运动无关，运动火车尾发出的光并没有因为火车的前进而速度变为cv2。利用经典力学解决上述问题时，遇到了无法解释的现象。为了解决上述矛盾，爱因斯坦于1905年提出了狭义相对论。相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。光速不变原理：不管在哪个惯性系中，测得的真空中的光速都相同。2、运动的尺子缩短：一个物体相对于观察者静止时，它的长度测量值最大；相对于观察者运动时，它的长度要缩短。（长度收缩效应）3、物体质量随速度的增加而增大：当速度接近光速时，质量趋于无穷大。如果物体的运动速度比光速小很多时，物体运动时的质量和物体静止时的质量相等。相对效应只有在高速（接近光速）运动的情况下效应才显著，在通常的情况下，相对论效应极其微小，可忽略不计。1、运动的时钟变慢：时钟相对于观察者静止时，走得快；相对于观察者运动时，观察者会看到它变慢了。（时间膨胀效应）二、相对论时空观（一）、从低速到高速如：在一个无限大的光滑水平面上，有一质量为m的物体，在一个水平恒力F的作用下，从静止开始运动。根据牛顿第二定律可知物体将以加速度a=F/m做匀加速直线运动。由运动学公式可知：物体的速度v=at推理：随着时间的推移，物体的速度不断增大，最终可使物体获得任意速度。但事实并非如此，常识告诉我们，物体运动速度是有极限的，现在已知的最大速度是光速，且现在也无法使物体运动超越这个速度。速度远小于光速时，经典力学完全适用。当物体的速度接近光速时，经典力学就不适用了。Fm1905年，出生于德国的美籍物理学家阿尔伯特·爱因斯坦（1879─1955）发表了狭义相对论。这个理论指出在宇宙中唯一不变的是光线在真空中的速度，其它任何事物──速度、长度、质量和经过的时间，都随观察者的参考系而变化。（一）、从低速到高速相对质量在经典力学中，物体的质量是不变的，但爱因斯坦的狭义相对论指出，物体的质量随速度的增大而增大。m0为物体静止时的质量m是物体速度为v时的长度c是真空中的光速——动质量增大（一）、从低速到高速质量随速度增大而增大（一）、从低速到高速什么是低速，什么是高速？通常所见的物体的运动皆为低速运动，如行驶的汽车，发射的导弹、人造卫星及宇宙飞船等。与光速相接近的速度称为高速，有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近。（一）、从低速到高速（二）、从宏观到微观19世纪末到20世纪初，人们相继发现了电子、质子、中子等微观粒子，发现它们不仅具有粒子性，面且具有波动性，它们的运动规律不能用经典力学描述。20世纪20年代，建立了量子力学，它能够正确地描述微观粒子运动的规律性，并在现代科学技术中发挥了重要作用。（三）、从弱引力到强引力物体间的万有引力是弱引力，经典力学适用天体半径减小到一定程度时,如白矮星、中子星，密度特别大，天体间的引力非常大，属于强引力。经典力学不再适用。黑洞这种极端条件下的宇宙天体。它有极强的吸引力，光也无法逃脱。爱因斯坦广义相对论相对论和量子力学的出现，是否表示经典力学失去了意义相对论和量子力学的出现，说明人类对自然界的认识更加广泛和深入，而不表示经典力学失去了意义。它只是使人们认识到经典力学有它的适用范围：只适用于低速运动，不适用于高速运动，只适用于宏观世界，不适用于微观世界。（三）、从弱引力到强引力互为补充，互不矛盾，互不否定共同支撑起物理学科的骨架。宏观低速高速强引力相对论、量子力学和经典力学的关系经典力学狭义相对论广义相