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第七章 万有引力与宇宙航行
第 5 节
相对论时空观与牛顿力学的局限性
物理学史
钟慢尺缩
新的时空观
例题精析
广义相对论
牛顿运动定律和万有引力定律树立了人们对牛顿物理学的尊敬。
著名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。”
1687年出版
物 理 学 史
牛顿说：如果说我看得远，那是因为我站在巨人们的肩上。
经典力学金字塔
牛顿
伽利略、第谷
哥白尼、亚里士多德
笛卡尔、胡克、哈雷等
开普勒
物 理 学 史
物理学发展到19世纪末期，可以说是达到相当完美、相当成熟的程度。例如，一切力学现象原则上都能够从经典力学得到解释。对于电磁现象的分析，已形成麦克斯韦电磁场理论。至于热现象，也已经有了热力学和统计力学的理论，它们对于物质热运动的宏观规律和分子热运动的微观统计规律，几乎都能够做出合理的说明。总之，以经典力学、经典电磁场理论和经典统计力学为三大支柱的经典物理大厦已经建成。
物 理 学 史
1900年4月27日，英国物理学家开尔文勋爵在英国皇家学会发表演讲。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。同时，他在展望20世纪物理学前景时，却若有所思地讲道：“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现在，它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了。”
物 理 学 史
我们知道，如果河水中的河水以相对河岸的速度v水流动，河中的船以相对于水的速度v船顺流而下，则船相对于岸边的速度为：
v合=v船+v水
这类表达式，称为伽利略变换，是牛顿力学，研究相对运动问题的基本原理之一。
如果有一艘飞船，相对地面以速度v0= 0.2c（c为真空中的光速）匀速运动，从飞船上，沿飞船前进方向，射出一束光，在地面上的人看来，这束光传播的速度是否应为 v =v0+c = 1.2c 呢？
1887年迈克尔逊和莫雷在美国克利夫兰做的一项著名物理实验，结果证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的，由此否认了以太（绝对静止参考系）的存在，从而动摇了经典物理学基础，成为近代物理学的一个开端，在物理学发展史上占有十分重要的地位。
物 理 学 史
爱因斯坦假设：
①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。
②光速不变原理：在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速 c 都相同。
时间不再是绝对的，而是相对的——同时性是相对的。
闪光同时到达前后侧壁
闪光先到达后方侧壁
如果相对地面以v运动的某惯性参考系上的人，观察与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为t0，地面上的人观察该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为t，两者之间的关系为：
钟 慢 尺 缩
时间不再是绝对的，而是相对的——钟慢效应。
发出光信号：
接受光信号：
原时最短，动钟变慢
如果有一根杆，与杆相对静止的人测得杆长是l0，沿着杆的方向，以速度v相对杆运动的人测得杆长是l，那么l0与l两者之间的关系是：
钟 慢 尺 缩
空间不再是绝对的，而是相对的——尺缩效应。
物体的长度沿运动方向收缩
由上面两个式子可以知道，运动物体的长度（空间距离）和物理过程的快慢（时间进程）都跟物体运动状态有关。这个结论具有革命性的意义，它反映的时空观称作相对论时空观。
钟 慢 尺 缩
Einstein 对相对论的解释:
“当你和一个美丽的姑娘在一起坐一小时，你感觉只坐了一分钟，当你坐在火炉旁一分钟，就好象坐了一小时，这就是相对论。”
质增效应(相对质量)
钟慢效应(相对时间)
尺缩效应(相对空间)
1971年，科学家将铯原子钟放在喷气式飞机中作环球飞行，然后与地面的基准钟对照．实验结果与理论预言符合的很好．这是相对论的第一次宏观验证．
钟 慢 尺 缩
1971年铯原子钟实验
将铯原子钟放在飞机上，沿赤道向东和向西绕地球一周，回到原处后，分别比静止在地面上的钟慢59纳秒和快273纳秒。
实验验证
双生子佯谬
相对论的思想实验：有一对双生兄弟，其中一个跨上一宇宙飞船作长程太空旅行，而另一个则留在地球。结果当旅行者回到地球后，我们发现他比他留在地球的兄弟更年轻。
思考题
有一种基本粒子叫μ子，当它低速运动时，它的平均寿命是3.0μs，当μ子以0.99c的速度飞行时，若选μ子为参考系，μ子的平均寿命是多少？若以地面为参考系，μ子的平均寿命是多少？
分析：若选μ子为参考系，μ子的平均寿命为t1=3.0μs。
若以地面为参考系，μ子的平均寿命为：t2
事实上，到达地面的μ子，大多产生于距地面8km的高空，科学家们根据经典理论，可以计算出每秒到达地面的μ子个数。但这个理论数值小于实际观察到μ子个数。这是为什么呢？
原来，由于时间延缓效应，对于地面观察者看来，μ子的平均寿命，已不是3.0μs了，而是约为21μs，在这段时间内，μ子可以飞行更远的距离，更多的μ子都能飞越8km的距离到达地面。
牛顿力学的时空观
时间均匀地自行流逝，空间像广阔无边的舞台，时间和空间彼此独立、互不关联，都不影响物质及其运动。时间和空间独立与物体及其运动而存在的。这是绝对时空观，也叫牛顿力学时空观。
新的时空观
相对时空观中，时间和空间被联系在一起，它们互相联系又互相制约，物质的运动对时间和空间有一定的影响。爱因斯坦还把时间看作第四维，与三维的空间一起组成了四维时空。
新的时空观
爱因斯坦的时空观
光速
同时
时间与空间
质量
经典时空观
狭义相对论时空观
相对的
绝对的（不变）
绝对的
与运动无关
与运动无关
相对的
与运动有关
随速度增大而增大
经典力学
狭义相对论
广义相对论
量子力学
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
微观世界
强引力
新的时空观
1．在1905年爱因斯坦提出了狭义相对论理论，此理论建立的前提有两个假设条件以及在相对论理论下观察到的不同现象，如果有接近光速运动下的物体时间和空间都会发生相应的变化，下列说法中正确的是（ ） A．在不同的惯性参考系中，一切物体的规律是不同的 B．真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的 C．物体在接近光速运动时，它沿运动方向上的长度会变大 D．狭义相对论只适用于高速运动的物体，不适用于低速运动的物体
① 相对论的两个基本假设；② 物体在高速运动时，沿运动方向上长度会缩短；③ 狭义相对论既适用于高速运动的物体，也适用于低速运动的物体。
B
2. 一张正方形宣传画边长为5m，平行地贴于铁路旁边的墙上，一超高速列车以2×108m/s的速度驶过宣传画，这张画由司机测量时的宽度为______m，高度为______m。
运动方向上长度缩短：
垂直速度方向上长度不变，仍为5m。
【答案：3.7 5】
根据爱因斯坦相对论，在任何参考系中，光速不变，即光速不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变，所以甲观测到该光束的传播速度为c；
3. 如图所示，甲乘坐速度为0.9c（c为光速）的宇宙飞船追赶正前方的乙，乙的飞行速度为0.5c，乙向甲发出一束光进行联络，则甲观测到该光束的传播速度是____（选填“c”“1.4c”或“0.4c”）；若地面上的观察者和甲、乙均戴着相同的手表，且在甲、乙登上飞船前已调整一致，则三人的手表相比______（选填“甲最慢”“乙最慢”或“示数相同”）
【答案：c 甲最慢】
甲的速度越大，则时间最慢。
4. 半人马星座内的α星是离太阳系最近的恒星，它与地球间的距离约为4.3×1016m。假设有一宇宙飞船往返于地球和半人马星座内的α星之间，若宇宙飞船的速率为0.999c，则：
（1）按地球上的时钟计算，飞船往返一次需要多少时间？
（2）按飞船上的时钟计算，飞船往返一次的时间又为多少？
(1)题目中的距离和速率都是地面上的观测者得到的，因此地球上测得的时间为：
(2) 根据时间延缓效应，可以求出飞船上测得的时间是：
广义相对论
广义相对论（General Relativity） 是描述物质间引力相互作用的理论。其基础由阿尔伯特·爱因斯坦于1915年完成，1916年正式发表。这一理论首次把引力场解释成时空的弯曲。
广义相对论
广义相对论的两个基本原理：
① 等效原理：惯性力场与引力场的动力学效应是局部不可分辨的；
② 广义相对性原理：所有的物理定律在任何参考系中都取相同的形式。
太阳
水星
验证实验一：水星进动
在水星近日点的进动中，每百年43秒的剩余进动长期无法得到解释，被广义相对论完满地解释清楚了。
广义相对论
光线在引力场中的弯曲，广义相对论计算的结果比牛顿理论正好大了1倍，爱丁顿和戴森的观测队利用1919年5月29日的日全食进行观测的结果，证实了广义相对论是正确的。
验证实验二：日全食实验
广义相对论
按照广义相对论，在引力场中的时钟要变慢，因此从恒星表面射到地球上来的光线，其光谱线会发生红移，这也在很高精度上得到了证实。从此，广义相对论理论的正确性得到了广泛地承认。
验证实验三：引力红移
广义相对论
宇宙的起源和演化
思维导图
谢
谢
聆
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