高中历史 比较牛顿经典力学和爱因斯坦的相对论3
比较牛顿经典力学和爱因斯坦的相对论
（2018—2019学年河南省豫西名校高二上学期第一次联考）1846年9月23日，德国柏林天文台的天文学家发现了太阳系中第八颗行星海王星，它是唯一利用数学预测而非有计划的观测发现的行星。这一成果的取得主要得益于
A．哥白尼的日心说
B．伽利略的自由落体定律
C．爱因斯坦的相对论
D．牛顿的万有引力定律
【参考答案】D
【解题必备】牛顿力学与相对论之间的辩证关系
1．牛顿力学反映的是宏观物体低速运动的客观规律，相对论反映的是物体高速运动的客观规律，它否定了牛顿力学的绝对时空观，深刻揭示了时间和空间的本质属性。
2．相对论也发展了牛顿力学，将牛顿力学概括在相对论力学之中，相对论是对牛顿力学的继承和发展。
3．总而言之，相对论只是否定了牛顿的绝对时空观，没有否定整个牛顿力学。牛顿力学是相对论在低速状态下的一个特例，牛顿所创造的理论，至今仍指导着我们的物理学思想。。
18世纪的人类揭开了天体面纱的一个革命性的解释：自然界好像一个巨大的机械装置，按照通过观察、实验、测量和计算可予以确定的某些自然法则进行运转。人类的各门知
识都可分解为有理性的人所能发现的少量简单的、始终如一的定律。这一“解释”
A．开创了以实验为基础的近代科学
B．预见了启蒙运动发生的必然性
C．弥补经典力学对时空认识的不足
D．揭示了人类社会的发展规律
“水平伸开的一块布是平坦的，而当你在布上放置一个铅球，布面就变得弯曲了，这时再放置一个小玻璃球在布上，它就会滚向中央的铅球。同理，星球的质量使周围的时空弯曲，‘引力’实际上是一个时空被弯曲的现象。”科普作家直观比喻的是
A．经典力学
B．量子理论
C．相对论
D．自由落体定律
牛顿力学认为时间是绝对的，空间也是绝对的；爱因斯坦相对论则认为“物质告诉时空怎样弯曲，时空告诉物质怎样运动”，时间、空间和物质是一个有机整体。这表明
A．牛顿力学更加能被世人所理解
B．相对论革新了牛顿力学时空观
C．爱因斯坦相对论发展了时空观
D．爱因斯坦否定了牛顿力学理论
1．【答案】A
【解析】材料中的“揭开了天体面纱的一个革命性的解释”“按照通过观察、实验、测量和计算可予以确定的某些自然法则进行运转”等信息是指牛顿的经典力学。它是人类认识史上对自然规律的第一次理论性的概括和综合，形成了一个以实验为基础，以数学为表达形式的近代物理科学体系，标志着近代自然科学的形成。故答案为A项。B项中的“预见”说法错
误，排除；相对论弥补经典力学对时空认识的不足，排除C项；材料中没有涉及人类社会的发展规律，排除D项。
2．【答案】C
3．【答案】B
【解析】爱因斯坦的相对论发展和革新了牛顿力学的绝对时空观，故B正确；材料主旨不是说明牛顿力学是否被世人所理解的问题，故A错误；爱因斯坦相对论本身就属于时空观的范畴，它是发展了牛顿的绝对时空观，故C错误；爱因斯坦相对论是对牛顿力学理论的发展，而不是否定，故D错误。故选B。
第12章 狭义相对论
一：填空 1、以速度v 相对于地球作匀速直线运动的恒星所发射的光子，其相对于地球的速度的大小为______． C 2. 狭义相对论中，一质点的质量m 与速度v 的关系式为______________；其动能的表达式为______________． () 201c v m m -= 202c m mc E k -= 3. 当粒子的动能等于它的静止能量时，它的运动速度为____________________ /2v = 4. 匀质细棒静止时的质量为m 0，长度为l 0，当它沿棒长方向作高速的匀速直线运动时，测得它的长为l ，那么，该棒的运动速度v ＝_________，该棒所具有的动能E k ＝_______________ 。 v =222000(/1)k E mc m c m c l l =-=- 5. 已知惯性系S ＇相对于惯性系S 系以 0.5 c 的匀速度沿x 轴的负方向运动，若从S ＇系的坐标原点O ＇沿x 轴正方向发出一光波，则S 系中测得此光波在真空中的波速为________ c 二：选择 1. 一火箭的固有长度为L ，相对于地面作匀速直线运动的速度为1v ，火箭上有一个人从火箭的后端向火箭前端上的一个靶子发射一颗相对于火箭的速度为2v 的子弹．在火箭上测得子弹从射出到击中靶的时间间隔是：(c 表示真空中光速) (A) 21v v +L ． (B) 2v L ． (C) 12v v -L ． (D) 211) /(1c L v v - ． B 2. 关于同时性的以下结论中，正确的是 (A) 在一惯性系同时发生的两个事件，在另一惯性系一定不同时发生． (B) 在一惯性系不同地点同时发生的两个事件，在另一惯性系一定同时发生．
7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性 — 人教版(2019)高中物理必修第二册学案
第七章第5节相对论时空观与牛顿力学的局限性 【学习目标】 1．感受牛顿力学在高速世界与事实的矛盾，知道牛顿力学只适用于低速、宏观物体的运动。知道相对论、量子论有助于人类认识高速、微观领域。 2．知道爱因斯坦狭义相对论的基本假设，知道长度相对性和时间间隔相对性的表达式。 3．了解宇宙起源的大爆炸理论，知道科学真理是相对的，未知世界必将在人类不懈的探索中被揭开更多的谜底。 【课前预习】 一、相对论时空观 1．爱因斯坦两个假设： (1)在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是_________的; (2)真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是_________的。 2．时间延缓效应：如果相当于地面以v运动的惯性参考系上的人观察到与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为Δτ，地面上的人观察到该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为Δt， 则Δt=____________。由于1?(v c )2<1，所以总有Δt>Δτ，此种情况称为时间延缓效应。 3．长度收缩效应：如果与杆相对静止的人测得杆长是l0，沿着杆的方向，以v相对杆运动的人 测得杆长是l，则l=_________。由于1?(v c )2<1，所以总有l 篇名 愛因斯坦的相對論 作者 郭展嘉。國立虎尾高中。一年三班申建霖。國立虎尾高中。一年三班李憲昌。國立虎尾高中。一年三班 在我們的國中階段物理化學課已經學到了不少科學家與物理學家，上了高中之後，我們最常聽到的物理學家的名字就是屬於「愛因斯坦」了! 因為他的相對論造成了革命性的變化〈至今還沒有人能夠推翻他的學說〉，也是因為之前有人想解剖他的腦袋做觀察他為什麼會那麼地聰明，所以引發我們想了解他的動機；也剛好有這個小論文的機會所以我們國文老師指派了一個任務給我們班所有人，藉著這次機會我開始和組員一起開始對愛因斯坦做了更深入的研究。 貳●正文 一.愛因斯坦生平簡介 01.1902年任職於瑞士專利局，工作乏味，下班後在家中進行自已所喜 歡的研究。 02. 在他26歲時，也就是1905年，愛因斯坦共計發表了3篇論著{光電效應、分子論的布朗運動、電力學的相對論}，其中第二篇光電效應使他在1921年榮獲諾貝爾物理獎。最引人注目的是他所提出相對論的質量和能量的關係，這兩者是一體的兩面，可以互相轉換，這導致核能的實現(質量的損失可以轉變成能量)。 03. 1912年秋天愛因斯坦回瑞士母校任教，他的座右銘為「研究的目的在追求真理」，時常告誡學生不要選擇輕鬆的途徑。 04. 在一九一五年十一月四日向柏林科學院提出有名的「廣義相對論」。其中曾斷言太陽的重力場會使通過太陽附近的星光彎曲，但是平常陽光太強無法觀測。按照當時一般的看法，光既非物質點所組成，在太陽的重力場裏，光理應以直線進行，不應該受到太陽的影響。愛因斯坦不尋常的主張自然引起了爭論，幸好愛因斯坦的理論終於找到了個試驗的機會。 05. 1938年德國在希特勒統治下已經發現以中子撞擊鈾會產生核分裂 的現象。美國科學家乃上書羅斯福總統，由愛因斯坦具名簽署，信中建議展開鈾實際用途的研究，終於研製出核武器。第二次世界大戰戰後愛因斯坦倡議原子能的和平用途，阻止戰爭的再發生。為本世紀的科學巨人。〈註一〉 基础知识 1．下列说法中正确的是( ) A电和磁在以太这种介质中传播 B相对不同的参考系，光的传播速度不同 C.牛顿定律仅在惯性系中才能成立 D.时间会因相对速度的不同而改变 2．爱因斯坦相对论的提出，是物理学思想的一场重大革命，他( ) A.否定了xx的力学原理 B.提示了时间、空间并非绝对不变的属性 C.认为时间和空间是绝对不变的 D.承认了“以太”是参与电磁波传播的重要介质 3．爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设： (1)爱因斯坦的相对性原理： _______________． (2)光速不变原理： ___________________． 4．下列哪些说法符合狭义相对论的假设( ) A在不同的惯性系中，一切力学规律都是相同的 B．在不同的惯性系中，一切物理规律都是相同的 C.在不同的惯性系中，真空中的光速都是相同的 D．在不同的惯性系中，真空中的光速都是不同的 5．在一惯性系中观测，两个事件同时不同地，则在其他惯性系中观测，它们( ) A．一定同时 B．可能同时 C.不可能同时，但可能同地 D．不可能同时，也不可能同地 6．假设有一列很长的火车沿平直轨道飞快匀速前进，车厢中央有一个光源发出了一个闪光，闪光照到了车厢的前后壁，根据狭义相对论原理，下列说法中正确的是( ) A地面上的人认为闪光是同时到达两壁的 B车厢里的人认为闪光是同时到达两壁的 C．地面上的人认为闪光先到达前壁 D．车厢里的人认为闪光先到达前壁 能力测试 7．关于牛顿力学的适用范围，下列说法正确的是( ) A.适用于宏观物体 B.适用于微观物体 C.适用于高速运动的物体 D.适用于低速运动的物体 8．下列说法中正确的是( ) A.相对性原理能简单而自然的解释电磁学的问题 B.在真空中，若物体以速度v背离光源运动，则光相对物体的速度为c-v C在真空中，若光源向着观察者以速度v运动，则光相对于观察者的速度为c+v D．迈xx一xx实验得出的结果是： 不论光源与观察者做怎样的相对运动，光速都是一样的 9．地面上的 A、B两个事件同时发生，对于坐在火箭中沿两个事件发生地点连线，从A 到B方向飞行的人来说哪个事件先发生( ) A．两个事件同时发生 B．A事件先发生 C．B事件先发生 D．无法判断 10．关于电磁波，下列说法正确的是( ) 第5章 狭义相对论 习题及答案 1. 牛顿力学的时空观与相对论的时空观的根本区别是什么？二者有何联系？ 答：牛顿力学的时空观认为自然界存在着与物质运动无关的绝对空间和时间，这种空间和时间是彼此孤立的；狭义相对论的时空观认为自然界时间和空间的量度具有相对性，时间和空间的概念具有不可分割性，而且它们都与物质运动密切相关。在远小于光速的低速情况下，狭义相对论的时空观与牛顿力学的时空观趋于一致。 2. 狭义相对论的两个基本原理是什么？ 答：狭义相对论的两个基本原理是： （1）相对性原理 在所有惯性系中，物理定律都具有相同形式；（2）光速不变原理 在所有惯性系中，光在真空中的传播速度均为c ,与光源运动与否无关。 3．你是否认为在相对论中，一切都是相对的？有没有绝对性的方面？有那些方面？举例说明。 解 在相对论中，不是一切都是相对的，也有绝对性存在的方面。如，光相对于所有惯性系其速率是不变的，即是绝对的；又如，力学规律，如动量守恒定律、能量守恒定律等在所有惯性系中都是成立的，即相对于不同的惯性系力学规律不会有所不同，此也是绝对的；还有，对同时同地的两事件同时具有绝对性等。 4．设'S 系相对S 系以速度u 沿着x 正方向运动，今有两事件对S 系来说是同时发生的，问在以下两种情况中，它们对'S 系是否同时发生？ （1）两事件发生于S 系的同一地点； （2）两事件发生于S 系的不同地点。 解 由洛伦兹变化2()v t t x c γ'?=?-?知，第一种情况，0x ?=，0t ?=，故'S 系中0t '?=，即两事件同时发生；第二种情况，0x ?≠，0t ?=，故'S 系中0t '?≠，两事件不同时发生。 5-5 飞船A 中的观察者测得飞船B 正以0.4c 的速率尾随而来，一地面站测得飞船A 的速率为0.5c ，求： （1）地面站测得飞船B 的速率； （2）飞船B 测得飞船A 的速率。 解 选地面为S 系，飞船A 为S '系。 （1）'0.4,0.5x v c u c ==，2'3 41'x x x v u v c v v c += =+ （2）'0.4BA AB x v v v c =-=-=- 5.6 惯性系S ′相对另一惯性系S 沿x 轴作匀速直线运动，取两坐标原点重合时刻作为计时起点．在S 系中测得两事件的时空坐标分别为1x =6×104 m,1t =2×10-4 s ，以及2x =12×104 m,2t =1× 10-4 s ．已知在S ′系中测得该两事件同时发生．试问： (1)S ′系相对S 系的速度是多少? (2) S '系中测得的两事件的空间间隔是多少? 解: 设)(S '相对S 的速度为v ， (1) )(12 11 x c v t t -='γ 爱因斯坦和他的相对论爱因斯坦的相对论说明了什么 爱因斯坦是本世纪的一位伟大的科学家。他在统计物理学、量子理论、辐射量子理论方面作出了杰出贡献。他建立的相对论，标志着现代物理学的诞生，对物理学、现代科学技术和现代哲学思想带来了革命性的影响。列宁称他为“伟大的自然科学革新家”。 学习、思考、勤奋的一生 1879年3月14日，阿耳伯特·爱因斯坦生于德国乌尔姆一个犹太人的家庭。 爱因斯坦小时并不显得很聪明，但却很爱动脑筋。五岁时，父亲送给他一个指南针，他玩得入了迷，无论怎么颠来倒去地摆弄它，小针总是指着一个方向，他沉思着这里必然隐藏着自然界的奥秘。爱因斯坦的小学、中学是在慕尼黑上的，学习成绩并不好。他十分讨厌当时德国的教育制度，提倡死记硬背拉丁文和希腊文的文法规则，填鸭式的教育方法。他爱好独立思考，渴望探索自然界的奥秘。 爱因斯坦十五岁时，跟随父母迁居到意大利的米兰。不久又进入瑞士阿劳中学学习。这里的学风和慕尼黑市大不相同，着重培养学生的独立思考能力和工作能力，自由空气很浓，学生不必死记硬背。学校有许多小实验室，摆着许多实验仪器和标本，学生可 __地去做 实验。这样的学习环境对爱因斯坦来说真是太好了。他在这里学习了一年，取得中学毕业证书后，未经考试进入了当时中欧一带著名的大学——苏黎世工科大学师范系学习物理。 爱因斯坦在大学里也不是一个优等生。他对一些学科不感兴趣，考试成绩较差，而把全部精力都化在钻研有兴趣的数学和物理学上。他喜欢在实验室里工作，同实验直接打交道。他对当时大学物理教学内容的落后状况，对教授只讲一些应用性的物理原理，对自然现象缺乏探索精神，很不满意。爱因斯坦只得坚持勤奋的自学，来不断增长自己的科学知识。 1900年夏天，爱因斯坦大学毕业。1902年，在一位朋友的帮助下，进了伯尔尼瑞士专利局工作。他的任务是负责对申请专利权的各种发明创造提出审查意见。这一工作使他有机会能接触到许多新的思想和有趣的意见，培养了能够迅速抓住事物本质的不寻常的能力，这对他的物理思想也有重大的激励作用。他白天工作，晚上和假日研究感兴趣的物理问题。1905年，他获得了惊人的突破。一年之内，连续发表了有关布朗运动、量子理论和相对论三篇划时代的论文，这三项重大成就奠定了现代物理学的基础。这在自然科学史上是独一无二的。 第五章 狭义相对论基础 §5.1伽利略相对性原理 经典力学的时空观 一.伽利略（牛顿力学）相对性原理 对力学规律而言，所有的惯性系都是等价的或在一个惯性系中，所作的任何理学实验都不能够确定这一惯性系本身是静止状态，还是匀速直线运动。 力学中不存在绝对静止的概念，不存在一个绝对静止优越的惯性系。 二.伽利略坐标变换式 经典力学时空观 设当O 与O '重合时0t t ='=作为记 时的起点 同一事件：K 系中)t ,z ,y ,x ( K '系中)t ,z ,y ,x ('''' 按经典观念：???????='='='-='t t z z y y vt x x 或???? ???' ='='=' +'=t t z z y y t v x x ??? ??'='=+'=?????='='-='?'='=z z y y x x z z y y x x u u u u v u u u u u u v u u t d dt ,t t 或Θ 所谓绝对时空： 1、时间：时间间隔的绝对性与同时的绝对性，即t t ,t t ='?='?。时间是与参照系无 关的不变量。 2、空间：若有一把尺子，两端坐标分别为 K 中：)t ,z ,y ,x (P ),t ,z ,y ,x (P 22221111 K '中：) t ,z ,y ,x (P ),t ,z ,y ,x (P 22221111''''''''' 有222222z y x r ,z y x r '?+'?+'?='??+?+?=? 由,t t =' 得r r '?=?，即：长度（空间间隔）是与参照系无关的不变量或长度（空间间 隔）的绝对性。 a a ρρ='即?????='='='z z y y x x a a a a a a 且认为m m ,F F ='='ρ ρ 因此：在K '中，有a m F ''='ρρ，得K 中a m F ρρ= 由牛顿的绝对时空以及“绝对质量”的概念，得到牛顿相对性原理。 总结：牛顿定律在所有惯性系都具有相同的表述形式，即牛顿定律在伽利略变换下是协变的，牛顿力学符合力学相对性原理。 §5.2狭义相对论基本原理与光速不变 一.引子：相对论主要是关于时空的理论 局限于惯性参考系的理论称为狭义相对论，推广到一般参考系和包括引力场在内的理论称为广义相对论。 牛顿力学的困难： 例子：○ 1打排球，发点球 ○2超新星爆发过程中光线传播引起的疑问，如“蟹状星云”有较为祥实的记载。“客 星”最初出现于公元1054年，历时23天，往后慢慢暗下来，直到1056年才隐没。 按牛顿观点： 1500v ?km.s -1 5000l ?光年 会持续25年，能看到超新星开始爆发时发出的强光，其实不然 ○ 3电动力学的例子 第5章 狭义相对论 习题及答案 1. 牛顿力学的时空观与相对论的时空观的根本区别是什么？二者有何联系？ 答：牛顿力学的时空观认为自然界存在着与物质运动无关的绝对空间和时间，这种空间和时间是彼此孤立的；狭义相对论的时空观认为自然界时间和空间的量度具有相对性，时间和空间的概念具有不可分割性，而且它们都与物质运动密切相关。在远小于光速的低速情况下，狭义相对论的时空观与牛顿力学的时空观趋于一致。 2.狭义相对论的两个基本原理是什么？ 答：狭义相对论的两个基本原理是： （1）相对性原理 在所有惯性系中，物理定律都具有相同形式；（2）光速不变原理 在所有惯性系中，光在真空中的传播速度均为c ,与光源运动与否无关。 3．你是否认为在相对论中，一切都是相对的？有没有绝对性的方面？有那些方面？举例说明。 解 在相对论中，不是一切都是相对的，也有绝对性存在的方面。如，光相对于所有惯性系其速率是不变的，即是绝对的；又如，力学规律，如动量守恒定律、能量守恒定律等在所有惯性系中都是成立的，即相对于不同的惯性系力学规律不会有所不同，此也是绝对的；还有，对同时同地的两事件同时具有绝对性等。 4．设'S 系相对S 系以速度u 沿着x 正方向运动，今有两事件对S 系来说是同时发生的，问在以下两种情况中，它们对'S 系是否同时发生？ （1）两事件发生于S 系的同一地点； （2）两事件发生于S 系的不同地点。 解 由洛伦兹变化2()v t t x c γ'?=?- ?知，第一种情况，0x ?=，0t ?=，故'S 系中0t '?=，即两事件同时发生；第二种情况，0x ?≠，0t ?=，故'S 系中0t '?≠，两事件不同时发生。 5-5 飞船A 中的观察者测得飞船B 正以0.4c 的速率尾随而来，一地面站测得飞船A 的速率为0.5c ，求： （1）地面站测得飞船B 的速率； （2）飞船B 测得飞船A 的速率。 解 选地面为S 系，飞船A 为S '系。 （1）'0.4,0.5x v c u c ==，2'341'x x x v u v c v v c +==+ （2）'0.4BA AB x v v v c =-=-=- 5.6 惯性系S ′相对另一惯性系S 沿x 轴作匀速直线运动，取两坐标原点重合时刻作为计时起点．在S 系中测得两事件的时空坐标分别为1x =6×104m,1t =2×10-4s ，以及2x =12×104 m,2t =1×10-4 s ．已知在S ′系中测得该两事件同时发生．试问： (1)S ′系相对S 系的速度是多少? (2)S '系中测得的两事件的空间间隔是多少? 解: 设)(S '相对S 的速度为v ， (1) )(12 11x c v t t -='γ 爱因斯坦讲的相对论的故事读后感 导读：爱因斯坦讲的相对论的故事读后感1 同学们，你们都知道伟大的物理学家爱因斯坦吧！那肯定也听说过他那伟大的相对论理论。众所周知，相对论是由伟大的科学家爱因斯坦创立的，分成广义相对论和狭义相对论。 而相对论是关于时空和引力的基本理论，在大学的物理学科才有所涉及，那些深奥的理论是不是已经让你望而却步了呢？别，请走上前来，看看这本书——云南教育出版社出版的《爱因斯坦讲的相对论的故事》，跟伟大的爱因斯坦一起走上“相对论”的旅途吧！ 记得小学一年级时，一位老师告诉过我，按照相对论，如果人类能够发明比光还快的机器就能够穿越时空，回到古代社会。如果找到虫洞，并且能够放大、移动虫洞的位置，就可以去往未来。多么神奇！ 一直以来，我就对相对论很感兴趣。可惜，妈妈帮我找到的资料都很难懂，不过这本书可非常有趣，让我爱不释手。因为深入浅出是这本书的特色，高深的理论知识在一个个简单常见的例子中变得简单明了，虫洞、黑洞、时间机器等不再是一个个枯燥无味的词语。即使你是一个物理零基础的孩子，只要用心读这本书。相信它也会让你“赖”上物理，爱上科学！ 这本书分成九课，都是以爱因斯坦为主讲老师，给孩子讲课的形式来给我们传播知识的。 分别是第一课什么是速度？ 第二课光的速度不会变？ 第三课能够到达未来吗？ 第四课对于运动中的人来说，距离变短了。 运动会使物体的重量发生变化。 宇宙是什么样的呢？ 地球拉住了布娃娃。 重力使光线变得弯曲。 能够吸引一切的黑洞。其中我最感兴趣的是第九课，因为读了这一章节之后，我解开了一直藏在心里的谜团——为什么地球没有被虫洞吸进去。 这是因为：重力越大吸引力也越大，黑洞是一个拥有巨大重力的天体，到了黑洞附近，任何物体都逃脱不了它那强大的吸引力。那么为什么地球还依然存在呢？因为，虽然宇宙里有很多黑洞，但是那些黑洞只能吸引一定距离内的物体，距离越远，黑洞的引力就越小。也就是说，地球是位于黑洞的边界线之外，所以它不会被黑洞吸进去。哈哈，可真有趣。 爱因斯坦说过：学习知识要善于思考，思考，再思考。我就是靠这个方法成为科学家的。我们小学生也要通过阅读，思考，让自己有更多的收获。即使不能成为科学家，也可以丰富自己的学识，让有趣的科学知识伴我们成长。大家一起来读书吧！ 爱因斯坦讲的相对论的故事读后感2 第18卷第2期 荆州师专学报(自然科学版)Vo l.18N o.21995年4月Jo urnal of Jingzhou T eacher s Co lleg e(N atur al Science)A pr.1995收稿日期:1994狭义相对论中加速度a 与力f 的关系 阳荣华 程庆华 (荆门市竹园中学) (物理系) 摘要 本文针对关于狭义相对论中加速度a 与力f 的方向关系的一些讨论[1], 采用更为直观、简单的方法,同样得出了加速度a 与力f 的方向关系的普适结果;并通过典型例子较全面地讨论和描述了加速度a 和力f 的方向和大小的相互关系,揭示了在狭义相对论和经典力学中a 与f 相互关系的不同;并讨论了在v /c →0时它们的一致性,从一个侧面说明了经典力学的局限性。 关键词 四维矢量;洛仑兹变换;协变 1 引言 众所周知,在洛仑兹变换下,牛顿力学定律不能保持协变性。由牛顿第二定律f =m a 可以看出,在经典情况下,f 与a 方向一致,a 与f 大小成正比。在狭义相对论中,力f 与加速度a 的方向、大小关系如何呢?本文从狭义相对论基本方程出发,采用直观、简单的方法,较全面地讨论了狭义相对论中f 与a 的关系。 2 相对论的基本方程 静止质量为m 0,相对于参考系速度为u 的质点,其四维速度矢量为[2]: U = u (u ,ic ) (1)其四维加速度矢量为: A =d U d ={ u 2a +1c 2 u 4u(u ?a )},1c i u 4(u ?a )(2)其四维动量为[2]: P =m 0U =m 0 u (u ,ic )=(P ,ic u m 0) (3) 质点所受的四维力为[2]: K = d P d = (dp t ,i c d E d t )= u (f,i c f ?u)(4)狭义相对论的基本方程为[3]: K =dP /d =m 0A (5)将(2)、(4)两式代入(5)式可得: f= u m 0a +1c 2 3u m 0 (u ?a )u (6)其中 u =(1-u 2/c 2)-1/2,a =du /d t 为三维加速度,P =m 0 u u 为三维动量,f 为三维力。 7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 学案 1．了解牛顿力学时空观，初步了解相对论时空观。 2．了解时间延缓效应和长度收缩效应。 3．认识牛顿力学的成就和局限性。 1.相对论时空观 (1)绝对时空观：时间与空间都是□01独立于物体及其运动而存在的，也叫□ 02牛顿力学时空观。 (2)爱因斯坦的两个假设：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是□ 03相同的；真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是□ 04相同的。 (3)同时的相对性：根据爱因斯坦的假设，如果两个事件在一个参考系中是同时的，但在另一个参考系中□ 05不一定是同时的。 (4)爱因斯坦假设的结果 ①时间延缓效应 如果相对于地面以v 运动的惯性参考系上的人观察到与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为Δτ，地面上的人观察到该物体在同一地点完成这个动作 的时间间隔为Δt ，那么两者之间的关系是Δt ＝□06Δτ 1－? ????v c 2，由于1－? ????v c 2<1，所以总有Δt □ 07>Δτ。 ②长度收缩效应 如果与杆相对静止的人测得杆长是l 0，沿着杆的方向，以v 相对杆运动的人测 得杆长是l ，那么两者之间的关系是l ＝□ 08l 0 1－? ????v c 2，由于1－? ?? ??v c 2<1，所以总有l □ 09 2．牛顿力学的成就与局限性 (1)牛顿力学的成就 牛顿力学的基础是□11牛顿运动定律。牛顿力学在□12宏观、□13低速的广阔领域里与实际相符，显示了牛顿运动定律的正确性和牛顿力学的魅力。 (2)牛顿力学的局限性 ①物体在以接近□14光速运动时所遵从的规律，有些是与牛顿力学的结论并不相同的。 ②电子、质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性，同时还具有□15波动性，它 们的运动规律在很多情况下不能用牛顿力学来说明，而□16量子力学能够很好地描述微观粒子运动的规律。 ③基于实验检验的牛顿力学不会被新的科学成就所否定，而是作为某些条件 下的□17特殊情形，被包括在新的科学成就之中。当物体的运动速度□18远小于光速c时，□19相对论物理学与牛顿力学的结论没有区别；当另一个重要常数即普朗克常量h可以忽略不计时，□20量子力学和牛顿力学的结论没有区别。相对论与量 子力学都没有否定过去的科学，而只认为过去的科学是自己在□21一定条件下的特殊情形。 判一判 (1)原子的运动能用牛顿力学描述。() (2)长度收缩效应是指物体的实际长度变短了。() 提示：(1)×原子是微观粒子，不能用牛顿力学描述，要用量子力学描述。 (2)×长度收缩效应是因为相对运动引起的观测效应，实际长度不变。 想一想 洲际导弹的飞行速度可达6000 m/s，地球绕太阳公转的速度是3×104 m/s，这两个速度在相对论中属于高速还是低速？ 提示：相对论中的高速是可以与光速相比拟的速度，6000 m/s、3×104 m/s的速度都远远小于光速，都属于相对论中的低速。 课堂任务相对论时空观 ON THE ELECTRODYNAMICS OF MOVING BODIES By A. Einstein June 30, 1905 It is known that Maxwell's electrodynamics--as usually understood at the present time--when applied to moving bodies, leads to asymmetries which do not appear to be inherent in the phenomena. Take, for example, the reciprocal electrodynamic action of a magnet and a conductor. The observable phenomenon here depends only on the relative motion of the conductor and the magnet, whereas the customary view draws a sharp distinction between the two cases in which either the one or the other of these bodies is in motion. For if the magnet is in motion and the conductor at rest, there arises in the neighbourhood of the magnet an electric field with a certain definite energy, producing a current at the places where parts of the conductor are situated. But if the magnet is stationary and the conductor in motion, no electric field arises in the neighbourhood of the magnet. In the conductor, however, we find an electromotive force, to which in itself there is no corresponding energy, but which gives rise--assuming equality of relative motion in the two cases discussed--to electric currents of the same path and intensity as those produced by the electric forces in the former case. Examples of this sort, together with the unsuccessful attempts to discover any motion of the earth relatively to the ``light medium,'' suggest that the phenomena of electrodynamics as well as of mechanics possess no properties corresponding to the idea of absolute rest. They suggest rather that, as has already been shown to the first order of small quantities, the same laws of electrodynamics and optics will be valid for all frames of reference for which the equations of mechanics hold good.1 We will raise this conjecture (the purport of which will hereafter be called the ``Principle of Relativity'') to the status of a postulate, and also introduce another postulate, which is only apparently irreconcilable with the former, namely, that light is always propagated in empty space with a definite velocity c which is independent of the state of 第五章狭义相对论基础 内容： 1．经典力学的时空观；迈克耳逊–莫雷实验，长度收缩，时间延缓，同时的相对性，狭义相对论的时空观。质量与速度的关系；相对论动力学基本方程；相对论动量和能量。 2．狭义相对论的基本原理； 3．洛仑兹坐标变换式； 4．相对运动； 重点与难点： 1．经典力学的时空观 2．迈克耳逊–莫雷实验。 3．狭义相对论的基本原理； 3．质量与速度的关系； 4．相对论动量和能量。 5．相对论动力学基本方程 要求： 1．了解爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设。 2．了解洛伦兹坐标变换。了解狭义相对论中同时的相对性以及长度收缩和时间延缓。了解 伽利略的绝对时空观和爱因斯坦狭义相对论的时空观及其二者的差异。 3．理解狭义相对论中质量和速度的关系、质量和能量的关系。 相对论包括狭义相对论和广义相对论两部分内容．狭义相对论提出了新的时空观，建立了物体高速运动所遵循的规律，揭示了时间和空间、质量和能量的内在联系．广义相对论提出了新的引力理论，开始了有关引力本质的探索．本章仅介绍狭义相对论的运动学以及相对论动力学的主要结论． §5-1 伽利略变换与力学相对性原理 为了理解相对论时空观的变革，首先回顾一下牛顿力学的时空观． 一、伽利略变换与绝对时空观 要描述某一个事件，应该说明事件发生的地点和时间．这就需要确定一个参考系，并在其中使用一定的尺和钟，用以确定事件发生的空间坐标和时间坐标，即用x、y、z来表示事件发生的空间位置，用t来表示事件发生的时刻． 设有分别固定在两个惯性参考系上的两个直角坐标系S和S'，如图5-1所示，相应的坐标轴相互平行，S'系相对于S系以恒定速度v沿x轴正方向运动．现在要讨论的问题是：如果在S系上的观测者测得某一事件P发生的位置和时刻分别为x、y、z和t，而在S'系上观测者测得同一事件P发生的位置和时刻分别为x'、y'、z'和t'，那么x、y、z、t 和x'、y'、z'、t'之间的关系如何呢？ 牛顿经典力学 牛顿经典力学认为质量和能量各自独立存在，且各自守恒，它只适用于物体运动速度远小于光速的范围。牛顿 力学较多采用直观的几何方法，在解决简单的力学问题 时，比分析力学方便简单。 广义相对论 广义相对论（General Relativity?），是爱因斯坦于1915年以几何语言建立而成的引力理论，统合了狭义相对论和牛顿的万有引力定律，将引力改描述成因时空中的物质与能量而弯曲的时空，以取代传统对于引力是一种力的看法。 广义相对论的相对性原理：所有非惯性系和有引力场存在的惯性系对于描述物理现象都是等价的。 爱因斯坦狭义相对论 相对论是20世纪物理学史上最重大的成就之一，它包括狭义相对论和广义相对论两个部分，狭义相对论颠复了从牛顿以来形成的时空概念，提示了时间与空间的统一性和相对性，建立了新的时空观。广义相对论把相对原理推广到非惯性参照系和弯曲空间，从而建立了新的引力理论。在相对论的建立过程中，爱因斯坦起了主要的作用。 物理经典力学和爱因斯坦的相对论有什么区别物理经典力学是牛顿时期的力学那时候的坐标系是忽略时间的,只有空间 爱因斯坦的相对论时期是考虑了时间的是时间和空间都考虑的 相对论与经典力学的区别与联系。 可以这样高度总结地来看： 经典力学是狭义相对论在低速（v< 爱因斯坦创建狭义相对论的思想启示 12级物理一班段延波1207020016 在《物理学史》6.2节，我们学习了爱因斯坦创建狭义相对论的经过。而在爱因斯坦创建狭义相对论的过程中，最令我在意的还是爱因斯坦的思想发展，所以，我查阅了文献资料，研究学习了爱因斯坦在创建狭义相对论的过程中的思想，特在此进行简短阐述。 一、善于提问与不畏权威 阿尔伯特爱因斯坦小时候并不写的才华出众，直到五岁话还说不清楚，曾被医生认为发育不正常，不过他很爱思考，总是像大人盘问“为什么？”有强烈的求知欲和好奇心。例如四五岁时就对罗盘发生过浓厚兴趣，“为什么罗盘的指针总是指向南北，这里一定有什么东西深刻的隐藏在事物后面”爱因斯坦后来回忆时这么说。12岁时他对几何定理的神奇也深有触动。例如他曾想到，“三角形的三个高交于一点，虽然不是显而易见，却可以可靠地加以证明，以至于任何怀疑似乎不可能”他说“这种明晰性和可靠性给我造成了一种难以形容的印象。” 正是源于这种对世界和学问的好奇与质疑, 促使爱因斯坦如饥似渴地读书, 天马行空地思考问题。 爱因斯坦不喜欢当年德国的教育制度，中学没有毕业就退学在家自学，16岁通过自学掌握了微积分，在爱因斯坦的学习阶段，15岁的爱因斯坦放弃德国国籍，居家迁居意大利，后只身到瑞典的苏黎世，目的是上那里的联邦工业大学，却因不善记忆而没有录取，后来转学到阿劳（Aaeau）中学补习功课。他在自述中写道，“这所学校以他的自由精神和那些毫不依赖外界权威的教师们的淳朴热情，给我留下了难忘的印象”。 “在阿劳这一年中，我想到这样一个问题：倘若一个人以光速跟着光波跑，那么它就处在一个不随时间而改变的波场，但看来不会有，样的事情！这是从狭义相对论有关的第一个朴素的思想实验。”[ 3] 正是这种对事物的好奇和对人类已有知识的质疑, 造就了爱因斯坦, 成为他不断追求科学创新的内在动力, 引导他提出和解决前人不可能提出和解决的问题。 南京航空航天大学 课程名称：自然辩证法 论文题目：爱因斯坦的相对论及其哲学思想 学生姓名：陆想想 班级学号：SX1203225 学科名称：生物医学工程 2012年12月22日 爱因斯坦的相对论及其哲学思想 陆想想 （南京航空航天大学生物医学工程系，江苏省南京市 210016） 摘要：在物理学的发展史上，曾经出现电磁场理论与牛顿力学经典理论相矛盾的情况，众多物理学家坚持牛顿力学是权威，不可能有错，爱因斯坦则选择修改牛顿力学，最终导致相对论的产生。本文介绍了爱因斯坦创立狭义相对论的历史背景，阐述了相对论的历史意义，以及相对论所展现的哲学思想。 关键词：爱因斯坦；相对论；哲学； 0引言 19世纪下半期，麦克斯韦的电磁场理论(包括光波是电磁波的理论)在实验上得到了确认。当时，在物理学家的思想方法中，力学观点占有统治地位。因而一般认为电磁波(或光波)只有在介质中才能传播，并给传播电磁波（或光波）的介质取名为“以太”。但是以太的引入却使电磁场理论和相对性原 理之间出现了不可弥补的裂缝：力学相对性原理指出,所有的惯性系都是平权的；但是对引进了以太以后的电磁场理论来讲以太惯性系却是一个优越的 惯性系。如何解决相对性原理和电磁场理论之间存在的矛盾，物理学家们进行了积极的探索。 1相对论的创立 1.1物理学发展出现矛盾 1687年，牛顿的绝对时空与运动理论发表，牛顿力学以及伽利略变换统治了物理学两个多世纪。1864年，麦克斯韦建立了统一的电磁场理论——麦克斯韦方程组，由电磁场理论预言了电磁波的存在，并认为光波也是电磁波，提出了光的电磁学说，统一了电磁学和光学。1887年赫兹用实验证实了电磁波的存在，麦克斯韦电磁场理论取得了巨大成功。然而，电磁场的一些规律与牛顿力学理论相矛盾。此时，统治了两个多世纪的牛顿力学与伽利略变换遇到了困难。科学家们纷纷寻求解决困难的方法。 1.2拯救“以太”之路失败 大部分科学家认为，存在一种适用于力学但不适用于电动力学的相对性原理，在电动力学里存在着一个优越的惯性系，即“以太参考系”。相对于以太静止的参照系就是一种较之其它参照系具有 特殊优越性的“绝对参照系”，它对应着牛顿所讲的“绝对空间”。因此，为了拯救“以太”，科学家们进行了一系列探索研究。对双星现象、光行差现象的观察、分析以及斐索实验、迈克尔逊—莫雷实验，得到的结果是否定的，即以太参考系并不存在。 1.3爱因斯坦另辟蹊径 爱因斯坦则要通过修改牛顿力学，以一个既满足力学又满足电动力学的相对性原理来解决矛盾，这样一套理论就是狭义相对论。爱因斯坦在这个理论中，抛弃了以太，抛弃了绝对空间和绝对时间，从根本上改造了经典物理学，建立了一个新的物理学体系。爱因斯坦选择的是一条令其他物理学家望而生畏的道路。在19世纪末，几乎所有物理学家都认为，牛顿力学经受了几百年的考验，已成为全部物理学甚至是整个自然科学的基础，其正确是不容怀疑的。但是爱因斯坦恰恰就敢于把与旧时空观不相容的两个基本假设（相对性原理和光速不变原理）作为新理论的出发点，这充分表明爱因斯坦在科学探索中不迷信权威、敢于创新的精神。也可以说，爱因斯坦选择的是一条反传统的道路。 1.4狭义相对论的创立 1905年9月，爱因斯坦发表了《论动体的电动 力学》论文，标志着爱因斯坦创立了狭义相对论，使电磁场理论和经典力学得到了统一，开创了物理学的新纪元。 对牛顿力学成立的伽利略变换，在电磁学理论中不成立的原因，爱因斯坦认为是牛顿的绝对时间、绝对空间有问题。而且，爱因斯坦认为解决问题的关键是更改时间和同时性的定义。爱因斯坦明确地确定了时间和同时性的定义[1]。 爱因斯坦指出：“借助于某些（假想的）物理经验，对于静止在不同地方的各只钟，规定了什么叫做它们是同步的，从而显然也就获得了‘同时’和‘时间’的定义。一个事件的‘时间’，就是在这事件发生地点静止的一只钟同该事件同时的一 3狭义相对论 3.1狭义相对论基本假设 1. 有下列几种说法： (1) 所有惯性系对物理基本规律都是等价的． (2) 在真空中，光的速度与光的频率、光源的运动状态无关． (3)在任何惯性系中，光在真空中沿任何方向的传播速率都相同． 若问其中哪些说法是正确的, 答案是 (A) 只有(1)、(2)是正确的． (B) 只有(1)、(3)是正确的． (C) 只有(2)、(3)是正确的． (D) 三种说法都是正确的． 答案：(D) 参考解答： 光速不变原理和相对性原理是爱因斯坦在创立狭义相对论时提出的两大基本假设。光速不变原理：在真空中的任何惯性参考系上，光沿任意方向的传播速度都是C；相对性原理：所有物理规律在所有不同惯性参考系中的形式都相同。 所有选择，均给出参考解答，进入下一题。 3.2狭义相对论时空观 1. 在狭义相对论中，下列说法中哪些是正确的？ (1) 一切运动物体相对于观察者的速度都不能大于真空中的光速． (2) 质量、长度、时间的测量结果都是随物体与观察者的相对运动状态而改变的． (3) 在一惯性系中发生于同一时刻，不同地点的两个事件在其他一切惯性系中也是同时发生的． (4)惯性系中的观察者观察一个与他作匀速相对运动的时钟时，会看到这时钟比与他相对静止的相同的时钟走得慢些． (A) (1)，(3)，(4)．(B) (1)，(2)，(4)． (C) (1)，(2)，(3)．(D) (2)，(3)，(4)． 答案：(B) 参考解答： 在狭义相对论中，根据洛仑兹变换物体运动速度有上限，即不能大于真空中的光速；质量、长度、时间都是相对的，其测量结果取决于物体与观察者的相对运动状态，有动尺收缩和运钟膨胀的相对论效应。 对于所有选择，均给出以下思考题。 1.1相对论的时间和空间概念与牛顿力学的有何不同？有何联系？ 参考解答： 牛顿力学时空观的基本观点是，长度和时间的测量与运动（或说与参考系）无关；而相对论时空观的基本观点是，长度和时间的测量不仅与运动有关，还与物质分布有关。 牛顿力学时空概念是相对论时空观在低速（即运动速度远远小于光速）时的爱因斯坦的相对论
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