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1、6.6經 典 力 學 的 局 限 性 1905年 ， 出 生 于 德 國 的 美籍 物 理 學 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 量 和 經 過 的時 間 ， 都 隨 觀 察 者 的 參 考系 （ 特 定 觀 察 ） 而 變 化 。 1.物 體 的 質 量 與 運 動 速 度 有 關 在 經 典 力 學 中 ， 物 體 的 質 量 是 不 隨 運 動 狀 態(tài)改 變 的 。 但 是 ， 按

2、照 20世 紀 初 著 名 物 理 學 家愛 因 斯 坦 建 立 的 狹 義 相 對 論 ， 質 量 要 隨 物 體運 動 速 度 的 增 大 而 增 大 。 物 體 的 質 量 與 運 動速 度 的 關 系 是 ，式 中 m0是 物 體 靜 止 時 的 質 量 ， m是 物 體 速 度 為 v時 的 質 量 ， c是 真 空 中 的 光 速 。 2201 cvmm 可 見 ， 當 v c時 ， mm0； 當 v趨 近 于 c時 ，m趨 近 于 無 窮 大 。 因 此 ， 當 物 體 的 速 度 遠 小于 真 空 中 的 光 速 時 ， 經 典 力 學 完 全 適 用 ；當 物 體 的 速 度

3、 接 近 光 速 時 ， 經 典 力 學 就 不適 用 了 。 4.經 典 力 學 難 以 解 釋 微 觀 粒 子 的 運 動 科 學 家 們 發(fā) 現(xiàn) ， 電 子 、 質 子 、 中 子 等 微 觀 粒子 不 僅 具 有 粒 子 性 ， 同 時 還 具 有 波 動 性 ， 它 們的 運 動 在 很 多 情 況 下 不 能 用 經 典 力 學 來 說 明 。20世 紀 20 年 代 量 子 力 學 的 出 現(xiàn) ， 才 很 好 地 揭示 了 微 觀 世 界 的 基 本 規(guī) 律 。 v水 岸船 水v水 岸船 水船 岸 vvv 2.經 典 力 學 中 速 度 疊 加 原 理 不 再 成 立 設 河 流

4、 中 的 水 相 對 于 河 岸 的 速 度 為 ,船 相 對 于 水 的 速 度 為 ,則 在 經 典 力 學 中 ， 船 相 對 于 岸 的 速 度 為 這 似 乎 是 天 經 地 義 的 。 但 是 ， 這 個 關 系 式 涉 及 兩個 不 同 的 慣 性 參 考 系 ， 而 速 度 總 是 與 位 移 （ 空 間長 度 ） 及 時 間 間 隔 的 測 量 相 聯(lián) 系 。 相 對 論 認 為 ，同 一 過 程 的 位 移 和 時 間 的 測 量 在 不 同 參 考 系 中 是不 同 的 ， 因 而 上 式 不 能 成 立 。（ 矢 量 和 ） 3.兩 種 不 同 的 時 空 觀 本 節(jié)

5、教 材 在 “ 科 學 漫 步 ” 欄 目 時 間 和 空間 是 什 么 ？ 一 文 中 提 到 了 牛 頓 和 愛 因 斯 坦 的兩 種 不 同 的 時 空 觀 。 牛 頓 認 為 ： 空 間 是 獨 立 于 物 體 及 其 運 動 而存 在 的 ， 時 間 也 是 獨 立 于 物 體 及 其 運 動 而 存 在的 ， 這 是 一 種 經 典 時 空 觀 。 愛 因 斯 坦 則 認 為 ： 在 研 究 物 體 的 高 速 運 動 （ 速度 接 近 真 空 中 的 光 速 ） 時 ， 物 體 的 長 度 即 物 體 占有 的 空 間 ， 以 及 物 理 過 程 、 化 學 過 程 ， 甚 至

6、還 有生 命 過 程 的 持 續(xù) 時 間 ， 都 與 它 們 的 運 動 狀 態(tài) 有 關 ，空 間 與 時 間 不 再 與 物 體 及 其 運 動 無 關 而 獨 立 存 在 。這 是 一 種 嶄 新 的 時 空 觀 。 5.強 引 力 作 用 下 出 現(xiàn) 的 問 題 牛 頓 的 萬 有 引 力 定 律 取 得 了 巨 大 的 成 就 ， 但 在 一 些問 題 上 也 遇 到 了 困 難 。 例 如 ： 水 星 的 公 轉 軌 道 在 不 斷旋 進 （ 參 見 教 材 圖 7.6-1） ， 其 實 際 觀 察 值 要 比 經 典力 學 的 預 言 值 多 。 1915年 ， 愛 因 斯 坦 創(chuàng)

7、 立 的 廣 義 相對 論 對 此 則 能 作 出 很 好 的 解 釋 ， 同 時 還 預 言 光 線 經 過大 質 量 星 體 附 近 時 會 發(fā) 生 偏 轉 ， 且 已 被 觀 測 證 實 。 另 外 ， 根 據(jù) 牛 頓 的 理 論 ， 當 天 體 被 壓 縮 成 半 徑 幾 乎為 0的 一 個 點 時 ， 引 力 趨 于 無 窮 大 ； 而 愛 因 斯 坦 的 理論 則 認 為 ， 引 力 趨 于 無 窮 大 發(fā) 生 在 半 徑 接 近 一 個 “ 引力 半 徑 ” 的 時 候 ， 這 個 引 力 半 徑 的 值 由 天 體 的 質 量 決定 。 當 天 體 的 實 際 半 徑 接 近

8、引 力 半 徑 時 ， 由 愛 因 斯 坦和 牛 頓 引 力 理 論 計 算 出 的 力 的 差 異 急 劇 增 大 ， 在 強 引力 情 況 下 牛 頓 引 力 理 論 不 再 適 用 。 三. 狹義相對論的基本原理 相 對 時 間 0 21 tt vc 相 對 長 度 2 0 1 vL L c 相 對 質 量 0 21 mm vc Einstein 對 相 對 論 的 解 釋 : 當 你 和 一 個 漂 亮姑 娘 在 一 起 坐 一 小時 ,你 感 覺 只 坐 了 一分 鐘 ,當 你 坐 在 火 爐旁 一 分 鐘 ,就 好 象 坐了 一 小 時 ,這 就 是 相對 論 。 Albert E

9、instein世 紀 偉 人 17 世 紀 牛 頓 力 學 構 成 了 體 系 . 可 以 說 ， 這是 物 理 學 第 一 次 偉 大 的 綜 合 . 牛 頓 建 立 了 兩 個定 律 ， 一 個 是 運 動 定 律 ， 一 個 是 萬 有 引 力 定 律 ，并 發(fā) 展 了 變 量 數(shù) 學 微 積 分 ， 具 有 解 決 實 際 問 題的 能 力 . 他 開 拓 了 天 體 力 學 這 一 科 學 ， 海 王 星和 冥 王 星 的 發(fā) 現(xiàn) 就 充 分 顯 示 了 這 一 點 . 牛 頓 經 典 力 學 的 局 限 性適 用 于 低 速 ， 宏 觀 ， 弱 引 力 物 體 注 意 ： 經 典

10、力 學 的 適 用 范 圍 經 典 力 學 有 它 的 適 用 范 圍 ： 只 適 用 于 低 速 運 動 ，不 適 用 于 高 速 運 動 ； 只 適 用 于 宏 觀 世 界 ， 不 適 用 于 微觀 世 界 ； 只 適 用 于 弱 引 力 情 況 ， 不 適 用 于 強 引 力 情 況 。 （ 對 于 高 速 運 動 （ 速 度 接 近 真 空 中 的 光 速 ） ， 需 要應 用 愛 因 斯 坦 的 相 對 論 。 當 物 體 的 運 動 速 度 遠 小 于 真空 中 的 光 速 時 ， 相 對 論 物 理 學 與 經 典 物 理 學 的 結 論 沒有 區(qū) 別 。 對 于 微 觀 世 界

11、 ， 需 要 應 用 量 子 力 學 。 當 普 朗 克 常 數(shù)可 以 忽 略 不 計 時 ， 量 子 力 學 和 經 典 力 學 的 結 論 沒 有 區(qū)別 。 對 于 強 引 力 情 況 ， 需 要 應 用 愛 因 斯 坦 引 力 理 論 。 當天 體 的 實 際 半 徑 遠 大 于 它 們 的 引 力 半 徑 時 ， 愛 因 斯 坦引 力 理 論 和 牛 頓 引 力 理 論 計 算 出 的 力 的 差 異 并 不 很大 ） 。 7.牛 頓 的 科 學 方 法 本 節(jié) 教 材 在 “ 科 學 足 跡 ” 欄 目 牛 頓 的 科 學生 涯 一 文 中 總 結 了 牛 頓 的 科 學 方 法 ， 這 些科 學 方 法 值 得 我 們 借 鑒 ： 重 視 實 驗 ： 重 視 實 驗 ， 從 歸 納 入 手 ， 這 是牛 頓 科 學 方 法 論 的 基 礎 。 邏 輯 推 論 ： 為 了 歸 納 成 功 ， 不 僅 需 要 大 量的 可 靠 資 料 與 廣 博 的 知 識 ， 而 且 要 有 清 晰的 邏 輯 頭 腦 。 數(shù) 學 歸 納 ： 事 物 之 間 的 本 質 聯(lián) 系 只 有 通 過數(shù) 學 才 能 歸 納 為 能 夠 測 量 、 應 用 和 檢 驗 的公 式 和 定 律 。