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
本节教材先介绍高速运动的物体运动时牛顿力学体系不成立，并给出了质量随速度变化关系。接下来介绍从宏观到微观的变化，介绍了量子化现象。最后接绍从弱力到强力，广义相对论的基础。把这么多内容安排到一节重点不在对相对论和量子力学知道多少，而在于让学生体会任何科学都有局限性，并不是牛顿力学过时了，要理解各自成立的条件。
物理观念：解相对论，量子论的建立对人类深入认识客观世界的作用，知道物理学改变人们世界观的作用
科学思维：通过阅读教材，协作学习了解空间（长度）、时间随速度的影响，了解狭义相对论、广义相对论和量子力学跟经典力学的关系
科学探究：通过互联网对信息的收集和处理，逐步学会分析、解决问题以及提高与他人交流、合作能力
科学态度与责任：通过实例了解经典力学的发展历程，了解经典力学的伟大成就及其对人类社会发展带来的影响。从整体上了解物理学的发展历程，展望物理学的未来，形成良好的科学态度。
1、教学重点：了解经典力学的局限性和适用范围。并初步了解量子理论和相对论 2、教学难点：经典力学与量子理论和相对论的关系
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【新课导入】
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。
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？ 【新课内容】
一、经典力学的发展过程及伟大成就
1.发展过程
第一阶段： 伽利略、牛顿时代之前。人们对力学现象的研究大多直接反映在技术之中或完全融合在哲学之内，物理学就整体而言还没有成为的科学。这个阶段对力学作出突出贡献的是阿基米德。
第二阶段： 从伽利略到牛顿。是经典力学从基本要领、基本定律到建成理论体系的阶段，在这一阶段有一系列的科学家为经典力学打下重要基础。
第三阶段： 牛顿之后。经典力学又有新的发展，这一阶段主要是后人对经典力学的表述形式和应用对象进行了拓展和完善。
２.经典力学的伟大成就
⑴把人类对整个自然界的认识推进到一个新水平，牛顿从力学上证明了自然界的统一；
⑵经典力学的建立首次明确了一切自然科学理论应有的基本特征，这标志着近代理论自然科学的诞生，也成为其他各门自然科学的典范；
⑶经典力学的建立对自然科学和科技的发展、社会的进步具有深远影响：
①经典力学形成的科学研究方法的推广应用；
②经典力学与其他基础科学相结合产生了许多交叉学科，促进了自然科学的进一步发展； ③经典力学在科学技术上有广泛的应用，促进了社会文明的发展。
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，海王星和冥王星的发现就充分显示了这一点 .
二、经典时空观与相对论时空观 （一）、.经典时空观 （1）同时的绝对性 （2）时间间隔的绝对性 （3）空间距离的绝对性
时间、长度和质量这三者都与参考系的运动无关。 趣例：
①说船上的物体下落，从船上看是自由落体，从岸边看就是平抛了
②当你驾驶飞快的汽车通过一个门洞时，从你的角度来看这段距离要比实际距离短得多。这种情况在日常生活中经常被忽略不被注意是因为物体运动速度都很慢，长度收缩现象不明显。
③你现在穿的是25厘米的鞋，但在宇宙飞船上的人测得你穿的鞋的长度可能就只有20厘米了。 （二）相对论时空观: 1、两条基本假设：
（1）不同惯性参考系，物理规律相同 （2）任何惯性系，光速不变 2、狭义相对论结论： （1）同时是相对的 （2）动钟变慢 （3）动尺变短
（4）运动的物体质量变大
1900年在英国皇家学会的新年庆祝会上，著名物理学家开尔文勋爵充满自信地说:物理学的大厦已经建成，未来的物理学家只需要做些修修补补的工作就行了。
正当人们为经典物理学欢呼万岁的时候, 却出现了 一系列为经典理论无法解释的新的实验事实：
１.危机的迹象首先表现在 1887 年的迈克尔逊和莫雷的以太漂移实验的结果不符合电磁理论的要求, 随后发现有不少物质的比热不能用能量均分定理来解释.
２.X 射线的发现( 15 年)打破 了多数物理学家的自满情绪, 展示了物理学还有广阔的需要探索的未知领域.
３．放射性(16 年) 和电子(17 年) 的发现更是严重地冲击着原子不可分和元素不变的传统观念. 像一切科学一样，经典力学没有也不会穷尽一切真理，它也有自己的局限性。它像一切科学理论一样，是一部“未完成的交响曲”。那么经典力学在什么范围内适用呢?有怎样的局限性呢?
英国物理学家开尔文 把这些矛盾归结为“物理学晴朗天空中的两朵乌云” . 所谓两朵乌云指的是以太漂移问题和能量均 分问题. 他没有意识到, 正是这两朵乌云爆发出物理学的风暴, 产生了 20 世纪物理学的两大理论——相对论和量子论.
（三）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．
经典力学一般不适用于微观粒子． （四）从弱引力到强引力
万有引力属于弱引力．利用万有引力定律可以解释天体的运动，并预言和发现了海王星和冥王星，首次把天上的星体运动规律与地面物体的运动规律统一起来．
但是宇宙中有一些天体，例如白矮星，他们的质量接近太阳，半径却与地球差不多，因此密度高达108～1010kg/m3;中子星的密度更是达1016～ 1019kg/m3。这些天体表面的引力比我们常见的引力强的多，牛顿的引力理论已经不适用了。
1．行星进动
按牛顿的万有引力定律推算，行星的运动应该是一些椭圆或圆，行星沿着这些椭圆或圆做周期性运动，与实际观测结果不符．经典力学也能作出一些解释，但是，水星旋进的实际观测值比经典力学的预言值多．经典力学的解释不能令人满意．
爱因斯坦根据广义相对论计算出水星近日点的旋进还应有43’的附加值，同时还预言了光线在经过大质量的星体附近时，如经过太阳附近时会发生偏转现象．并且都被观测证实．
天体半径减小到一定程度时(太阳的引力半径为3 km，地球的引力半径为1 m,如白矮星)，天体间的引
力就趋于无穷大 ，强引力。黑洞这种极端条件下的宇宙天体。它有极强的吸引力，黑洞本身的巨大质量造成空间弯曲
2.光线弯曲
光之所以会被黑洞吸进去,是因为黑洞引力大造成空间扭曲,光随著被扭曲的空间走而进去黑洞里,大家都知道光只走直线,所以光并不是被引力吸进去的,而是光还是走直线,但空间扭曲而进到黑洞,打个比方,在纸上画一条线,把那张纸扭曲,但展开后它还是一条线。这时候，光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播，但走的已经不是直线，而是曲线。
练习：1.牛顿定律能适用于下列哪些情况？ A、研究原子中电子的运动 B、研究“神州”五号的高速发射 C、研究地球绕太阳的运动
D、研究飞机从深圳飞往北京的航线1
2.有关物体的质量与速度的关系的说法, 正确的是（ A．物体的质量与物体的运动速度无关 B．物体的质量随物体的运动速度增大而增大 C．物体的质量随物体的运动速度增大而减少 D．当物体的运动速度接近光速时，质量趋于零
）
