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课件网) 第5章 科学进步无止境 导 入 再次跨越时空的对话 物体的运动离不开时间和空间，时间和空间究竟有怎样的关系 人们对此问题的探索从未间断过。牛顿和爱因斯坦对时间和空间有着根本不同的认识，如果把他们的时空观放在一起进行比较，就如同我们再次聆听两位科学伟人之间跨越时空的“对话”。 牛顿认为，绝对的时间自身在流逝着，因其本性而在均匀地、与任何外界无关地流逝着:绝对的空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关的，永远是相同和不动的。时间和空间与物质及其运动无关，并且时间和空间是完全独立的。 爱因斯坦认为，绝对的时间和绝对的空间是不存在的，时间、空间与物质及其运动都有着密切的联系；同时，时间和空间之间也有着紧密的联系。 两位科学伟人的“对话”揭示了人类对时间和空间认识的不断深入发展的过程。爱因斯坦的时空观揭示了哪些规律 它对于人类探索宇宙有着怎样的影响 通过本章的学习，你将体会到人类对基本自然规律孜孜不倦的探索精神。 第1节 初识相对论 由伽利略和牛顿等人创立的经典力学体系，到 19 世纪末已发展为一个包括力、热声、光、电等分支的完整经典物理学体系，对人类的科学认识产生了深远的影响。 1900 年，英国物理学家开尔文踌躇满志地宣告：在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。但是在这尽善尽美之中，还有一点小小的遗憾。用开尔文的话说，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵小小的令人不安的“乌云”。 正是这两朵“乌云”引发了相对论和量子论的产生。下面我们侧重学习与相对论有关的内容。 我们知道，水波的传播要有水作为媒介，声波的传播要有空气作为媒介。经典物理学家曾认为，“以太”是光波的传播介质，这种介质绝对静止、密度极小( 几乎为0)、硬度极大、完全透明，充满宇宙空间，渗透于一切物体。若真存在“以太”，地球在“以太”的海洋中自转、公转，则一定会有“以太风”迎面扑来。因此，探索“以太风”的存在，确定地球和“以太”的相对运动，就成为 19 世纪后半叶物理学的一个重要课题。 按照经典时空观的运动合成原理，在以大小为 v1 的速度水平行驶的汽车上，有人相对于汽车以大小为 v2 的速度将一物体水平抛出。在静止于路边的观察者看来，若物体抛出时与汽车同向，则物体速度大小为 v2＋v1 ；若反向，则物体速度大小为 v2－v1 (图 5－1)。 同样道理，假设光相对“以太”的传播速度为 c，地球相对“以太”的运行速度为 v，当光速 c 与地球速度 v 的方相同时，则静止在地球上的人观测到该光的速度为 c′＝c－v；当光速 c 与地球速度 v 的方向相反时，则此人观测到该光的速度为 c′＝c＋v 。如果能通过实验测量到这种差别，就能够证明“以太”的存在。 1887 年，美国物理学家迈克尔孙 (A. Michelson，1852 —1931) 与莫雷 ( E. Morley，1838—1923)合作，进行了著名的迈克尔孙—莫雷实验。实验证明，不论地球运动的方向同光的身向一致还是相反，测出的光速都相同，在地球同设想的“以太”之间没有相对运动，找不到“以太”。这一实验没有支持“以太”说。这便是开尔文所说的在物理学睛朗天空远处的一朵令人不安的“乌云”，也反映了牛顿力学的局限性。 知道研究高速世界需要建构物理模型；知道科学推理与大胆想象的重要性；知道创新对科学进步的重要意义。 —科学思维 爱因斯坦经过不懈的探索加上非凡的抽象思维能力，最终拨开了物理学天空中令人不安的“乌云”，提出了著名的相对论 (relativity)。 他于 1905 年提出两个基本假设： 相对性原理 (principle of relativity)：所有物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式。 光速不变原理 (principle of co ... ...
