人教版必修二物理-6.6-經(jīng)典力學的局限性-20200416PPT課件

1、經(jīng)典力學經(jīng)典力學 （牛頓力學）（牛頓力學） 靜力學（描述靜止物體）靜力學（描述靜止物體） 運動學（描述物體運動）運動學（描述物體運動） 動力學（描述物體受力作動力學（描述物體受力作 用下的運動）用下的運動） 1 2 3 6 經(jīng)典力學的局限性 4 靜力學靜力學(描述靜止物體描述靜止物體) 運動學運動學(描述物體運動描述物體運動) 動力學動力學(描述物體受力作描述物體受力作 用下的運動用下的運動) 經(jīng)典力學經(jīng)典力學 (牛頓力學牛頓力學) 經(jīng)典力學模塊分類 5 牛頓 伽利略、第谷 哥白尼、亞里士多德 笛卡爾、胡 克、哈雷等 牛頓所說:如果說我看得遠,那是因為我站在 巨人們的肩上。 經(jīng) 典 力 學 金

2、 字 塔 的 建 立 開普勒 萬有引力定律 牛頓三大定律 6 經(jīng)典力學的基礎(chǔ)是經(jīng)典力學的基礎(chǔ)是牛頓運動定律牛頓運動定律, 萬有引力定律萬有引力定律更確立了牛頓的地位更確立了牛頓的地位,牛牛 頓運動定律和萬有引力定律在頓運動定律和萬有引力定律在宏觀、低宏觀、低 速、弱引力速、弱引力的廣闊領(lǐng)域的廣闊領(lǐng)域,經(jīng)受實踐檢驗。經(jīng)受實踐檢驗。 由牛頓力學定律導出的動量守恒定由牛頓力學定律導出的動量守恒定 律、機械能守恒律等是航空航天技術(shù)理律、機械能守恒律等是航空航天技術(shù)理 論的基礎(chǔ)?；鸺?、人造地球衛(wèi)星、航天論的基礎(chǔ)?；鸺?、人造地球衛(wèi)星、航天 飛機、宇宙飛船、行星探測器等航天器飛機、宇宙飛船、行星探測器等航天

3、器 的發(fā)射的發(fā)射,都是牛頓力學規(guī)律的應(yīng)用范都是牛頓力學規(guī)律的應(yīng)用范 例例 7 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(zhì)量和經(jīng) 過的時間,都隨觀 察者的參考系(特 定觀察)而變化。 8 牛頓建立的經(jīng)典力學已相當完善,愛因斯 坦為什么還要提出相對論。相對論是否 全盤否定了牛頓的經(jīng)典力學理論? 經(jīng)典力學的局限性和適用范圍? 9 經(jīng)典力學中的空間和時間 力學的目的在于描述物體在空間中的位 置如何隨時間而改變。 這里,位置和空間應(yīng)如何理解是不清 楚的。設(shè)一架飛機正在

4、勻速地行駛,從飛機上 投下一枚炸彈。那么,如果不計空氣阻力的影 響,飛行員看見炸彈是沿直線落下的。從地面 上觀察這一舉動的行人則看到炸彈是沿拋物 線落到地面上的。 一、對牛頓運動定律受參考系限制的認識 10 借助于這一實例可以清楚地知道不會 有獨立存在的軌線(路程曲線);而 只有相對于特定的參考物體的軌線。 可見,在非慣性系中,牛頓定律不再成立。 現(xiàn)在問:炸彈所經(jīng)過的各個位置是的確 在一條直線上,還是在一條拋物線上的呢? 經(jīng)典力學(牛頓運動定律)在慣 性系中成立(適用)。 11 二、經(jīng)典力學受速度限制的分析 在經(jīng)典力學中,物體的質(zhì)量是不隨運動狀態(tài)改 變的。但是,按照20世紀初著名物理學家愛因斯

5、坦 建立的狹義相對論,質(zhì)量要隨物體運動速度的增大 而增大。物體的質(zhì)量與運動速度的關(guān)系: 式中m0是物體靜止時的質(zhì)量,m是物體速度 為v時的質(zhì)量,c是真空中的光速 。 0 2 2 1 m m v c 12 可見,當vc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(jīng)典 力學完全適用;當物體的速度接近光 速時,經(jīng)典力學就不適用了。 0 2 2 1 m m v c 經(jīng)典力學(牛頓運動定律)在低速運動的 物體(低速世界)中成立(適用)。 13 水岸船水船岸 vvv 設(shè)河流中的水相對于河岸的速度為v水岸, 船相對于水的速度為v船水,則在經(jīng)典力學中, 船相對于岸的

6、速度為： 這似乎是天經(jīng)地義的。但是,這個關(guān)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) 當一些問題牛頓解釋不了時,它就只好用上帝的萬能來解 釋,為此牛頓花費了后半生的心血,這正是牛頓的悲劇。 14 不敢相信圖中的橫線是平行的,不過它就是平行的 15 兩個位于中心的圓哪個大?其實一樣大的! 16 三、經(jīng)典力學在分析宏觀與微觀的困難 第二次革命的導火索是物理學史上的三大發(fā)現(xiàn):倫琴發(fā)現(xiàn) X射線、湯姆生發(fā)現(xiàn)電子 、貝克勒耳發(fā)現(xiàn)天然放射線,使 物理學的研究從宏觀領(lǐng)域進

7、入了微觀世界。人們發(fā)現(xiàn),微 觀粒子所表現(xiàn)出的現(xiàn)象用經(jīng)典物理理論根本無法解釋。 倫琴發(fā)現(xiàn)X射線 湯姆生發(fā)現(xiàn)電子 貝克勒耳發(fā)現(xiàn) 天然放射線 宏觀領(lǐng)域宏觀領(lǐng)域 微觀世界微觀世界 17 經(jīng)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(zhì)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(jīng)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。 經(jīng)典力學(牛頓 運動定律)在宏 觀世界中成立 (適用),微觀世 界不適用。 普朗克創(chuàng)立 量子力學 18 四、兩種不同的時空觀 科學漫步欄目中提到了牛頓和愛因斯坦的 兩種不同的時空觀。 牛頓認為

8、: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(jīng)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,甚至還有生命過程的 持續(xù)時間,都與它們的運動狀態(tài)有關(guān),空間與時間不 再與物體及其運動無關(guān)而獨立存在。這是一種嶄 新的時空觀。 19 (一)經(jīng)典時空觀(絕對時空觀) (1)同時的絕對性 (2)時間間隔的絕對性 (3)空間距離的絕對性 時間、長度和質(zhì)量這三者都與參 考系的運動無關(guān)。 20 (二)相對論時空觀 (1)同時是相對的 (3)動尺變短 (4)運動的物體質(zhì)量變大 (1)不同慣性

9、參考系,物理規(guī)律相同 1、兩條基本假設(shè) (2)任何慣性系,光速不變 2、狹義相對論結(jié)論 (2)動鐘變慢 時間、長度和 質(zhì)量這三者都 與參考系的運 動有關(guān)。 21 愛因斯坦愛因斯坦 相對質(zhì)量相對質(zhì)量 相對時間相對時間 相對空間相對空間 狹義相對狹義相對 論論 22 經(jīng)典時空觀 狹義相對論時空觀 光速 同時 時間與 空間 質(zhì)量 相對的，速度可以疊加 絕對的(不變) 絕對的 與運動無關(guān), 絕對的 與運動無關(guān), 不變的 相對的 與運動有關(guān), 相對的 隨速度增加而增大 經(jīng)典時空觀與相對論時空觀 23 五、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

10、的公轉(zhuǎn)軌道在不斷 旋進,其實際觀察值要比經(jīng)典力學的預言值多。1915年, 愛因斯坦創(chuàng)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(jīng)過大質(zhì)量星體附近時會發(fā)生偏轉(zhuǎn),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(zhì)量決定。當天體 的實際半徑接近引力半徑時,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。 牛頓運動定律只適用于弱 引力,在強引力的作用下,牛 頓的引力理論不再成立。 24 六、從弱引力到

11、強引力六、從弱引力到強引力 萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)解釋了天體運動的規(guī)律，并預萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)解釋了天體運動的規(guī)律，并預 言了海王星的存在。它首次使地面物體的運動規(guī)律與天言了海王星的存在。它首次使地面物體的運動規(guī)律與天 上星體的運動規(guī)律統(tǒng)一起來，把經(jīng)典力學推上了當時科上星體的運動規(guī)律統(tǒng)一起來，把經(jīng)典力學推上了當時科 學的頂峰。學的頂峰。 結(jié)論：萬有引力屬于弱引力。經(jīng)典力學適用。結(jié)論：萬有引力屬于弱引力。經(jīng)典力學適用。 25 但是，按牛頓的萬有引力定律推算，行星的但是，按牛頓的萬有引力定律推算，行星的 運動應(yīng)該是一些橢圓，行星沿著這些橢圓做周期運動應(yīng)該是一些橢圓，行星沿著這些橢圓做周期 性運動。然而

12、，實際的天文觀測告訴我們，行星性運動。然而，實際的天文觀測告訴我們，行星 的軌道并不是嚴格閉合的，它們的近日點在不斷的軌道并不是嚴格閉合的，它們的近日點在不斷 地旋進，如圖所示。地旋進，如圖所示。 26 六、經(jīng)典力學的適用范圍 經(jīng)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(yīng)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(jīng)典物理學的結(jié)論沒有區(qū)別。 對于微觀世界,需要應(yīng)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(jīng)典力學的

13、結(jié)論沒有區(qū)別。 對于強引力情況,需要應(yīng)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。 27 經(jīng)典力學只適用于低速、宏觀、弱 引力的情況。 當物體的速度遠小于光速c時,相對論 物理學和經(jīng)典物理學的結(jié)論沒有區(qū)別。 當另一個重要的常數(shù)即普朗克常量 可以忽略不計時,量子力學和經(jīng)典力學的 結(jié)論沒有區(qū)別。28 經(jīng)典 力學 狹義相 對論 廣義相 對論 量子 力學 互為補充,互不矛盾,互不否定共同支撐起 物理學科的骨架。 宏 觀 低 速 高速 微觀世界 強引力 29 七、牛頓的科學方法 科學足跡中總結(jié)了牛頓的科學方法, 這些科學方法值得

14、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(chǔ)。 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(zhì)聯(lián)系只有通 過數(shù)學才能歸納為能夠測量、應(yīng)用和檢驗的 公式和定律。 30 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 Einstein 世紀偉人 31 補充內(nèi)容 1.狹義相對論的兩個基本假設(shè) 狹義相對論的整套理論是基于以 下兩個基本假設(shè)之上的： a.愛因斯坦相對性原理:在不同 的參考系中,

15、一切物理規(guī)律都是相同 的。 b.光速不變原理:真空中的光速 在不同的參考系中都是相同的。 32 2.時間的相對性鐘慢效應(yīng) 2 1 c v t t 式中v是運動物體的速度,c是真空中的光 速,t是運動體中的觀察者觀察到的時間間 隔,t是地面上的觀察者觀察到的時間間隔。 由于 t,即運動體中的觀察 者觀察到的時間間隔變短了,從地面上觀察運 動物體的時間變慢了。這就是所謂的鐘慢效 應(yīng) 。 2 1 c v 時間的相對性符合以下規(guī)律: 33 2 1 c v LL 2 1 c v 3.空間的相對性尺縮效應(yīng) 式中v是運動物體的速度,c是真空中的光速,L 是運動體中的觀察者測得的長度,L是地面上 的觀察者測得

16、的長度。 1,所以LL,即地面上的觀察者 觀察到運動體的長度變短了,這就是所謂的 尺縮效應(yīng) 。 由于 空間的相對性符合以下規(guī)律: 34 4.相對論速度疊加公式 相對論的速度疊加公式為: 2 1 c vu vu u 35 5.廣義相對論的兩個基本原理 廣義相對論有以下兩條基本原理: 廣義相對性原理:在任何參考 系中(包括慣性參考系和非慣性 參考系)物理規(guī)律都是相同的。 等效原理:一個均勻的引力場 與一個做勻加速運動得到參考系 是等效的。 36 20世紀20年代,海森堡、薛定諤、玻爾、玻恩、 狄拉克等物理學家建立了量子力學。開始,海 森堡和薛定諤互相獨立地提出了數(shù)學表達形 式不同的理論,后來薛定諤很快就證明了這兩 種理論是完全等價的,是對同一事物的兩種描 述方式。薛定諤的理論更接近德布羅意的物 質(zhì)波的觀念,也常常稱為波動力學。薛定諤力 圖用數(shù)學形式來描述物質(zhì)的波粒二象性,他從 麥克斯韋的光的電磁學說得到啟發(fā),認為電子 的德布羅意波也可以用類似于光波的方式來 描述,于是寫出了描述物質(zhì)波的方程,這就是 6.關(guān)于量子力學 37 著名的薛定諤方程。這個方程既描述了 電子的物質(zhì)波的行為,又含有電子的粒子 性的特征