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

1、經(jīng)典力學(xué)經(jīng)典力學(xué) （牛頓力學(xué)）（牛頓力學(xué)） 靜力學(xué)（描述靜止物體）靜力學(xué)（描述靜止物體） 運(yùn)動(dòng)學(xué)（描述物體運(yùn)動(dòng)）運(yùn)動(dòng)學(xué)（描述物體運(yùn)動(dòng)） 動(dòng)力學(xué)（描述物體受力作動(dòng)力學(xué)（描述物體受力作 用下的運(yùn)動(dòng)）用下的運(yùn)動(dòng)） 1 2 3 6 經(jīng)典力學(xué)的局限性 4 靜力學(xué)靜力學(xué)(描述靜止物體描述靜止物體) 運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)動(dòng)學(xué)(描述物體運(yùn)動(dòng)描述物體運(yùn)動(dòng)) 動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)(描述物體受力作描述物體受力作 用下的運(yùn)動(dòng)用下的運(yùn)動(dòng)) 經(jīng)典力學(xué)經(jīng)典力學(xué) (牛頓力學(xué)牛頓力學(xué)) 經(jīng)典力學(xué)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(yuǎn),那是因?yàn)槲艺驹?巨人們的肩上。 經(jīng) 典 力 學(xué) 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(xué)的基礎(chǔ)是經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動(dòng)定律牛頓運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)定律和萬有引力定律在頓運(yùn)動(dòng)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(shí)踐檢驗(yàn)。經(jīng)受實(shí)踐檢驗(yàn)。 由牛頓力學(xué)定律導(dǎo)出的動(dòng)量守恒定由牛頓力學(xué)定律導(dǎo)出的動(dòng)量守恒定 律、機(jī)械能守恒律等是航空航天技術(shù)理律、機(jī)械能守恒律等是航空航天技術(shù)理 論的基礎(chǔ)。火箭、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(jī)、宇宙飛船、行星探測(cè)器等航天器飛機(jī)、宇宙飛船、行星探測(cè)器等航天

3、器 的發(fā)射的發(fā)射,都是牛頓力學(xué)規(guī)律的應(yīng)用范都是牛頓力學(xué)規(guī)律的應(yīng)用范 例例 7 1905年,出生于德國(guó)的美籍物理 學(xué)家阿爾伯特愛因斯坦(1879-1955) 發(fā)表了狹義相對(duì)論。這個(gè)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(zhǎng)度、質(zhì)量和經(jīng) 過的時(shí)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(xué)已相當(dāng)完善,愛因斯 坦為什么還要提出相對(duì)論。相對(duì)論是否 全盤否定了牛頓的經(jīng)典力學(xué)理論? 經(jīng)典力學(xué)的局限性和適用范圍? 9 經(jīng)典力學(xué)中的空間和時(shí)間 力學(xué)的目的在于描述物體在空間中的位 置如何隨時(shí)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(jī)正在

4、勻速地行駛,從飛機(jī)上 投下一枚炸彈。那么,如果不計(jì)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(dòng)的行人則看到炸彈是沿拋物 線落到地面上的。 一、對(duì)牛頓運(yùn)動(dòng)定律受參考系限制的認(rèn)識(shí) 10 借助于這一實(shí)例可以清楚地知道不會(huì) 有獨(dú)立存在的軌線(路程曲線);而 只有相對(duì)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(gè)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(xué)(牛頓運(yùn)動(dòng)定律)在慣 性系中成立(適用)。 11 二、經(jīng)典力學(xué)受速度限制的分析 在經(jīng)典力學(xué)中,物體的質(zhì)量是不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改 變的。但是,按照20世紀(jì)初著名物理學(xué)家愛因斯

5、坦 建立的狹義相對(duì)論,質(zhì)量要隨物體運(yùn)動(dòng)速度的增大 而增大。物體的質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系: 式中m0是物體靜止時(shí)的質(zhì)量,m是物體速度 為v時(shí)的質(zhì)量,c是真空中的光速 。 0 2 2 1 m m v c 12 可見,當(dāng)vc時(shí),mm0;當(dāng)v趨近于 c時(shí),m趨近于無窮大。因此,當(dāng)物體 的速度遠(yuǎn)小于真空中的光速時(shí),經(jīng)典 力學(xué)完全適用;當(dāng)物體的速度接近光 速時(shí),經(jīng)典力學(xué)就不適用了。 0 2 2 1 m m v c 經(jīng)典力學(xué)(牛頓運(yùn)動(dòng)定律)在低速運(yùn)動(dòng)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(duì)于河岸的速度為v水岸, 船相對(duì)于水的速度為v船水,則在經(jīng)典力學(xué)中, 船相對(duì)于岸的

6、速度為： 這似乎是天經(jīng)地義的。但是,這個(gè)關(guān)系式涉及兩個(gè) 不同的慣性參考系,而速度總是與位移(空間長(zhǎng)度) 及時(shí)間間隔的測(cè)量相聯(lián)系。相對(duì)論認(rèn)為,同一過程 的位移和時(shí)間的測(cè)量在不同參考系中是不同的,因 而上式不能成立。 (矢量和) 當(dāng)一些問題牛頓解釋不了時(shí),它就只好用上帝的萬能來解 釋,為此牛頓花費(fèi)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(gè)位于中心的圓哪個(gè)大?其實(shí)一樣大的! 16 三、經(jīng)典力學(xué)在分析宏觀與微觀的困難 第二次革命的導(dǎo)火索是物理學(xué)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(xué)的研究從宏觀領(lǐng)域進(jìn)

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(xué)難以解釋微觀粒子的運(yùn)動(dòng): 科學(xué)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(shí)還具有波動(dòng)性,它們的運(yùn)動(dòng)在 很多情況下不能用經(jīng)典力學(xué)來說明。20世紀(jì)20 年 代量子力學(xué)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(xué)(牛頓 運(yùn)動(dòng)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(xué) 18 四、兩種不同的時(shí)空觀 科學(xué)漫步欄目中提到了牛頓和愛因斯坦的 兩種不同的時(shí)空觀。 牛頓認(rèn)為

8、:空間是獨(dú)立于物體及其運(yùn)動(dòng)而存在 的,時(shí)間也是獨(dú)立于物體及其運(yùn)動(dòng)而存在的,這是 一種經(jīng)典時(shí)空觀。 愛因斯坦則認(rèn)為:在研究物體的高速運(yùn)動(dòng)(速度 接近真空中的光速)時(shí),物體的長(zhǎng)度即物體占有的空 間,以及物理過程、化學(xué)過程,甚至還有生命過程的 持續(xù)時(shí)間,都與它們的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān),空間與時(shí)間不 再與物體及其運(yùn)動(dòng)無關(guān)而獨(dú)立存在。這是一種嶄 新的時(shí)空觀。 19 (一)經(jīng)典時(shí)空觀(絕對(duì)時(shí)空觀) (1)同時(shí)的絕對(duì)性 (2)時(shí)間間隔的絕對(duì)性 (3)空間距離的絕對(duì)性 時(shí)間、長(zhǎng)度和質(zhì)量這三者都與參 考系的運(yùn)動(dòng)無關(guān)。 20 (二)相對(duì)論時(shí)空觀 (1)同時(shí)是相對(duì)的 (3)動(dòng)尺變短 (4)運(yùn)動(dòng)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(duì)論結(jié)論 (2)動(dòng)鐘變慢 時(shí)間、長(zhǎng)度和 質(zhì)量這三者都 與參考系的運(yùn) 動(dòng)有關(guān)。 21 愛因斯坦愛因斯坦 相對(duì)質(zhì)量相對(duì)質(zhì)量 相對(duì)時(shí)間相對(duì)時(shí)間 相對(duì)空間相對(duì)空間 狹義相對(duì)狹義相對(duì) 論論 22 經(jīng)典時(shí)空觀 狹義相對(duì)論時(shí)空觀 光速 同時(shí) 時(shí)間與 空間 質(zhì)量 相對(duì)的，速度可以疊加 絕對(duì)的(不變) 絕對(duì)的 與運(yùn)動(dòng)無關(guān), 絕對(duì)的 與運(yùn)動(dòng)無關(guān), 不變的 相對(duì)的 與運(yùn)動(dòng)有關(guān), 相對(duì)的 隨速度增加而增大 經(jīng)典時(shí)空觀與相對(duì)論時(shí)空觀 23 五、強(qiáng)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(jìn),其實(shí)際觀察值要比經(jīng)典力學(xué)的預(yù)言值多。1915年, 愛因斯坦創(chuàng)立的廣義相對(duì)論對(duì)此則能作出很好的解釋, 同時(shí)還預(yù)言光線經(jīng)過大質(zhì)量星體附近時(shí)會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn),且 已被觀測(cè)證實(shí)。 另外,根據(jù)牛頓的理論,當(dāng)天體被壓縮成半徑幾乎 為0的一個(gè)點(diǎn)時(shí),引力趨于無窮大;而愛因斯坦的理論則 認(rèn)為,引力趨于無窮大發(fā)生在半徑接近一個(gè)引力半徑 的時(shí)候,這個(gè)引力半徑的值由天體的質(zhì)量決定。當(dāng)天體 的實(shí)際半徑接近引力半徑時(shí),由愛因斯坦和牛頓引力理 論計(jì)算出的力的差異急劇增大,在強(qiáng)引力情況下牛頓引 力理論不再適用。 牛頓運(yùn)動(dòng)定律只適用于弱 引力,在強(qiáng)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(qiáng)引力六、從弱引力到強(qiáng)引力 萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)解釋了天體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，并預(yù)萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)解釋了天體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，并預(yù) 言了海王星的存在。它首次使地面物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與天言了海王星的存在。它首次使地面物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與天 上星體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律統(tǒng)一起來，把經(jīng)典力學(xué)推上了當(dāng)時(shí)科上星體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律統(tǒng)一起來，把經(jīng)典力學(xué)推上了當(dāng)時(shí)科 學(xué)的頂峰。學(xué)的頂峰。 結(jié)論：萬有引力屬于弱引力。經(jīng)典力學(xué)適用。結(jié)論：萬有引力屬于弱引力。經(jīng)典力學(xué)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(yùn)動(dòng)應(yīng)該是一些橢圓，行星沿著這些橢圓做周期運(yùn)動(dòng)應(yīng)該是一些橢圓，行星沿著這些橢圓做周期 性運(yùn)動(dòng)。然而

12、，實(shí)際的天文觀測(cè)告訴我們，行星性運(yùn)動(dòng)。然而，實(shí)際的天文觀測(cè)告訴我們，行星 的軌道并不是嚴(yán)格閉合的，它們的近日點(diǎn)在不斷的軌道并不是嚴(yán)格閉合的，它們的近日點(diǎn)在不斷 地旋進(jìn)，如圖所示。地旋進(jìn)，如圖所示。 26 六、經(jīng)典力學(xué)的適用范圍 經(jīng)典力學(xué)有它的適用范圍:只適用于低速運(yùn)動(dòng),不 適用于高速運(yùn)動(dòng);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(qiáng)引力情況。 對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)(速度接近真空中的光速),需要應(yīng)用 愛因斯坦的相對(duì)論。當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于真空中 的光速時(shí),相對(duì)論物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別。 對(duì)于微觀世界,需要應(yīng)用量子力學(xué)。當(dāng)普朗克常數(shù) 可以忽略不計(jì)時(shí),量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的

13、結(jié)論沒有區(qū)別。 對(duì)于強(qiáng)引力情況,需要應(yīng)用愛因斯坦引力理論。當(dāng) 天體的實(shí)際半徑遠(yuǎn)大于它們的引力半徑時(shí),愛因斯坦引 力理論和牛頓引力理論計(jì)算出的力的差異并不很大。 27 經(jīng)典力學(xué)只適用于低速、宏觀、弱 引力的情況。 當(dāng)物體的速度遠(yuǎn)小于光速c時(shí),相對(duì)論 物理學(xué)和經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別。 當(dāng)另一個(gè)重要的常數(shù)即普朗克常量 可以忽略不計(jì)時(shí),量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的 結(jié)論沒有區(qū)別。28 經(jīng)典 力學(xué) 狹義相 對(duì)論 廣義相 對(duì)論 量子 力學(xué) 互為補(bǔ)充,互不矛盾,互不否定共同支撐起 物理學(xué)科的骨架。 宏 觀 低 速 高速 微觀世界 強(qiáng)引力 29 七、牛頓的科學(xué)方法 科學(xué)足跡中總結(jié)了牛頓的科學(xué)方法, 這些科學(xué)方法值得

14、我們借鑒。 重視實(shí)驗(yàn):重視實(shí)驗(yàn),從歸納入手,這是牛 頓科學(xué)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(shí),而且要有清晰的 邏輯頭腦。 數(shù)學(xué)歸納:事物之間的本質(zhì)聯(lián)系只有通 過數(shù)學(xué)才能歸納為能夠測(cè)量、應(yīng)用和檢驗(yàn)的 公式和定律。 30 Einstein對(duì)相對(duì)論的解釋 當(dāng)你和一個(gè)漂 亮姑娘在一起坐一 小時(shí),你感覺只坐了 一分鐘,當(dāng)你坐在火 爐旁一分鐘,就好象 坐了一小時(shí),這就是 相對(duì)論。 Albert Einstein 世紀(jì)偉人 31 補(bǔ)充內(nèi)容 1.狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè) 狹義相對(duì)論的整套理論是基于以 下兩個(gè)基本假設(shè)之上的： a.愛因斯坦相對(duì)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?cè)?真空中的光速 在不同的參考系中都是相同的。 32 2.時(shí)間的相對(duì)性鐘慢效應(yīng) 2 1 c v t t 式中v是運(yùn)動(dòng)物體的速度,c是真空中的光 速,t是運(yùn)動(dòng)體中的觀察者觀察到的時(shí)間間 隔,t是地面上的觀察者觀察到的時(shí)間間隔。 由于 t,即運(yùn)動(dòng)體中的觀察 者觀察到的時(shí)間間隔變短了,從地面上觀察運(yùn) 動(dòng)物體的時(shí)間變慢了。這就是所謂的鐘慢效 應(yīng) 。 2 1 c v 時(shí)間的相對(duì)性符合以下規(guī)律: 33 2 1 c v LL 2 1 c v 3.空間的相對(duì)性尺縮效應(yīng) 式中v是運(yùn)動(dòng)物體的速度,c是真空中的光速,L 是運(yùn)動(dòng)體中的觀察者測(cè)得的長(zhǎng)度,L是地面上 的觀察者測(cè)得

16、的長(zhǎng)度。 1,所以LL,即地面上的觀察者 觀察到運(yùn)動(dòng)體的長(zhǎng)度變短了,這就是所謂的 尺縮效應(yīng) 。 由于 空間的相對(duì)性符合以下規(guī)律: 34 4.相對(duì)論速度疊加公式 相對(duì)論的速度疊加公式為: 2 1 c vu vu u 35 5.廣義相對(duì)論的兩個(gè)基本原理 廣義相對(duì)論有以下兩條基本原理: 廣義相對(duì)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(gè)均勻的引力場(chǎng) 與一個(gè)做勻加速運(yùn)動(dòng)得到參考系 是等效的。 36 20世紀(jì)20年代,海森堡、薛定諤、玻爾、玻恩、 狄拉克等物理學(xué)家建立了量子力學(xué)。開始,海 森堡和薛定諤互相獨(dú)立地提出了數(shù)學(xué)表達(dá)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(jià)的,是對(duì)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(dòng)力學(xué)。薛定諤力 圖用數(shù)學(xué)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(xué)說得到啟發(fā),認(rèn)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(xué) 37 著名的薛定諤方程。這個(gè)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