經(jīng)典力學的局限性知識分享

1、6經(jīng)典力學的局限性第一頁，共38頁。一、課堂(ktng)導入 經(jīng)典力學的基礎是牛頓運動定律，萬有引力更是建經(jīng)典力學的基礎是牛頓運動定律，萬有引力更是建立起了人們對牛頓物理學的尊敬。從地面上物體的運動立起了人們對牛頓物理學的尊敬。從地面上物體的運動到天體的運動，從大氣的流動到地殼到天體的運動，從大氣的流動到地殼(dqio)的變動，從的變動，從攔河筑壩、修建橋梁到設計各種機械，從自行車到汽車攔河筑壩、修建橋梁到設計各種機械，從自行車到汽車、火車、飛機等現(xiàn)代交通工具，從投出籃球到發(fā)射導彈、火車、飛機等現(xiàn)代交通工具，從投出籃球到發(fā)射導彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船、人造衛(wèi)星、宇宙飛船所有都服從經(jīng)典力學的規(guī)律所

2、有都服從經(jīng)典力學的規(guī)律。經(jīng)典力學在如此廣闊的領域里與實際相符，顯示了牛。經(jīng)典力學在如此廣闊的領域里與實際相符，顯示了牛頓運動定律的正確性與經(jīng)典力學的魅力。頓運動定律的正確性與經(jīng)典力學的魅力。 但是，一切科學一樣，經(jīng)典力學沒有也不會窮盡一但是，一切科學一樣，經(jīng)典力學沒有也不會窮盡一切真理，它也有自己的局限性。它像一切科學理論一樣切真理，它也有自己的局限性。它像一切科學理論一樣，是一部，是一部“未完成的交響曲未完成的交響曲”。第二頁，共38頁?；疽?.了解經(jīng)典力學的發(fā)展歷程和偉大成就。2.認識經(jīng)典力學的局限性和適用范圍。3.體會科學理論總是在不斷發(fā)展的。發(fā)展要求1.初步了解微觀和高速世界中的奇

3、妙現(xiàn)象。2.初步了解相對論、量子論的建立對人類深入認識客觀世界的作用。二、自主二、自主(zzh)學習學習自學自學(zxu)課本課本48-49頁。頁。第三頁，共38頁。靜力學靜力學(描述描述(mio sh)靜止物體靜止物體)運動學運動學(描述物體描述物體(wt)運動運動)動力學動力學(描述描述(mio sh)物體受力作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)三、講練結合 經(jīng)典力學模塊分類第四頁，共38頁。牛頓伽利略、第谷哥白尼、亞里士多德笛卡爾、胡克(h k)、哈雷等牛頓(ni dn)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(jn din l xu)

4、金字塔的建立開普勒萬有引力定律牛頓三大定律第五頁，共38頁。亞里士多德伽利略笛卡兒惠更斯牛頓國別生活年代古希臘,約公元前384公元前322年意大利,15641642年法國,15961650年荷蘭,16291695年英國,16421727年主要的科學研究方法觀察、思維、推理觀察實驗、假設、數(shù)學推理三者相結合實驗觀察、數(shù)學推理實驗、數(shù)學推理歸納與演繹、綜合與分析、實驗觀察等力學方面的主要成就兩個反面的結論:力是維持物體運動的原因。重的物體比輕的物體下落得快。自由落體運動規(guī)律。力學相對性原理慣性定律制成了世界上第一架計時擺鐘。測量出重力加速度的值。三大運動定律、萬有引力定律?？茖W家對經(jīng)典力學(jn

5、din l xu)的貢獻第六頁，共38頁。 經(jīng)典力學的基礎是牛頓運動定律經(jīng)典力學的基礎是牛頓運動定律,萬有萬有引力定律更確立引力定律更確立(qul)了牛頓的地位了牛頓的地位,牛頓牛頓運動定律和萬有引力定律在宏觀、低速、運動定律和萬有引力定律在宏觀、低速、弱引力的廣闊領域弱引力的廣闊領域,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理律、機械能守恒律等是航空航天技術理論的基礎?；鸺摰幕A?；鸺?hujin)、人造地球衛(wèi)、人造地球衛(wèi)星、航天飛機、宇宙飛船、行星探測器星、航天飛機、宇宙飛船、行星探測器等航天器的發(fā)射等航天

6、器的發(fā)射,都是牛頓力學規(guī)律的應都是牛頓力學規(guī)律的應用范例用范例第七頁，共38頁。 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(jīng)過的時間,都隨觀察者的參考系(特定觀察(gunch)而變化。第八頁，共38頁。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(t ch)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(jn din l xu)的局限性和適用范圍?第九頁，共38頁。經(jīng)典力學(jn din l xu)受速度限制的分析 生活中接觸到的運動，速度都遠

7、小于真空中的光速。處理這些運動，經(jīng)典力學完全適用(shyng)。狹義相對論闡述了物體在以接近光的速度運動時所遵循的規(guī)律，得出了一些不同于經(jīng)典力學的觀念和結論。第十頁，共38頁。 在經(jīng)典力學中,物體的質量是不隨運動狀態(tài)改變的。但是,按照20世紀初著名物理學家愛因斯坦建立的狹義(xiy)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: 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 。0221mmvc 第十一頁，共38頁。 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(wt)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(

8、wt)的速度接近光速時,經(jīng)典力學就不適用了。 0221mmvc 經(jīng)典力學(牛頓運動定律)在低速運動的物體(低速世界(shji)中成立(適用)。第十二頁，共38頁。水岸船水船岸vvv 設河流中的水相對于河岸(h n)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,船相對于岸的速度為：這似乎是天經(jīng)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(zn sh)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(shling)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

9、的心血,這正是牛頓的悲劇。第十三頁，共38頁。 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(wi zhi)如何隨時間而改變。 這里,位置(wi zhi)和空間應如何理解是不清楚的。設一架飛機正在勻速地行駛,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。對牛頓(ni dn)運動定律受參考系限制的認識第十四頁，共38頁。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(lchng)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(b zi)成立?，F(xiàn)在問:

10、炸彈所經(jīng)過的各個(gg)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)。第十五頁，共38頁。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:空間是獨立于物體(wt)及其運動而存在的,時間也是獨立于物體(wt)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,空間與時間不再(b zi)與物體及其運動無關而獨立存在。這是一種嶄新的時空觀。第十六頁，共38頁。(

11、一)經(jīng)典(jngdin)時空觀(絕對時空觀)(1)同時(tngsh)的絕對性(2)時間(shjin)間隔的絕對性(3)空間距離的絕對性 時間、長度和質量這三者都與參考系的運動無關。第十七頁，共38頁。(二)相對論時空觀(1)同時(tngsh)是相對的(3)動尺變短(4)運動的物體(wt)質量變大(1)不同慣性參考系,物理(wl)規(guī)律相同1、兩條基本假設(2)任何慣性系,光速不變2、狹義相對論結論(2)動鐘變慢 時間、長度和質量這三者都與參考系的運動有關。第十八頁，共38頁。愛因斯坦愛因斯坦狹義狹義(xiy)相對論相對論第十九頁，共38頁。經(jīng)典時空觀 狹義相對論時空觀光速同時時間與空間質量相對(

12、xingdu)的絕對(judu)的(不變)絕對(judu)的與運動無關,絕對的與運動無關,不變的相對的與運動有關,相對的隨速度增加而增大經(jīng)典時空觀與相對論時空觀第二十頁，共38頁。不敢相信圖中的橫線是平行的,不過(bgu)它就是平行的 第二十一頁，共38頁。兩個(lin )位于中心的圓哪個大?其實一樣大的! 第二十二頁，共38頁。二、經(jīng)典力學(jn din l xu)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域進入了微觀世界。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(lln)根本無法解釋

13、。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)天然放射線宏觀領域宏觀領域微觀世界微觀世界第二十三頁，共38頁。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(nindi)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(ni dn)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(chungl)量子力學第二十四頁，共38頁。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,其實

14、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(jish),同時還預言光線經(jīng)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(zuyng)下,牛頓的引力理論不再成立。第二十五頁，共38頁。四、合作(hzu)探究1.

15、愛因斯坦狹義相對論是不是對經(jīng)典力學愛因斯坦狹義相對論是不是對經(jīng)典力學(jn din l xu)的全盤否的全盤否定？經(jīng)典力學定？經(jīng)典力學(jn din l xu)的適用范圍？的適用范圍？2.根據(jù)愛因斯坦狹義相對論根據(jù)愛因斯坦狹義相對論,根據(jù)愛因斯坦狹義相對論根據(jù)愛因斯坦狹義相對論,質量要隨著物質量要隨著物體運動速度的增大而增大體運動速度的增大而增大,即即如果是一個物體加速、加速、再加速，它的速度會增加到等于光速如果是一個物體加速、加速、再加速，它的速度會增加到等于光速甚至大于光速嗎？為什么？甚至大于光速嗎？為什么？第二十六頁，共38頁。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

16、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(duy)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(jīng)典物理學的結論沒有區(qū)別。 對于(duy)微觀世界,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(jīng)典力學的結論沒有區(qū)別。 對于(duy)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。第二十七頁，共38頁?？傊?ZNGZH) 經(jīng)典力學只適用(shyng)于低速、宏觀、弱引力

17、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)典力學的結論沒有區(qū)別。第二十八頁，共38頁。經(jīng)典力學(jn din l xu)狹義(xiy)相對論廣義(gungy)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第二十九頁，共38頁。2.根據(jù)公式知道，根據(jù)公式知道，v=c時，時，m應是無窮大，隨著質量的不應是無窮大，隨著質量的不斷增大斷增大(zn d)，產(chǎn)生加速度的力不斷增大，產(chǎn)生加速度的力不斷增大(zn d)。使加速越來越困難。因此一個物體不管怎么加速，它的

18、速使加速越來越困難。因此一個物體不管怎么加速，它的速度不會等于甚至超過光速。度不會等于甚至超過光速。第三十頁，共38頁。七、牛頓的科學方法 科學足跡(zj)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。第三十一頁，共38頁。Einstein對相對論的解釋(jish) 當你和一個漂亮姑娘在一起(yq)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

19、小時,這就是相對論。Albert Einstein世紀偉人第三十二頁，共38頁。六、課堂(ktng)檢測 1.通過加速裝置對電子施加一個很大的恒力，使電子從通過加速裝置對電子施加一個很大的恒力，使電子從靜止靜止(jngzh)開始加速，對這一加速過程，下列說法正開始加速，對這一加速過程，下列說法正確的是確的是() A根據(jù)牛頓第二定律，電子將不斷做勻加速直線運動根據(jù)牛頓第二定律，電子將不斷做勻加速直線運動 B電子先做勻加速直線運動，后以光速做勻速直線運電子先做勻加速直線運動，后以光速做勻速直線運動動 C電子開始做近似勻加速直線運動，后來質量增大，電子開始做近似勻加速直線運動，后來質量增大，牛頓運動定律不再適用牛頓運動定律不再適用 D電子是微觀粒子，整個加速過程根本就不能用牛頓電子是微觀粒子，整個加速過程根本就不能用牛頓運動定律解釋運動定律解釋第三十三頁，共38頁。解析：解析： 電子在開始加速的階段，速度很小，遠低于電子在開始加速的階段，速度很小，遠低于光速，雖然它是微觀粒子，但此時牛頓運動定律基