經(jīng)典力學的局限性

1、基本要求1.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。說明1.不要求用相對論中質(zhì)量隨速度變化的公式進行計算。2.不要求識記證明經(jīng)典力學局限性的有關(guān)事實。第六節(jié)第六節(jié) 經(jīng)典力學的局限性經(jīng)典力學的局限性6經(jīng)典力學的局限性靜力學靜力學(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)典力學模塊分類牛頓伽利略、第谷

2、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)典力學金字塔的建立開普勒萬有引力定律牛頓三大定律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(shè)、數(shù)學推理三者相結(jié)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(jié)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

3、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)典力學的貢獻 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)。火箭、人造地球衛(wèi)星、航天論的基礎(chǔ)?；鸺⑷嗽斓厍蛐l(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

4、器等航天器的發(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 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。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? 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)一架飛機正在勻速地行駛,從飛機上投下一枚炸彈。那

5、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?？梢?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)。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)

6、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 。0221mmvc 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。 0221mmvc 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)。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

7、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。不敢相信圖中的橫線是平行的,不過它就是平行的 兩個位于中心的圓哪個大?其實一樣大的! 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經(jīng)典力學難以解釋微觀粒子的運動

8、: 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: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

9、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。(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)。(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)。愛因斯坦愛因斯坦狹義相對狹義相對論論經(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

10、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(yù)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(yù)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

11、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。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

12、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。總之 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。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。

13、 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。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,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。2.時間的相對性鐘慢效應(yīng)21cvtt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

14、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) 。21cv時間的相對性符合以下規(guī)律:21cvLL21cv3.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:4.相對論速度疊加公式相對論的速度疊加公式為: 21cvuvuu5.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。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