經(jīng)典力學的成就及其局限性

經(jīng)典力學的成就及其局限性演示文稿現(xiàn)在是1頁\一共有48頁\編輯于星期五（優(yōu)選）經(jīng)典力學的成就及其局限性現(xiàn)在是2頁\一共有48頁\編輯于星期五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,1564～1642年法國,1596～1650年荷蘭,1629～1695年英國,1642～1727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(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:①力是維持物體運動的原因。②重的物體比輕的物體下落得快。①自由落體運動規(guī)律。②力學相對性原理慣性定律①制成了世界上第一架計時擺鐘。②測量出重力加速度的值。①三大運動定律、②萬有引力定律?？茖W家對經(jīng)典力學的貢獻現(xiàn)在是3頁\一共有48頁\編輯于星期五牛頓伽利略、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)典力學金字塔的建立開普勒萬有引力定律牛頓三大定律現(xiàn)在是4頁\一共有48頁\編輯于星期五牛頓的科學方法"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。

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、應用和檢驗的公式和定律?，F(xiàn)在是5頁\一共有48頁\編輯于星期五經(jīng)典力學的基礎是牛頓運動定律，萬有引力定律更確立了牛頓的地位,牛頓運動定律和萬有引力定律在宏觀、低速、弱引力的廣闊領域,經(jīng)受實踐檢驗?，F(xiàn)在是6頁\一共有48頁\編輯于星期五19世紀末，牛頓定律在各個領域里都取得了很大的成功：在機械運動方面不用說，在分子物理方面，成功地解釋了溫度、壓強、氣體的內(nèi)能。在電磁學方面，建立了一個能推斷一切電磁現(xiàn)象的Maxwell方程。另外還找到了力、電、光、聲…等都遵循的規(guī)律—能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。當時許多物理學家都沉醉于這些成績和勝利之中。他們認為物理學已經(jīng)發(fā)展到頭了?，F(xiàn)在是7頁\一共有48頁\編輯于星期五也就是說：物理學已經(jīng)沒有什么新東西了，后一輩只要把做過的實驗再做一做，在實驗數(shù)據(jù)的小數(shù)點后面再加幾位罷了！

但開爾文畢盡是一位重視現(xiàn)實和有眼力的科學家，就在上面提到的文章中他還講到：“但是，在物理學晴朗天空的遠處，還有兩朵令人不安的烏云……”正如1900年英國物理學家開爾文在展望20世紀物理學的發(fā)展的文章中說到：“在已經(jīng)基本建成的科學大廈中，后輩的物理學家只要做一些零碎的修補工作就行了?！?-開爾文--現(xiàn)在是8頁\一共有48頁\編輯于星期五兩朵烏云1、邁克爾遜莫雷實驗測得光速是不變的。經(jīng)典力學不能解決高速運動問題（接近光速）2、黑體輻射出的能量不是連續(xù)的經(jīng)典力學不能解釋微觀領域中物質(zhì)結(jié)構(gòu)和能量不連續(xù)的現(xiàn)象現(xiàn)在是9頁\一共有48頁\編輯于星期五熱輻射實驗邁克爾遜-莫雷實驗后來的事實證明，正是這兩朵烏云發(fā)展成為一場革命性的風暴，烏云落地化作春雨，澆灌著兩朵鮮花?，F(xiàn)在是10頁\一共有48頁\編輯于星期五經(jīng)典力學量子力學相對論微觀領域高速領域現(xiàn)在是11頁\一共有48頁\編輯于星期五物體運動的軌跡依賴于觀察者所處的參考系14-1力學相對性原理伽利略變換現(xiàn)在是12頁\一共有48頁\編輯于星期五絕對運動：物體相對基本參考系（S系）的運動.1、幾個概念相對運動：物體相對運動參考系（S’系）的運動.牽連運動：S’系相對S系的運動.

一.伽利略坐標變換牽連速度

絕對速度相對速度現(xiàn)在是13頁\一共有48頁\編輯于星期五*現(xiàn)在是14頁\一共有48頁\編輯于星期五*速度變換公式同時具有絕對性.時間具有絕對性.空間具有絕對性.現(xiàn)在是15頁\一共有48頁\編輯于星期五加速度變換

在兩相互作勻速直線運動的慣性系中,物體運動所遵循的力學規(guī)律具有相同的形式.---伽利略相對性原理（力學相對性原理）*現(xiàn)在是16頁\一共有48頁\編輯于星期五 某航空母艦上的戰(zhàn)斗機起飛過程中最大加速度是a＝4.5m/s2，飛機速度要達到v0＝60m/s才能起飛，航空母艦甲板長為L＝289m，為使飛機安全起飛，航空母艦應以一定速度航行以保證起飛安全，求航空母艦最小速度v是多少？(設飛機起飛對航母的狀態(tài)沒有影響，飛機的運動可以看作勻加速運動)．現(xiàn)在是17頁\一共有48頁\編輯于星期五vt2－v02=2ax由得如果航空母艦靜止不動，飛機正常起飛航空母艦長度至少為L=602/2*4.5=400m航空母艦的長度為289m，飛機正常起飛嗎？289m400m航空母艦的長度不夠長怎么辦？不能正常起飛現(xiàn)在是18頁\一共有48頁\編輯于星期五答案：該同學解法是錯誤的．現(xiàn)在是19頁\一共有48頁\編輯于星期五以岸為參考系，v＝9m/s.現(xiàn)在是20頁\一共有48頁\編輯于星期五以船為參考系現(xiàn)在是21頁\一共有48頁\編輯于星期五絕對空間:空間與運動無關,空間絕對靜止.空間的度量與慣性系無關,絕對不變．絕對時間:時間均勻流逝,與物質(zhì)運動無關,所有慣性系有統(tǒng)一的時間.牛頓的絕對時空觀注意牛頓力學的相對性原理,宏觀、低速的范圍內(nèi),是與實驗結(jié)果相一致的.但在高速運動情況下則不適用.

現(xiàn)在是22頁\一共有48頁\編輯于星期五到了19世紀末，面對高速運動的微觀粒子發(fā)生的現(xiàn)象，經(jīng)典力學遇到了困難.在新事物面前，愛因斯坦打破了傳統(tǒng)的時空觀，于1905年發(fā)表了題為《論運動物體的電動力學》的論文，提出了狹義相對性原理和光速不變原理，創(chuàng)建了狹義相對論.狹義相對論一深奧難懂著稱，并且他的出現(xiàn)，使整個世界都處于震驚和爭論之中，繼狹義相對論之后，1915年愛因斯坦又建立了廣義相對論，指出空間——時間不可能離開物質(zhì)而獨立存在，空間的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)取決于物質(zhì)的分布，使人類對于時間、空間和引力現(xiàn)象的認識大大深化了。愛因斯坦（1879-1955）現(xiàn)在是23頁\一共有48頁\編輯于星期五相對論有狹義相對論、廣義相對論之分：關于慣性系時空觀的理論狹義相對論（1905）廣義相對論（1915）關于一般參照系及引力的理論現(xiàn)在是24頁\一共有48頁\編輯于星期五真空中的光速是常量，沿各個方向都等于c，與光源或觀測者的運動狀態(tài)無關.1狹義相對性原理

物理規(guī)律在所有慣性系中都具有相同的表達形式.2光速不變原理一狹義相對論的基本假設現(xiàn)在是25頁\一共有48頁\編輯于星期五洛倫茲變換式符合相對論理論的時空變換關系．設時，重合;事件P的時空坐標如圖所示.*現(xiàn)在是26頁\一共有48頁\編輯于星期五1、洛倫茲坐標變換式逆變換正變換現(xiàn)在是27頁\一共有48頁\編輯于星期五2洛倫茲速度變換式正變換逆變換現(xiàn)在是28頁\一共有48頁\編輯于星期五狹義相對論的結(jié)論現(xiàn)在是29頁\一共有48頁\編輯于星期五兩種不同的時空觀(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。(1)同時是相對的(3)動尺變短(4)運動的物體質(zhì)量變大（二）相對論時空觀(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?，F(xiàn)在是30頁\一共有48頁\編輯于星期五基本公式歸納靜止能量能量相對論因子動能質(zhì)量動量靜止質(zhì)量

力狹義相對論動力學基本公式歸納現(xiàn)在是31頁\一共有48頁\編輯于星期五從弱引力到強引力

現(xiàn)在是32頁\一共有48頁\編輯于星期五閱讀課本第50頁，歸納萬有引力定律與愛因斯坦引力理論的主要差異：1）牛頓的萬有引力定律認為：物體的半徑減小，其表面的萬有引力與半徑的二次方成反比的增大，對于半徑接近于零的物體。其表面上的萬有引力接近于無窮大。現(xiàn)在是33頁\一共有48頁\編輯于星期五2）愛因斯坦理論認為：物體的半徑減小時，其表面的萬有引力比二次方成反比規(guī)律增大得多，引力趨于無窮大，發(fā)生在接近一個“引力半徑”的時候。何為天體的引力半徑?假定一個球形天體的質(zhì)量不變，并通過壓縮減小它的半徑，天體表面上的引力將會增加，當引力趨于無窮大時，被壓縮天體半徑接近的值——“引力半徑”．現(xiàn)在是34頁\一共有48頁\編輯于星期五只要天體的實際半徑遠大于它們的引力半徑，那么愛因斯坦和牛頓的理論計算出的力的差異并不很大．但當天體的實際半徑接近引力半徑時，這種差異將急劇增大．這就是說，在強引力的情況，牛頓的萬有引力理論將不再適用．現(xiàn)在是35頁\一共有48頁\編輯于星期五水星旋進現(xiàn)在是36頁\一共有48頁\編輯于星期五1廣義相對性原理所有物理學規(guī)律對所有的參照系都成立2等效原理二廣義相對論一個均勻的引力場與一個做勻加速運動的參考系等價?，F(xiàn)在是37頁\一共有48頁\編輯于星期五

如果飛船做勻加速運動，在光向右傳播的同時，飛船的速度也在不斷增大，因此飛船上觀察者記錄下的光的徑跡是一條拋物線。廣義相對論的幾個結(jié)論1、物質(zhì)的引力使光線發(fā)生彎曲

如果飛船做勻速直線運動，船上觀察者記錄下的光的徑跡是一條直線（虛線）飛船外觀察者看到這束光是直線傳播的（水平向右）現(xiàn)在是38頁\一共有48頁\編輯于星期五通常物體的引力場都太弱，20世紀只能觀測到太陽引力場引起的光線彎曲．太陽由于太陽引力場的作用，我們有可能觀測到太陽后面的恒星，最好的觀測時間是發(fā)生日全食的時候．1919年5月29日，發(fā)生日全食，英國考察隊分赴幾內(nèi)亞灣和巴西進行觀測，證實了愛因斯坦的預言，這是對廣義相對論的最早證實．現(xiàn)在是39頁\一共有48頁\編輯于星期五各類星體對比

宇宙中有一類恒星，體積很小，質(zhì)量卻很大，叫做矮星，引力勢比地球低的多，矮星表面的時間進程比較慢，哪里的發(fā)光的頻率比同種的原子在地球上發(fā)光頻率低，看起來偏紅，這個現(xiàn)象叫做引力紅移．2、引力紅移現(xiàn)在是40頁\一共有48頁\編輯于星期五

由于物質(zhì)的存在，實際空間并不是均勻的，空間發(fā)生了“彎曲”：現(xiàn)在是41頁\一共有48頁\編輯于星期五狹義、廣義相對論比較狹義相對論廣義相對論不同的慣性參考系中一切物理規(guī)律都是相同的

任何參考系（包括非慣性系）中物理規(guī)律都是相同的真空中的光速在不同慣性參考系中都是相等的

一個均勻的引力場與一個做勻加速運動的參考系等價更進一步等效原理光速恒定愛因斯坦相對性原理廣義相對性原理現(xiàn)在是42頁\一共有48頁\編輯于星期五三、經(jīng)典力學在分析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)天然放射線宏觀領域微觀世界現(xiàn)在是43頁\一共有48頁\編輯于星期五經(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)立量子力學現(xiàn)在是44頁\一共有48頁\編輯于星期五電子云電子有波粒二象性，它不像宏觀物體的運動那樣有確定的軌道，因此畫不出它的運動軌跡。我們不能預言它在某一時刻究竟出現(xiàn)在核外空間的哪個地方，只能知道它在某處出現(xiàn)的機會有多少。為此，就以單位體積內(nèi)電子出現(xiàn)幾率，即幾率密度大小，用小白點的疏密來表示。小白點密處表示電子出現(xiàn)的幾率密度大，小白點疏處幾率密度小，看上去好像一片帶負電的云狀物籠罩在原子核周圍，因此叫電子云。現(xiàn)在是45頁\一共有48頁\編輯于星期五20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