經(jīng)典力學(xué)和物理學(xué)的革命省名師優(yōu)質(zhì)課賽課獲獎(jiǎng)?wù)n件市賽課一等獎(jiǎng)?wù)n件

第五章

經(jīng)典力學(xué)與物理學(xué)革命第1頁(yè)第五章經(jīng)典力學(xué)與當(dāng)代物理全章結(jié)構(gòu)經(jīng)典力學(xué)成就與不足當(dāng)代物理相對(duì)論量子論物理學(xué)人類(lèi)文明進(jìn)步階梯第2頁(yè)第3頁(yè)1、經(jīng)典力學(xué)建立牛頓之前：伽利略(1564-1642)、開(kāi)普勒(1571-1630)、笛卡爾(1596-1650)、惠更斯(1629-1695)等人各有重大貢獻(xiàn)，但互不聯(lián)絡(luò)甚至彼此矛盾，天體與地面運(yùn)動(dòng)被截然分開(kāi)。

牛頓時(shí)代：牛頓(1642-1727)在前人工作基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)對(duì)質(zhì)量、加速度、力等概念進(jìn)行嚴(yán)格定義，利用數(shù)學(xué)方法將散亂力學(xué)知識(shí)以簡(jiǎn)煉表示式加以說(shuō)明，于1687年發(fā)表了不朽名著《自然哲學(xué)數(shù)學(xué)原理》，標(biāo)志著物理學(xué)成為一門(mén)成熟自然科學(xué)。

完成于18世紀(jì)兩大驗(yàn)證(1736地球形狀驗(yàn)證和1758年哈雷慧星回歸)徹底消除了人們對(duì)牛頓理論懷疑，意味著經(jīng)典力學(xué)體系完滿(mǎn)建立。第一節(jié)經(jīng)典力學(xué)成就和不足第4頁(yè)2、經(jīng)典力學(xué)巨大成就①是人類(lèi)認(rèn)識(shí)史上重大飛躍：經(jīng)典力學(xué)統(tǒng)一了天、地物體運(yùn)動(dòng)，是人類(lèi)對(duì)自然界認(rèn)識(shí)第一次大綜合；標(biāo)志著近代自然科學(xué)誕生；確立了自然科學(xué)理論應(yīng)有基本特征。

②奠定了經(jīng)典物理學(xué)基礎(chǔ)：以經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)天體力學(xué)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)等得到廣泛應(yīng)用，并取得巨大成就。18世紀(jì)60年代，力學(xué)和熱力學(xué)發(fā)展及其與生產(chǎn)結(jié)合，使機(jī)器和蒸汽機(jī)得到改進(jìn)和推廣，引發(fā)了第一次工業(yè)革命。到19世紀(jì)末，以經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)經(jīng)典物理學(xué)，統(tǒng)一了聲學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)和熱學(xué)，能有效地解釋當(dāng)初能觀察到小到超顯微粒子，大到宇宙天體幾乎一切自然現(xiàn)象?；鸺?、衛(wèi)星、飛船、航天飛機(jī)、行星探測(cè)器等經(jīng)典力學(xué)規(guī)律應(yīng)用范例把我們帶進(jìn)了航天時(shí)代。第一節(jié)經(jīng)典力學(xué)成就和不足第5頁(yè)牛頓在前人研究基礎(chǔ)上,取得了非凡成就.運(yùn)動(dòng)三定律和萬(wàn)有引力定律成功地描述了天上行星、衛(wèi)星、彗星運(yùn)動(dòng)，又完滿(mǎn)地解釋了地上潮汐和其它物體運(yùn)動(dòng)。今后人們認(rèn)為自然界一切已知運(yùn)動(dòng)都能夠經(jīng)過(guò)牛頓(經(jīng)典)力學(xué)定律來(lái)解釋.所以牛頓(經(jīng)典)力學(xué)被看作是科學(xué)解釋最高權(quán)威和最終標(biāo)準(zhǔn)。牛頓第6頁(yè)物理學(xué)發(fā)展到19世紀(jì)末期,能夠說(shuō)已經(jīng)到達(dá)了相當(dāng)完美,成熟程度.物理學(xué)輝煌成就，使得不少物理學(xué)家猶豫滿(mǎn)志、沉溺于歡快陶醉之中，于是產(chǎn)生了這么一個(gè)看法：物理學(xué)大廈已經(jīng)落成，今后物理學(xué)家用不著再干什么了,只需要把各種數(shù)據(jù)測(cè)得準(zhǔn)確些就行了.牛頓第7頁(yè)然而，此刻在物理學(xué)萬(wàn)里晴空中卻飄來(lái)了兩朵烏云，物理學(xué)上出現(xiàn)了一系列新發(fā)覺(jué)。這些無(wú)法用經(jīng)典物理學(xué)解釋新發(fā)覺(jué)，使經(jīng)典物理學(xué)陷入了危機(jī)。第一朵與邁克爾遜試驗(yàn)相關(guān)，第二朵與黑體輻射相關(guān)。正是這兩朵烏云飄動(dòng)，引來(lái)了20世紀(jì)物理學(xué)革命暴風(fēng)驟雨，使整個(gè)自然科學(xué)進(jìn)入了一個(gè)嶄新階段。這“兩朵烏云”成為20世紀(jì)偉大物理學(xué)革命導(dǎo)火線。開(kāi)爾文第8頁(yè)事隔不到一年,就從第一朵烏云中降生了相對(duì)論,緊接著從第二朵烏云中降生了量子論.經(jīng)典物理學(xué)大廈被徹底動(dòng)搖.實(shí)際上，在十九世紀(jì)末，光電效應(yīng)、原子光譜和原子穩(wěn)定性等試驗(yàn)事實(shí)也接二連三地和經(jīng)典物理學(xué)理論發(fā)生了尖銳對(duì)立.量子論建立,使人類(lèi)對(duì)物質(zhì)認(rèn)識(shí)由宏觀世界進(jìn)入微觀世界.索爾維會(huì)議第9頁(yè)4、經(jīng)典力學(xué)不足和適用范圍①機(jī)械決定論：經(jīng)典力學(xué)巨大成就，促使人們用力學(xué)觀點(diǎn)去了解自然，把一切自然現(xiàn)象都?xì)w結(jié)為機(jī)械決定論。（有些人斷言：假如在創(chuàng)造世界時(shí)，世界狀態(tài)細(xì)節(jié)便被一位有沒(méi)有限精力勤勉數(shù)學(xué)家全部錄下，他便能推斷出整個(gè)世界未來(lái)發(fā)展。）②絕對(duì)時(shí)空觀：牛頓認(rèn)為，空間是絕對(duì)“平直”，時(shí)間在永遠(yuǎn)“均勻”地流逝著，時(shí)間尺度和空間尺度都是與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)、獨(dú)立存在本體。③兩朵烏云：“晴朗而平靜物理學(xué)天空，有兩朵小小烏云”，一朵同黑體輻射試驗(yàn)相關(guān)；另一朵與以太漂移試驗(yàn)相關(guān)。它們帶來(lái)了一場(chǎng)物理學(xué)革命，所以誕生了相對(duì)論和量子論，奠定了當(dāng)代物理學(xué)基礎(chǔ)。經(jīng)典力學(xué)只適應(yīng)于宏觀低速物質(zhì)世界，而不適應(yīng)于微觀和高速(靠近光速)世界。第一節(jié)經(jīng)典力學(xué)成就和不足第10頁(yè)1、經(jīng)典時(shí)空觀慣性系和非慣性系：凡是牛頓運(yùn)動(dòng)定律成立參考系，稱(chēng)為慣性參考系，牛頓定律不成立稱(chēng)為非慣性參考系。伽利略相對(duì)性原理：對(duì)全部慣性系，力學(xué)規(guī)律都是相同，或者說(shuō)，一切慣性系都是等效。依據(jù)相對(duì)性原理，我們沒(méi)法判斷哪個(gè)慣性系是絕對(duì)靜止或絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。伽利略相對(duì)性原理意味著要找到一個(gè)絕對(duì)靜止參考系是不可能。第二節(jié)相對(duì)論時(shí)空觀第11頁(yè)1、經(jīng)典時(shí)空觀絕對(duì)時(shí)空觀：絕對(duì)時(shí)間，是永遠(yuǎn)均勻地流逝，與任何外界無(wú)關(guān)；絕對(duì)空間，與任何外界事物無(wú)關(guān)，它從不運(yùn)動(dòng)，而且永遠(yuǎn)不變。絕對(duì)時(shí)空觀三條推論：①同時(shí)絕對(duì)性；②時(shí)間間隔絕對(duì)性；③空間間隔絕對(duì)性。絕對(duì)時(shí)空觀還認(rèn)為物體質(zhì)量也是恒定不變，與觀察者運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。第二節(jié)相對(duì)論時(shí)空觀第12頁(yè)2、狹義相對(duì)論基本公設(shè)經(jīng)典物理學(xué)迷惑：光速大小是否與光源相關(guān)？是否與觀察者相關(guān)？為處理矛盾，愛(ài)因斯坦于1905年提出狹義相對(duì)論，其前提是兩條基本假設(shè)：相對(duì)性原理：在不一樣慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同。光速不變?cè)恚翰徽撛谀膫€(gè)慣性系中，測(cè)得真空中光速都相同。尤其提醒：從絕對(duì)時(shí)空觀角度看，這兩條基本假設(shè)是矛盾。所以必須拋棄經(jīng)典絕對(duì)時(shí)間、絕對(duì)空間觀念，才能使二者融洽。第二節(jié)相對(duì)論時(shí)空觀第13頁(yè)3、相對(duì)論時(shí)空觀①同時(shí)是相正確：在一個(gè)慣性參考系中觀察到是同時(shí)發(fā)生兩個(gè)事件，在另一個(gè)慣性系中觀察很可能是不一樣時(shí)。

第二節(jié)相對(duì)論時(shí)空觀火車(chē)靜止時(shí)，車(chē)上小明和站臺(tái)上小芳都觀察到前后兩個(gè)車(chē)門(mén)同時(shí)打開(kāi)。第14頁(yè)3、相對(duì)論時(shí)空觀①同時(shí)是相正確：在一個(gè)慣性參考系中觀察到是同時(shí)發(fā)生兩個(gè)事件，在另一個(gè)慣性系中觀察很可能是不一樣時(shí)。

第二節(jié)相對(duì)論時(shí)空觀火車(chē)運(yùn)動(dòng)時(shí)，站臺(tái)上小芳觀察到：后門(mén)先開(kāi)，前門(mén)后開(kāi)。第15頁(yè)3、相對(duì)論時(shí)空觀①同時(shí)是相正確：在一個(gè)慣性參考系中觀察到是同時(shí)發(fā)生兩個(gè)事件，在另一個(gè)慣性系中觀察很可能是不一樣時(shí)。

第二節(jié)相對(duì)論時(shí)空觀火車(chē)運(yùn)動(dòng)時(shí)，車(chē)上小明觀察到：兩個(gè)車(chē)門(mén)同時(shí)打開(kāi)。第16頁(yè)3、相對(duì)論時(shí)空觀②運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘變慢：時(shí)鐘相對(duì)于觀察者靜止時(shí)，走得快；相對(duì)于觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者看到它變慢了。運(yùn)動(dòng)速度越大，效果越顯著。對(duì)于化學(xué)反應(yīng)、生命過(guò)程等，這一結(jié)論也成立。第二節(jié)相對(duì)論時(shí)空觀第17頁(yè)3、相對(duì)論時(shí)空觀③運(yùn)動(dòng)物體變短：一個(gè)物體相對(duì)于觀察者靜止時(shí)，長(zhǎng)度測(cè)量值最大；運(yùn)動(dòng)時(shí)，在運(yùn)動(dòng)方向上觀察長(zhǎng)度縮短，速度越快，縮得越短。第二節(jié)相對(duì)論時(shí)空觀第18頁(yè)3、相對(duì)論時(shí)空觀④運(yùn)動(dòng)物體質(zhì)量變大：當(dāng)速度靠近光速時(shí)，質(zhì)量趨于無(wú)窮大。假如物體運(yùn)動(dòng)速度比光速小得多時(shí)，物體運(yùn)動(dòng)時(shí)質(zhì)量與物體靜止時(shí)質(zhì)量相等。第二節(jié)相對(duì)論時(shí)空觀

特別提醒①相對(duì)論把原來(lái)認(rèn)為毫無(wú)聯(lián)絡(luò)時(shí)間、空間和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)親密聯(lián)絡(luò)起來(lái)，揭示了它們之間依賴(lài)關(guān)系。是時(shí)空觀發(fā)展史上一次大變革。②相對(duì)論并沒(méi)有完全否定經(jīng)典力學(xué)，經(jīng)典力學(xué)是相對(duì)論在物質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速時(shí)近似結(jié)果。第19頁(yè)三、相對(duì)論；自主學(xué)習(xí)：愛(ài)因斯坦相對(duì)論主要內(nèi)容有哪些？（1）1905年提出了狹義相對(duì)論：

指出時(shí)間和空間都與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)相關(guān)，伴隨物質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度改變而改變。（2）1916年提出了廣義相對(duì)論：

指出空間和時(shí)間不是獨(dú)立存在，它們是物質(zhì)存在形式。愛(ài)因斯坦關(guān)于相對(duì)論比喻。

為了對(duì)這一深?yuàn)W理論做通俗說(shuō)明，愛(ài)因斯坦曾經(jīng)幽默地對(duì)一名男青年說(shuō)：“我打個(gè)比喻，比如你屁股坐在火爐上烤和坐在公園柳蔭下與女士談情說(shuō)愛(ài)，那么，一樣時(shí)間你以為哪一個(gè)更長(zhǎng)？”男青年說(shuō)：“當(dāng)然坐在火爐上烤時(shí)間以為長(zhǎng)久?！边@故事形象說(shuō)明了時(shí)間和空間相對(duì)性。第20頁(yè)1．普朗克能量子假說(shuō)能量子假說(shuō)：物質(zhì)輻射(或吸收)能量時(shí)，能量值不是連續(xù)，而是一份一份地進(jìn)行，每一份就是一個(gè)最小能量單位,稱(chēng)為“能量子”,這個(gè)最小能量E跟輻射頻率v成正比，即E=hv,其中h=6.63×10-34J·s，稱(chēng)為普朗克常量。這是1900年12月14日德國(guó)物理學(xué)家普朗克在德國(guó)物理學(xué)會(huì)年會(huì)上宣讀一扁論文中提出。這個(gè)假說(shuō)與經(jīng)典物理學(xué)格格不入，普朗克所以一直感到不安，以后，愛(ài)因斯坦在量子論道路上漸行漸遠(yuǎn)，深入加劇了普朗克內(nèi)心不安，并所以對(duì)愛(ài)因斯坦提出了嚴(yán)厲批評(píng)。第三節(jié)量子化現(xiàn)象第21頁(yè)2、光電效應(yīng)現(xiàn)象①光電效應(yīng)現(xiàn)象。②經(jīng)典物理學(xué)(光波動(dòng)說(shuō))無(wú)法對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行圓滿(mǎn)解釋。③愛(ài)因斯坦光子說(shuō)能圓滿(mǎn)解釋。第三節(jié)量子化現(xiàn)象第22頁(yè)第三節(jié)量子化現(xiàn)象3