(共46张PPT)
6.6经典力学的局限性
一、经典力学
1、模块分类:
经典力学
(牛顿力学)
静力学(描述静止物体)
运动学(描述物体运动)
动力学(描述物体受力作
用下的运动)
万有引力定律
2、经典力学的伟大成就
⑴经典力学的建立把人类对整个自然界的认识推进到一个新水平,牛顿从力学上证明了自然界的统一。
⑵经典力学的建立,首次明确了一切自然科学理论应有的基本特征。这标志着近代自然科学理论的诞生,并成为其它各种自然学科的典范。
⑶经典力学的建立对自然科学和科技的发展、社会的进步具有深远的影响。
牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的广阔领域(日常生活,天体的运动)经受了实践的检验,取得了巨大的成就。
著名物理学家杨振宁曾赞颂到:“如果一定要举出某个人、某一天作为近代科学诞生的标志,我选牛顿《自然哲学的数学原理》在1687年出版的那一天。”
像一切科学一样,经典力学没有也不会穷尽一切真理,它也有自己的局限性.
6
经典力学的局限性
静力学(描述静止物体)
运动学(描述物体运动)
动力学(描述物体受力作
用下的运动)
经典力学
(牛顿力学)
经典力学模块分类
牛顿
伽利略、第谷
哥白尼、亚里士多德
笛卡尔、胡克、哈雷等
牛顿所说:"如果说我看得远,那是因为我站在巨人们的肩上。"
经典力学金字塔的建立
开普勒
万有引力定律
牛顿三大定律
经典力学的基础是牛顿运动定律,万有引力定律更确立了牛顿的地位,牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的广阔领域,经受实践检验。
由牛顿力学定律导出的动量守恒定律、机械能守恒律等是航空航天技术理论的基础。火箭、人造地球卫星、航天飞机、宇宙飞船、行星探测器等航天器的发射,都是牛顿力学规律的应用范例……
1905年,出生于德国的美籍物理学家阿尔伯特·爱因斯坦(1879-1955)发表了狭义相对论。这个理论指出在宇宙中唯一不变的是光线在真空中的速度,其它任何事物──速度、长度、质量和经
过的时间,都随观
察者的参考系(特
定观察)而变化。
牛顿建立的经典力学已相当完善,爱因斯坦为什么还要提出相对论。相对论是否全盘否定了牛顿的经典力学理论?
经典力学的局限性和适用范围?
经典力学中的空间和时间
力学的目的在于描述物体在空间中的位置如何随"时间"而改变。
这里,"位置"和"空间"应如何理解是不清楚的。设一架飞机正在匀速地行驶,从飞机上投下一枚炸弹。那么,如果不计空气阻力的影响,飞行员看见炸弹是沿直线落下的。从地面上观察这一举动的行人则看到炸弹是沿抛物线落到地面上的。
一、对牛顿运动定律受参考系限制的认识
借助于这一实例可以清楚地知道不会有独立存在的轨线("路程——曲线");而只有相对于特定的参考物体的轨线。
可见,在非惯性系中,牛顿定律不再成立。
现在问:炸弹所经过的各个"位置"是"的确"
在一条直线上,还是在一条抛物线上的呢?
经典力学(牛顿运动定律)在惯性系中成立(适用)。
二、经典力学受速度限制的分析
在经典力学中,物体的质量是不随运动状态改变的。但是,按照20世纪初著名物理学家爱因斯坦建立的狭义相对论,质量要随物体运动速度的增大而增大。物体的质量与运动速度的关系:
式中m0是物体静止时的质量,m是物体速度为v时的质量,c是真空中的光速
。
可见,当v<经典力学(牛顿运动定律)在低速运动的物体(低速世界)中成立(适用)。
设河流中的水相对于河岸的速度为v水岸,船相对于水的速度为v船水,则在经典力学中,船相对于岸的速度为:
这似乎是天经地义的。但是,这个关系式涉及两个不同的惯性参考系,而速度总是与位移(空间长度)及时间间隔的测量相联系。相对论认为,同一过程的位移和时间的测量在不同参考系中是不同的,因而上式不能成立。
(矢量和)
当一些问题牛顿解释不了时,它就只好用上帝的万能来解释,为此牛顿花费了后半生的心血,这正是牛顿的悲剧。
不敢相信图中的横线是平行的,不过它就是平行的
两个位于中心的圆哪个大?其实一样大的!
三、经典力学在分析宏观与微观的困难
第二次革命的导火索是物理学史上的三大发现:伦琴发现X射线、汤姆生发现电子
、贝克勒耳发现天然放射线,使物理学的研究从宏观领域进入了微观世界。人们发现,微观粒子所表现出的现象用经典物理理论根本无法解释。
伦琴发现X射线
汤姆生发现电子
贝克勒耳发现
天然放射线
宏观领域
微观世界
经典力学难以解释微观粒子的运动:
科学家们发现,电子、质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性,同时还具有波动性,它们的运动在很多情况下不能用经典力学来说明。20世纪20
年代量子力学的出现,才很好地揭示了微观世界的基本规律。
经典力学(牛顿运动定律)在宏观世界中成立(适用),微观世界不适用。
普朗克创立量子力学
四、两种不同的时空观
"科学漫步"栏目中提到了牛顿和爱因斯坦的两种不同的时空观。
牛顿认为:空间是独立于物体及其运动而存在的,时间也是独立于物体及其运动而存在的,这是一种经典时空观。
爱因斯坦则认为:在研究物体的高速运动(速度接近真空中的光速)时,物体的长度即物体占有的空间,以及物理过程、化学过程,甚至还有生命过程的持续时间,都与它们的运动状态有关,空间与时间不再与物体及其运动无关而独立存在。这是一种崭新的时空观。
(一)经典时空观(绝对时空观)
(1)同时的绝对性
(2)时间间隔的绝对性
(3)空间距离的绝对性
时间、长度和质量这三者都与参考系的运动无关。
(二)相对论时空观
(1)同时是相对的
(3)动尺变短
(4)运动的物体质量变大
(1)不同惯性参考系,物理规律相同
1、两条基本假设
(2)任何惯性系,光速不变
2、狭义相对论结论
(2)动钟变慢
时间、长度和质量这三者都与参考系的运动有关。
爱因斯坦
狭义相对论
经典时空观
狭义相对论时空观
光速
同时
时间与空间
质量
相对的,速度可以叠加
绝对的(不变)
绝对的
与运动无关,绝对的
与运动无关,不变的
相对的
与运动有关,相对的
随速度增加而增大
经典时空观与相对论时空观
五、强引力作用下出现的问题
牛顿的万有引力定律取得了巨大的成就,但在一些问题上也遇到了困难。例如:水星的公转轨道在不断旋进,其实际观察值要比经典力学的预言值多。1915年,爱因斯坦创立的广义相对论对此则能作出很好的解释,同时还预言光线经过大质量星体附近时会发生偏转,且已被观测证实。
另外,根据牛顿的理论,当天体被压缩成半径几乎为0的一个点时,引力趋于无穷大;而爱因斯坦的理论则认为,引力趋于无穷大发生在半径接近一个"引力半径"的时候,这个引力半径的值由天体的质量决定。当天体的实际半径接近引力半径时,由爱因斯坦和牛顿引力理论计算出的力的差异急剧增大,在强引力情况下牛顿引力理论不再适用。
牛顿运动定律只适用于弱引力,在强引力的作用下,牛顿的引力理论不再成立。
六、从弱引力到强引力
万有引力定律的发现解释了天体运动的规律,并预言了海王星的存在。它首次使地面物体的运动规律与天上星体的运动规律统一起来,把经典力学推上了当时科学的顶峰。
结论:万有引力属于弱引力。经典力学适用。
但是,按牛顿的万有引力定律推算,行星的运动应该是一些椭圆,行星沿着这些椭圆做周期性运动。然而,实际的天文观测告诉我们,行星的轨道并不是严格闭合的,它们的近日点在不断地旋进,如图所示。
六、经典力学的适用范围
经典力学有它的适用范围:只适用于低速运动,不适用于高速运动;只适用于宏观世界,不适用于微观世界;只适用于弱引力情况,不适用于强引力情况。
对于高速运动(速度接近真空中的光速),需要应用爱因斯坦的相对论。当物体的运动速度远小于真空中的光速时,相对论物理学与经典物理学的结论没有区别。
对于微观世界,需要应用量子力学。当普朗克常数可以忽略不计时,量子力学和经典力学的结论没有区别。
对于强引力情况,需要应用爱因斯坦引力理论。当天体的实际半径远大于它们的引力半径时,爱因斯坦引力理论和牛顿引力理论计算出的力的差异并不很大。
总之
经典力学只适用于低速、宏观、弱引力的情况。
当物体的速度远小于光速c时,相对论物理学和经典物理学的结论没有区别。
当另一个重要的常数即"普朗克常量"可以忽略不计时,量子力学和经典力学的结论没有区别。
经典力学
狭义相对论
广义相对论
量子力学
互为补充,互不矛盾,互不否定共同支撑起物理学科的骨架。
宏观低速
高速
微观世界
强引力
七、牛顿的科学方法
"科学足迹"中总结了牛顿的科学方法,这些科学方法值得我们借鉴。
重视实验:重视实验,从归纳入手,这是牛顿科学方法论的基础。
逻辑推论:为了归纳成功,不仅需要大量的可靠资料与广博的知识,而且要有清晰的逻辑头脑。
数学归纳:事物之间的本质联系只有通过数学才能归纳为能够测量、应用和检验的公式和定律。
Einstein对相对论的解释
当你和一个漂亮姑娘在一起坐一小时,你感觉只坐了一分钟,当你坐在火炉旁一分钟,就好象坐了一小时,这就是相对论。
Albert
Einstein
世纪伟人
补充内容
1.狭义相对论的两个基本假设
狭义相对论的整套理论是基于以下两个基本假设之上的:
a.爱因斯坦相对性原理:在不同的参考系中,一切物理规律都是相同的。
b.光速不变原理:真空中的光速在不同的参考系中都是相同的。
2.时间的相对性——钟慢效应
式中v是运动物体的速度,c是真空中的光速,△t′是运动体中的观察者观察到的时间间隔,△t是地面上的观察者观察到的时间间隔。
由于
<1,所以△t>△t′,即运动体中的观察者观察到的时间间隔变短了,从地面上观察运动物体的时间变慢了。这就是所谓的"钟慢效应"
。
时间的相对性符合以下规律:
3.空间的相对性——尺缩效应
式中v是运动物体的速度,c是真空中的光速,L′是运动体中的观察者测得的长度,L是地面上的观察者测得的长度。
<1,所以L观察到运动体的长度变短了,这就是所谓的"尺缩效应"
。
由于
空间的相对性符合以下规律:
4.相对论速度叠加公式
相对论的速度叠加公式为:
5.广义相对论的两个基本原理
广义相对论有以下两条基本原理:
广义相对性原理:在任何参考系中(包括惯性参考系和非惯性参考系)物理规律都是相同的。
等效原理:一个均匀的引力场与一个做匀加速运动得到参考系是等效的。
20世纪20年代,海森堡、薛定谔、玻尔、玻恩、狄拉克等物理学家建立了量子力学。开始,海森堡和薛定谔互相独立地提出了数学表达形式不同的理论,后来薛定谔很快就证明了这两种理论是完全等价的,是对同一事物的两种描述方式。薛定谔的理论更接近德布罗意的物质波的观念,也常常称为波动力学。薛定谔力图用数学形式来描述物质的波粒二象性,他从麦克斯韦的光的电磁学说得到启发,认为电子的德布罗意波也可以用类似于光波的方式来描述,于是写出了描述物质波的方程,这就是
6.关于量子力学
著名的薛定谔方程。这个方程既描述了电子的物质波的行为,又含有电子的粒子性的特征。
量子力学出现以后,在说明原子结构方面迅速取得了巨大的成功,很快地被物理学家所接受。现在它的应用已远远超出原子结构的范围,成为物理学家研究微观世界的基本理论工具。
本节知识的应用主要涉及经典力学的局限性,以及对相对论与量子力学的初步了解。
2005
世界物理年
纪念爱因斯坦狭义相对论诞生100周年与爱因斯坦逝世50周年。
让物理走近大众,让世界拥抱物理
A.爱因斯坦
——
20世纪最伟大的物理学家。1879年3月14日生于德国乌耳姆,1900年毕业于瑞士苏黎世联邦工业大学。1905年,爱因斯坦在科学史上创造了史无前例的奇迹——
建立了狭义相对论,推动了整个物理学理论的革命。1955年4月19日在美国逝世。
机动
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结束
相对论的时空观念与人们固有的时空观念差别很大,很难被普通人所理解。人们都称赞爱因斯坦伟大,但又常常弄不懂这伟大的内容。这使人们想起英国诗人波谱歌颂牛顿的诗句:
自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中,
上帝说:“让牛顿去吧,”于是一切都成为光明。
后人续写道:
上帝说完多少年之后,
魔鬼说:“让爱因斯坦去吧,”于是一切又回到黑暗中。
1905年,除去博士论文外,爱因斯坦连续发表了4篇重要论文,其中任何一篇,都够得上拿诺贝尔奖。3月,发表了解释光电效应的论文,提出光子说;5月,发表关于布朗运动的论文,间接证明了分子的存在;6月,发表“论运动媒质的电动力学”的论文,提出了狭义相对论;9月发表了有关质能关系式的论文,指出能量等于质量乘光速的平方E
=
mc2
。
例题1:对于时空观的认识,下列说法正确的是( )
A.相对论给出了物体在低速运动时所遵循的规律
B.相对论具有普遍性,经典物理学为它在低速运动时的特例
C.相对论的出现使经典物理学在自己的适用范围内不再继续发挥作用
D.经典物理学建立在实验的基础上,它的结论又受到无数次实验的检验,因此在任何情况下都适用。
B
例题2:爱因斯坦的引力理论成就表现在( )
A.预言和发现了冥王星和海王星
B.
水星近日点旋进存在每百年43″的附加值
C.
预言了黑洞的存在
D.
天体间的引力与半径的平方成反比
BC
例题3:火箭以0.75c的速度离开地球,从火箭上向地球发射一个光信号.火箭上测得光离开的速度是c,根据过去熟悉的速度合成法则,光到达地球时地球上测得的光速是多少?根据狭义相对性原理呢?
0.25C、C
例题4:如果真空中的光速为c=3.0×108
m/s,当一个物体的运动速度为v1=2.4×108
m/s时,质量为3
kg。当它的速度为1.8×108
m/s时,质量为多少?
m=2,25kg