人教版必修二高中物理6.6-经典力学的局限性(28张PPT)
文档属性
| 名称 | 人教版必修二高中物理6.6-经典力学的局限性(28张PPT) |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 958.5KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2020-08-25 10:43:12 | ||
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文档简介
(共28张PPT)
第六章
万有引力与航天
经典力学的局限性
自然和自然的法则在黑暗中隐藏；上帝说，让牛顿去吧！于是一切都被照亮。魔鬼说，让爱因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。
力学
热学
光学
经典物理
声学
电磁学
一、经典物理模块分类：
17世纪前在观察与哲学的猜测上对天文、力、热、声、光有了一定认识。
17世纪初—19世纪末是经典物理学体系建立的关键时期
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）
二、经典力学模块分类：
牛顿
万有引力定律
变量数学微积分
牛顿三定律
三、牛顿主要贡献
亚里士多德
伽利略
笛卡尔
牛顿
经验主义：必须有力作用在物体上物体才能运动
理想实验（斜面）：物体保持运动不需要力维持
如果运动中物体没受到力。将以同一速度沿以直线运动。
牛顿定律（惯性定律，加速度定律，作用反作用定律）
哥白尼：日心说
第谷：20年精心观测数据
开普勒研究第谷数据得三个定律
胡克、哈雷进一步认识
牛顿解决椭圆并延伸到万物间有力
万有引力定律
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
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。著名物理学家杨振宁赞颂到：“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年出版的那天。”
第一部分包括：“定义和注释”和“运动的基本定理或定律”。这部分虽然篇幅不大，却极为重要。
第二部分是这些基本定律的作用，包括三篇：第一篇是研究万有引力的；第二篇是讨论介质对物体运动的影响；第三篇是“论宇宙系统”
。
低速世界(经典力学)
高速世界（相对论）
四、经典力学的困境：
在宏观低速的世界：一切都理所当然？
宏观物体低速运动（远小于光速），经典力学完全适用。
时间和空间没有联系，相互独立，与物体及其运动状态都没有关系。
当一些问题(如微观领域的深入)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。
物体的相关物理量（位移、质量、大小等）与物体的运动状态都无关。
例如：船在水中流，水速2m/s，船相对于水顺流而下1m/s，则船相对于岸3m/s.
例如：空间如大房间，提供运动舞台，但不干扰演出，独立于物体及其运动存在。
例如：生活经验：时间如长河，均匀流逝，任何都影响不了它，时间也是独立的。
所以：不管选什么参考系，不管物体怎么运动，物体的位移、时间、长度、质量等等的测量结果肯定是一样的，这是天经地义的。
静止看光速和与光速一起运动算得的光速不一样,物体的速度甚至可以超过光速
高速世界（接近光速）
随着物体线性运动速度的加快，时间会变慢。将一个钟表留在地面上，而携带另一个以很快速度移动，随后进行比较，地上的钟表总比快速移动的快。
物体以接近光线运行的火箭所表现出的长度会比它静止时更短，尽管乘坐火箭的人看来并没有什么两样。爱因斯坦指出，任何物体以光速运动时，其长度将会缩短为零。
物体的质量随速度的增大而增大
1905年，爱因斯坦提出，物体高速时（接近光速），物体所占空间（如长度），物理、化学过程，生命持续时间，都与运动状态有关，时空都与运动相关联了------------狭义相对论
不管你处于什么样的物理状态，你手里做实验得到的结果应该都是一样的。
不管你怎么运动，随便取得一束光来测量速度其结果应该都是一样的
，不可能超过光速。无论你坐在飞驰的火车里还是静止的躺椅中，光速都保持恒定，和你所处的运动状态无关。
四维空间：空间的三维和时间的一维，前后发生的两件事情之间不单有一定的距离、也相差一定的时间。比方：在某个物体上放个日历，随着物体运动和日历的翻动就能发现，该物体除了空间位置在变，其时间也是在不断流逝的。
狭义相对论
自然和自然的法则在黑暗中隐藏；上帝说，让牛顿去吧！于是一切都被照亮。魔鬼说，让爱因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。
趣例：
当你驾驶飞快的汽车通过一个门洞时，从你的角度来看这段距离要比实际距离短得多。这种情况在日常生活中经常被忽略不被注意是因为物体运动速度都很慢，长度收缩现象不明显。
屋子中有两盏灯，A站在两盏灯中间，B以一定速度踩着滑板向一盏灯运动正好到达中间。当两灯同时打开时A看到的现象是两灯同时亮，而B看到的却是面对他的那盏先亮，背对他的那盏后亮。
你现在穿的是25厘米的鞋，但在宇宙飞船上的人测得你穿的鞋的长度可能就只有20厘米了。
说船上的物体下落，从船上看是自由落体，从岸边看就是平抛了
爱因斯坦火车:
A
B
K’系
中点
A
B
K’系
中点
先到B点
再到A点
同时到达A、B
火车上的观测者说:光源在AB的中点,应同时到达A、B两点.地面上的人看见先到达B点，后到A点。
K系
D
C
K系
D
C
按照狭义相对论，不仅“同时”是相对的，有时候，甚至事情的先后也都是相对的。举一个例子，一节长为10米的列车，A在车后部，B在车前部。当列车以0.6c的高速度通过一个站台的时候,突然站台上的人看到A先向B开枪,过了12.5毫微秒,B又向A发射。因而站台上的人作证：这场枪战是由A挑起的。但是，车上的乘客却提供相反的情况，他们说，是B先开枪，过了10毫微秒，A才动手。事件是由B发动的。
到底是谁先动手呢？没有绝对的答案。在这个具体事件中，谁先谁后是有相对性的。在列车参考系中，B先A后，而在车站参考系中则是A先B后。甚至于飞船上的人可能会看到你先把苹果吃了，再看到苹果掉在了地上。
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！
（1）相对时间
狭义相对论认为时间不是绝对的（即固定不变的）。爱因斯坦指出，随着物体（观察者所见到的）运动速度的加快，时间会变慢。
使用同步原子钟已证实了这个结论的正确性，将一个钟表留在地面上，而携带另一个以很快速度移动（如在喷气式飞机上），随后进行比较，静止的钟表总比另一个稍微快一点。
时钟变慢.swf
（1）相对时间
（2）相对长度
爱尔兰物理学家佛兹杰拉德(1851─1901)提出，物质会在运动的方向上收缩（缩小），这意味着根据一个静止观察者的观点，一枚以接近光线运行的火箭所表现出的长度会比它静止时更短，尽管乘坐火箭的人看来并没有什么两样。
爱因斯坦指出，任何物体
以光速运动时，其长度将会缩短为零。
（2）相对长度
（3）相对质量
物体运动时的质量与静止质量的关系
五、从宏观到微观
19世纪末-20世纪初，深入到微观领域，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，很多情况下经典力学说明不了。
爱因斯坦提出的光子的概念，认为光既是电磁波，又是一份一份传播的
原子中的电子只能在分立的特定轨道上运动，只有从一个轨道跳跃到另一个轨道。中间不连续。
任何物体都具有波动性，你坐在椅子上，你是波动的，有波长。
物体的位置是不确定的，只能用几率来反映。
六，从弱引力到强引力
物体间的万有引力是弱引力，经典力学适用
天体半径减小到一定程度时(太阳的引力半径为3
km，地球的引力半径为1
m,如白矮星)，天体间的引力就趋于无穷大
，强引力。黑洞这种极端条件下的宇宙天体。它有极强的吸引力，黑洞本身的巨大质量造成空间弯曲
光之所以会被黑洞吸进去,是因为黑洞引力大造成空间扭曲,光随著被扭曲的空间走而进去黑洞里,大家都知道光只走直线,所以光并不是被引力吸进去的,而是光还是走直线,但空间扭曲而进到黑洞,打个比方,在纸上画一条线,把那张纸扭曲,但展开后它还是一条线。这时候，光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播，但走的已经不是直线，而是曲线。
爱因斯坦广义相对论
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
（1）对证据的质疑：水星旋进数据
观测值：43秒/百年
爱因斯坦计算相对论值：43.03秒/百年
最新相对论值（太阳非正球体）：39.6秒/百年
（2）对共设的质疑：光速不可超越吗？
哲学：光速是否只是某一时空层次的极限速度？随着目前认识的宇观世界更大结构层次的发现，光速是否会被超越？
例如：相对论是一定正确的吗？
例如：量子力学就不会错吗？
量子力学证明质子是可分的，其半衰期约为三万亿年，说明其内部是有复杂结构的。一旦进入超微观，新的时空层次会催生新的理论吗？新的理论会代替量子力学吗？
第六章
万有引力与航天
经典力学的局限性
自然和自然的法则在黑暗中隐藏；上帝说，让牛顿去吧！于是一切都被照亮。魔鬼说，让爱因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。
力学
热学
光学
经典物理
声学
电磁学
一、经典物理模块分类：
17世纪前在观察与哲学的猜测上对天文、力、热、声、光有了一定认识。
17世纪初—19世纪末是经典物理学体系建立的关键时期
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）
二、经典力学模块分类：
牛顿
万有引力定律
变量数学微积分
牛顿三定律
三、牛顿主要贡献
亚里士多德
伽利略
笛卡尔
牛顿
经验主义：必须有力作用在物体上物体才能运动
理想实验（斜面）：物体保持运动不需要力维持
如果运动中物体没受到力。将以同一速度沿以直线运动。
牛顿定律（惯性定律，加速度定律，作用反作用定律）
哥白尼：日心说
第谷：20年精心观测数据
开普勒研究第谷数据得三个定律
胡克、哈雷进一步认识
牛顿解决椭圆并延伸到万物间有力
万有引力定律
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
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。著名物理学家杨振宁赞颂到：“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年出版的那天。”
第一部分包括：“定义和注释”和“运动的基本定理或定律”。这部分虽然篇幅不大，却极为重要。
第二部分是这些基本定律的作用，包括三篇：第一篇是研究万有引力的；第二篇是讨论介质对物体运动的影响；第三篇是“论宇宙系统”
。
低速世界(经典力学)
高速世界（相对论）
四、经典力学的困境：
在宏观低速的世界：一切都理所当然？
宏观物体低速运动（远小于光速），经典力学完全适用。
时间和空间没有联系，相互独立，与物体及其运动状态都没有关系。
当一些问题(如微观领域的深入)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。
物体的相关物理量（位移、质量、大小等）与物体的运动状态都无关。
例如：船在水中流，水速2m/s，船相对于水顺流而下1m/s，则船相对于岸3m/s.
例如：空间如大房间，提供运动舞台，但不干扰演出，独立于物体及其运动存在。
例如：生活经验：时间如长河，均匀流逝，任何都影响不了它，时间也是独立的。
所以：不管选什么参考系，不管物体怎么运动，物体的位移、时间、长度、质量等等的测量结果肯定是一样的，这是天经地义的。
静止看光速和与光速一起运动算得的光速不一样,物体的速度甚至可以超过光速
高速世界（接近光速）
随着物体线性运动速度的加快，时间会变慢。将一个钟表留在地面上，而携带另一个以很快速度移动，随后进行比较，地上的钟表总比快速移动的快。
物体以接近光线运行的火箭所表现出的长度会比它静止时更短，尽管乘坐火箭的人看来并没有什么两样。爱因斯坦指出，任何物体以光速运动时，其长度将会缩短为零。
物体的质量随速度的增大而增大
1905年，爱因斯坦提出，物体高速时（接近光速），物体所占空间（如长度），物理、化学过程，生命持续时间，都与运动状态有关，时空都与运动相关联了------------狭义相对论
不管你处于什么样的物理状态，你手里做实验得到的结果应该都是一样的。
不管你怎么运动，随便取得一束光来测量速度其结果应该都是一样的
，不可能超过光速。无论你坐在飞驰的火车里还是静止的躺椅中，光速都保持恒定，和你所处的运动状态无关。
四维空间：空间的三维和时间的一维，前后发生的两件事情之间不单有一定的距离、也相差一定的时间。比方：在某个物体上放个日历，随着物体运动和日历的翻动就能发现，该物体除了空间位置在变，其时间也是在不断流逝的。
狭义相对论
自然和自然的法则在黑暗中隐藏；上帝说，让牛顿去吧！于是一切都被照亮。魔鬼说，让爱因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。
趣例：
当你驾驶飞快的汽车通过一个门洞时，从你的角度来看这段距离要比实际距离短得多。这种情况在日常生活中经常被忽略不被注意是因为物体运动速度都很慢，长度收缩现象不明显。
屋子中有两盏灯，A站在两盏灯中间，B以一定速度踩着滑板向一盏灯运动正好到达中间。当两灯同时打开时A看到的现象是两灯同时亮，而B看到的却是面对他的那盏先亮，背对他的那盏后亮。
你现在穿的是25厘米的鞋，但在宇宙飞船上的人测得你穿的鞋的长度可能就只有20厘米了。
说船上的物体下落，从船上看是自由落体，从岸边看就是平抛了
爱因斯坦火车:
A
B
K’系
中点
A
B
K’系
中点
先到B点
再到A点
同时到达A、B
火车上的观测者说:光源在AB的中点,应同时到达A、B两点.地面上的人看见先到达B点，后到A点。
K系
D
C
K系
D
C
按照狭义相对论，不仅“同时”是相对的，有时候，甚至事情的先后也都是相对的。举一个例子，一节长为10米的列车，A在车后部，B在车前部。当列车以0.6c的高速度通过一个站台的时候,突然站台上的人看到A先向B开枪,过了12.5毫微秒,B又向A发射。因而站台上的人作证：这场枪战是由A挑起的。但是，车上的乘客却提供相反的情况，他们说，是B先开枪，过了10毫微秒，A才动手。事件是由B发动的。
到底是谁先动手呢？没有绝对的答案。在这个具体事件中，谁先谁后是有相对性的。在列车参考系中，B先A后，而在车站参考系中则是A先B后。甚至于飞船上的人可能会看到你先把苹果吃了，再看到苹果掉在了地上。
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！
（1）相对时间
狭义相对论认为时间不是绝对的（即固定不变的）。爱因斯坦指出，随着物体（观察者所见到的）运动速度的加快，时间会变慢。
使用同步原子钟已证实了这个结论的正确性，将一个钟表留在地面上，而携带另一个以很快速度移动（如在喷气式飞机上），随后进行比较，静止的钟表总比另一个稍微快一点。
时钟变慢.swf
（1）相对时间
（2）相对长度
爱尔兰物理学家佛兹杰拉德(1851─1901)提出，物质会在运动的方向上收缩（缩小），这意味着根据一个静止观察者的观点，一枚以接近光线运行的火箭所表现出的长度会比它静止时更短，尽管乘坐火箭的人看来并没有什么两样。
爱因斯坦指出，任何物体
以光速运动时，其长度将会缩短为零。
（2）相对长度
（3）相对质量
物体运动时的质量与静止质量的关系
五、从宏观到微观
19世纪末-20世纪初，深入到微观领域，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，很多情况下经典力学说明不了。
爱因斯坦提出的光子的概念，认为光既是电磁波，又是一份一份传播的
原子中的电子只能在分立的特定轨道上运动，只有从一个轨道跳跃到另一个轨道。中间不连续。
任何物体都具有波动性，你坐在椅子上，你是波动的，有波长。
物体的位置是不确定的，只能用几率来反映。
六，从弱引力到强引力
物体间的万有引力是弱引力，经典力学适用
天体半径减小到一定程度时(太阳的引力半径为3
km，地球的引力半径为1
m,如白矮星)，天体间的引力就趋于无穷大
，强引力。黑洞这种极端条件下的宇宙天体。它有极强的吸引力，黑洞本身的巨大质量造成空间弯曲
光之所以会被黑洞吸进去,是因为黑洞引力大造成空间扭曲,光随著被扭曲的空间走而进去黑洞里,大家都知道光只走直线,所以光并不是被引力吸进去的,而是光还是走直线,但空间扭曲而进到黑洞,打个比方,在纸上画一条线,把那张纸扭曲,但展开后它还是一条线。这时候，光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播，但走的已经不是直线，而是曲线。
爱因斯坦广义相对论
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
（1）对证据的质疑：水星旋进数据
观测值：43秒/百年
爱因斯坦计算相对论值：43.03秒/百年
最新相对论值（太阳非正球体）：39.6秒/百年
（2）对共设的质疑：光速不可超越吗？
哲学：光速是否只是某一时空层次的极限速度？随着目前认识的宇观世界更大结构层次的发现，光速是否会被超越？
例如：相对论是一定正确的吗？
例如：量子力学就不会错吗？
量子力学证明质子是可分的，其半衰期约为三万亿年，说明其内部是有复杂结构的。一旦进入超微观，新的时空层次会催生新的理论吗？新的理论会代替量子力学吗？