人教版 必修二高中物理6.6 经典力学的局限性(26张PPT)

(共26张PPT)
一.经典力学的局限性
二.经典力学的适用范围
四.相对论知识介绍
三.牛顿的科学方法
五.相对论应用链接
6.6
经典力学的局限性
六.爱因斯坦简介
老”牛”,
别以为你的理论绝对正确,
且听俺老”爱”慢慢道来……
经典力学对高速运动不成立
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是
?
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＜＜c时，m≈m0；当v趋近于c时，m趋近于无穷大。因此，当物体的速度远小于真空中的光速时，经典力学完全适用；当物体的速度接近光速时，经典力学就不适用了。
一.
经典力学的局限性：
2.经典力学中速度叠加原理不再成立
设河流中的水相对于河岸的速度为
船相对于水的速度为
则在经典力学中，船相对于岸的速度为
（矢量和），
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。
3.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。
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（参见教材图6.6-1），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。
4.在强引力情况下牛顿引力理论不再适用
本节教材在“科学漫步”栏目《时间和空间是什么？》一文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。
5.两种不同的时空观
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。
二.经典力学的适用范围：
本节教材在“科学足迹”栏目《牛顿的科学生涯》一文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。
三.牛顿的科学方法
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：
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。
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。
四.
相对论知识介绍：
（一）.狭义相对论
2.时间的相对性——“钟慢效应”
时间的相对性符合以下规律：
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”。
3.空间的相对性——“尺缩效应”
空间的相对性符合以下规律：
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。
由于
＜1，所以L＜
L’，即地面上的
观察者观察到运动体的长度变短了。这就是所谓的“尺缩效应”。
4.相对论速度叠加公式
相对论的速度叠加公式为：
?
。
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。
（二）.
广义相对论
1.广义相对论的两个基本原理
2.关于量子力学
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。
例1
相对论给出了物体在(
)状态下所遵循的规律，量子力学给出了(
)
世界所遵循的规律，爱因斯坦引力理论解决了(
)作用下的相关问题，而经典力学只适用于(
)，不适用于(
)。
解析:
相对论给出了物体在高速运动状态下所遵循的规律，量子力学给出了微观世界所遵循的规律，爱因斯坦引力理论解决了强引力作用下的相关问题，而经典力学只适用于低速运动、宏观世界和弱引力作用，不适用于高速运动、微观世界和强引力作用。
例2
爱因斯坦与牛顿的时空观有何不同？对此你如何理解？
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。
例3
地球以3×104m/s的速度绕太阳公转时，它的质量增大到静止质量的多少倍？如果物体的速度达到0.8c?(c为真空中的光速)，它的质量增大到静止质量的多少倍？
增大到静止质量的1.666666667倍。
例4
某列车的静止时的长度为100m。试问：
假如列车做匀速直线运动的速度达到2.7×108m/s，对地面的观察者来说它的长度又是多少？
?
即缩短了56.4m。
例5
μ介子是一种基本粒子，质量为电子的208倍，电荷为+e和—e，速度为0.9966c。它在静止时的平均寿命为2.2×10-6s。据报道，在一组高能物理实验中，测得它通过的平均距离为8km左右，怎样解释这一现象？
提示
由“钟慢效应”进行解释。
解析
根据狭义相对论的时间公式，从地面上观察运动着的μ子的寿命（即其运动的时间）为???
所以，它通过的平均距离为:
??s=v△t=0.9966c△t=0.9966×3.0×108×2.67×10-5m≈8km。
例6
两束电子迎面相对运动，每束电子相对地面的速度大小均为0.9c，试求：相对于一束电子静止的观察者（即观察者和该电子束以相同的速度运动）观察到的另一束电子的速度。
提示
应用相对论速度叠加公式进行计算。
解析
根据相对论速度叠加公式
?
这里u’
=
v
=0.9c，故
即相对于一束电子静止的观察者观察到的另一束电子的速度为0.9945c。
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
。