(16) 经典力学的局限性.ppt

01 56 牛顿 一 牛顿主要贡献 01 56 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 伽利略 第谷 哥白尼 亚里士多德 笛卡尔 胡克 哈雷等 开普勒 经典力学 第一次比较完整表述了惯性定律 解决了完全弹性碰撞问题 发现了行星运动规律 01 56 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 如 18世纪60年代 力学与热力学的发展及其与生产的结合 使机器和蒸汽机得到改进和推广 引发了第一次工业革命 如 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 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 四 两种不同的时空观 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 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 01 56 爱因斯坦 狭义相对论 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 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 相对的 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 练习 五 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 普朗克创立量子力学 经典物理对物理学思想和科学方法作了重点总结 它只适用于宏观低速的物体 相对论和量子论则适用于微观高速粒子的运动 因此 相对论和量子力学的建立 并不是对经典力学的否定 六 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 参见教材图7 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 七 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 八 牛顿的科学方法 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 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 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 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 由于 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 6 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 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 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 相对论和量子力学的出现 说明人类对自然界的认识更加广阔和深入 而不表示经典力学失去了意义 历史上的科学成就不会被新的科学成就所否定 而是作为某些条件下的特殊情形 被包括在新的科学成就之中 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