人教版高中物理必修2第六章 万有引力与航天6. 经典力学的局限性 课件.ppt

高中物理人民教育出版社必修2 6 6经典力学的局限性 浙江省绍兴市越州中学张惠作 一 经典力学 牛顿力学 2 研究物体的机械运动现象和规律 6 科学特征 方法科学 理论严密 体系完整 经受大量实践检验 3 以牛顿运动定律和万有引力定律为基础 5 局限性 适用范围 宏观 低速 弱引力的广阔领域 绝对是真理 1 经典力学是力学的一门分支学科 是20世纪前的力学 不适用范围 微观 高速 强引力领域 4 发展历史与巨大成就 不是绝对真理 相对性 发展性 兼容性 大胆质疑 勇于创新的科学精神 实事求是 严密论证 密切联系实践的科学态度 二 经典力学的局限性 1 从低速到高速 2 从宏观到微观 3 从弱引力到强引力 经典力学 狭义相对论 经典时空观 狭义相对论时空观 经典力学 经典力学 量子力学 广义相对论 确定性 连续性 随机性 量子化 经典时空观与引力 新时空观与引力 为什么会不适用呢 实践中 遇到新问题 新困难 当用原有的观念 方法 理论无法解决时 需要解放思想 转变观念 经典力学 互为补充 互不矛盾 互不否定 新兼容旧 宏观低速弱引力 高速 微观世界 强引力 从地面上物体的运动到天体的运动 从大气的流动到地壳的变动 从拦河筑坝 建楼造桥到设计各种机械 从自行车到汽车 火车 飞机等现代的交通工具 从投出篮球到发射导弹 人造卫星 宇宙飞船等 这些运动都服从经典力学的规律 牛顿原著 自然哲学的数学原理 1687年出版 牛顿居功至伟 经典力学体系建立者 杨振宁 原理 出版是近代科学诞生的标志 原理 是经典力学的基础 在以后的200多年里几乎统治了物理学的各个领域 牛顿运动定律和万有引力定律把天体的运动与地上物体的运动统一起来 是人类对自然界认识的第一次大综合 是人类认识史上的一次重大飞跃 思想成就 法国著名天文学家和天体力学家拉普拉斯的评价 原理 将成为一座永垂不朽的深邃智慧的纪念碑 它向我们揭示了伟大的宇宙定律 这部著作是高于人类一切其他思想产物的杰作 给予人类智慧以光荣 科学方法 影响深远 经典力学方法的典型就是伽利略和牛顿的研究方法 伽利略开创了将实验 逻辑 数学 相结合的方法 牛顿的方法可称为 归纳 演绎法 牛顿第一个大量运用数学方法系统地整理物理学理论 他的方法与一般演绎法的不同之处在于 演绎的结果必须诉诸实验验证 伽利略和牛顿的科学方法影响深远 成为后来物理学家的一种朴实的自发倾向 并不断得到发展和完善 逐渐成为一种传统 甚至作为社会科学和哲学的方法论 意义也是很大的 后来的许多理论 包括相对论和量子力学 它们的形成都受到 原理 的影响 继承 发扬光大 科学成就 笛卡儿 伽利略 开普勒 哥白尼 阿基米德等 卡文迪许 惠更斯 培根等 前有 巨人 奠定基石 牛顿名言 如果我比别人看得远些 那是因为我站在巨人的肩上 你知道巨人的名字吗 后有 大师 发展完善 1736年 欧拉写成了 力学 一书 把牛顿的质点力学推广到刚体的场合 引入了惯量的概念 论述了刚体运动的问题 1738年 伯努利出版了 流体力学 解决了流体运动问题 还有许多在牛顿定律基础上建立的诸如弹性力学 材料力学和结构力学等多门工程力学学科 应用广泛 成就巨大 拉普拉斯在1799 1825年间完成的 天体力学 专门用牛顿力学处理天体问题 解决了各种各样的疑难 成为航空航天技术的理论基础 十九世纪末 以经典力学为基础的经典物理学已达到前所未有的顶峰 随着电磁波的发现 认识到热辐射是电磁波 光也是电磁波 物理学再次实现光 热 电的大统一 然而 正是这高速的电磁波的运动规律 黑体热辐射的 紫外灾难 揭示了经典力学的局限性 二十世纪初 随着电子发现 物理学进入到原子内部的微观领域 经典力学的规律也不适用 什么是 高速 什么物质 高速 运动 光速或接近光速 电磁波 等于光速 高能微观粒子 接近光速 宏观物体的运动都是低速的 真空中光速 如地球绕太阳公转的速度为 子弹相对飞船速度多少 光相对飞船的速度多少 伽利略变换 实验测量表明 不论光源和观察者做怎样的相对运动 光速都是恒定的 光速恒定的特性 经典力学的伽利略变换不适用了 爱因斯坦发现经典力学的时空观念需要修正 神化故事中时空观 西游记 天上一日 地上一年西天七日 人间千年 经典时空观 绝对时空观 狭义相对论时空观 1 同时是相对的 3 运动的尺子缩短 尺缩效应 4 运动的物体质量变大 2 运动的时钟变慢 钟慢效应 时间 长度和质量都与参考系的运动有关 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 微观和宏观的尺度 芝麻粒 小米粒 细沙粒等小颗粒 宏观 微观 肉眼看得见 花粉粒 600倍显微镜 近距离射击 子弹穿越略大于子弹的孔 位置确定 宏观运动的确定性 电子快速通过 微观孔 打到靶上 铝箔 微观孔为铝晶体晶格间隙 靶子 荧光屏 位置不确定 微观粒子在微观世界运动的不确定性 原子内部 微观世界 电子的运动 电子绕原子核做圆周运动 不适用 圆周运动模型 加上能量量子化假设 不能普适 电子云 波函数 适用 微观粒子在微观世界运动的不确定性 普朗克从1894年起投入对黑体辐射的研究 奋斗了6年 在用经典理论无法解释实验结果的情况下 提出了崭新的量子假说 成功的解决了 紫外灾难 的问题 经典力学认为 能量是连续的 量子力学认为 能量是不连续的 普朗克的量子假说认为 物质辐射的能量是一份一份的 就像物体是由一个一个原子构成的一样 一份能量就是一个能量子 大小取决于频率 与频率成正比 是普适常数6 63 10 34J s 是频率 一个原子的原子能变化量很小 是不连续的 是一个能量子的整数倍 实际的天文观测发现 水星的运行轨道并不是严格闭合的 它的近日点在不断地旋进 弱引力与强引力的区别 经典力学的解释不能令人满意 弱引力与强引力的区别 爱因斯坦创立广义相对论圆满解释了水星旋进现象 同时还预言了光线在经过大质量的星体附近时 如经过太阳附近时会发生偏转现象 并且都被观测证实 广义相对论认为 光线通过强引力场时 光线会发生弯曲 即强引力场时空会发生弯曲 如图所示 宇宙中有一些天体 例如白矮星 中子星 黑洞 这些天体表面的引力比我们常见的引力强的多 牛顿的引力理论已经不适用了 思考问题 根据什么量判断强引力和弱引力 引力大 就是强