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6经典力学的局限性 第六章万有引力与航天 1 知道牛顿运动定律的适用范围 2 了解经典力学在科学研究和生产技术中的广泛应用 3 知道质量与速度的关系 知道高速运动中必须考虑速度随时间的变化 阅读教材 思考下列问题 1 经典力学有哪些巨大成就 你怎样体会经典力学的作用 2 经典力学是绝对真理吗 3 在高速世界中有哪些奇妙现象 我们要树立怎样的时空观念 4 在微观世界中有哪些奇妙现象 用什么观点来看待微观世界 5 在强引力时 有哪些奇妙现象 6 综上所述 牛顿力学的适用条件是什么 量子力学 相对论 一 经典力学的发展历程和巨大成就 1 请分析比较下列科学家对经典力学的贡献 观察 思维 推理 观察实验 假设 数学推理三者相结合 实验观察 数学推理 实验 数学推理 归纳与演绎 综合与分析 实验观察 两个反面结论 力是维持物体运动的原因 重物体比轻物体下落得快 自由落体运动规律 力学相对性原理 惯性定律 制成了世界上第一架计时摆钟 测量出重力加速度的值 三大运动定律 万有引力定律 实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合 确定了自然科学应有的基本特征 将 实验和数学 相结合的方法推广到物理学的各个分支 形成了完整的经典力学体系 2 经典力学的成就 静力学 描述静止物体 运动学 描述物体运动 动力学 描述物体在受力作用下的运动 经典力学 牛顿力学 3 经典力学模块分类 伽利略 第谷 哥白尼 亚里士多德 笛卡尔 胡克 哈雷等 牛顿说 如果说我看得远 那是因为我站在巨人的肩上 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 万有引力定律更是树立了人们对牛顿物理学的尊敬 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 它没有也不会穷尽一切真理 它也有自己的局限性 它像一切科学理论一样 是一部 未完成的交响曲 那么经典力学在什么范围内适用呢 有怎样的局限性呢 一 从低速到高速 例如 在一个无限大的光滑水平面上 有一质量为m的物体 在一个水平恒力F的作用下 从静止开始运动 根据牛顿第二定律可知物体将以加速度a F m做匀加速直线运动 由运动学公式可知 物体的速度v at 推理 随着时间的推移 物体的速度不断增大 最终可使物体获得任意速度 但事实并非如此 常识告诉我们 物体运动速度是有极限的 现在已知的最大速度是光速 且现在也无法使物体运动超越这个速度 这是经典力学无法解答的 这是什么原因造成的呢 是否经典力学的错误 阿尔伯特 爱因斯坦 创立狭义相对论 第一次 是一位年轻的物理学家几乎仅靠单枪匹马之力引发的 他就是伟大的理论物理学家 阿尔伯特 爱因斯坦 19世纪末科学家们发现 当研究有关光的问题时 用经典物理的理论解释一些相关现象 就会产生尖锐的矛盾 为了解决这一矛盾 爱因斯坦于1905年提出了狭义相对论 爱因斯坦在狭义相对论中阐述了物体以接近光速运动所遵循的规律 得出了一些不同与经典力学的观念和结论 1 在经典力学中 物体的质量是不随运动状态改变的 而狭义相对论认为 物体的质量要随物体运动速度的增大而增大 即 例如 1 v 0 8c时 物体的质量约增大到静止质量的1 7倍 这时经典力学就不再适用了 2 如地球以v 30km s的速度绕太阳公转时 它的质量增大十分微小 可以忽略不计 经典力学完全适用 质速关系 说明 m0为静止质量 m是物体速度为v时的质量 c是真空中的光速 2 运动的物体和静止的物体相比不仅质量变了 而且沿运动方向的长度和时间都要变化 都具有相对性 下面的事例可以帮助我们理解相对论 1971年8月的一天 一名前苏联飞行员例行飞行时 无意中 闯入 古埃及 他看到一座座金字塔刚刚奠起塔基 1982年一位北约飞行员在一次飞行训练中 视野里竟然出现了数百只恐龙 飞机竟然来到史前非洲大陆 1970年一架272客机在飞向迈阿密国际机场的旅途中 也无故 失踪 了10分钟 10分钟后 客机又在原来的地方出现 失踪的一刹那 专家们的惟一的解释是时间 静止 不动了 1994年初 一架意大利客机在非洲海岸上空飞行 突然 客机从控制室的雷达屏幕上消失了 正当地面上的机场工作人员焦急万分之际 客机又在原来的空域出现 雷达又追踪到了客机的讯号 最后 这架客机安全降落在意大利境内的机场 然而 客机上的机组人员和315名乘客 并不知道他们曾经 失踪 过 机长巴达里疑惑不解地说 我们的班机由马尼拉起飞后 一直都很平稳 没有任何意外发生 但控制室竟说失去班机的踪影 实在有点不寻常 不过 事实却不容争辨 到达机场时 每个乘客的手表都慢了20分钟 时间和空间是什么 时间和空间是什么 二 经典力学受速度限制 牛顿力学的绝对时空观 伽利略和牛顿的绝对时空观认为 同一物体运动的时间和长度 位移 在不同的参考系中 测量结果是相同的 牛顿的局限1 绝对时空观认为时间与空间无关 时空与运动无关 是绝对的物理量 2 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 1905年 爱因斯坦 1879 1955 发表了狭义相对论 在宇宙中唯一不变的是光在真空中的速度 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 光速 同时 时间与空间 质量 经典时空观 狭义相对论时空观 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 随速度增大而增大 二 经典时空观与相对论时空观 1 高速的概念所谓高速 就是指运动速度接近于真空中的光速 2 在经典力学中 物体的质量是不随运动状态改变的 而狭义相对论指出 质量要随着物体运动速度的增大而增大 即 3 经典力学只适用于低速运动 不适用于高速运动 三 从低速到高速 1 经典力学不能适用于下列哪些运动 A 火箭的发射B 宇宙飞船绕地球的运动C 勇气号 宇宙探测器的运动D 以99 倍光速运行的电子束解析经典力学在低速运动的广阔领域 包括天体力学的研究 中 经受了实践的检验 取得了巨大的成就 但在高速领域不再适用 故选项A B C适用 D 宏观领域 微观世界 微观粒子所表现出的现象用经典物理理论根本无法解释 二 宏观到微观 19世纪末到20世纪初 人们相继发现了电子 质子 中子等微观粒子 发现它们不仅具有粒子性 面且具有波动性 它们的运动规律不能用经典力学描述 20世纪20年代 建立了量子力学 它能够正确地描述微观粒子运动的规律性 并在现代科学技术中发挥了重要作用 经典力学一般不适用于微观粒子 普朗克创立量子力学 1 宏观世界粒子的运动特点 粒子具有确定的运动轨迹 根据质点的运动规律 应用牛顿力学可以准确地预测质点在某时刻的位置 2 微观世界粒子的运动特点 就单个粒子来说 其运动没有确定的运动轨迹 微观粒子既有粒子性 又有波动性 3 经典力学只适用于宏观世界不适用于微观世界 四 从宏观到微观 2 牛顿定律不适用于下列哪些情况 A 研究原子中电子的运动B 研究 神舟 七号飞船的高速发射C 研究地球绕太阳的运动D 研究飞机从北京飞往纽约的航线解析牛顿力学属于经典力学的研究范畴 适用于宏观 低速运动的物体 并注意到低速和高速的标准是相对于光速 可判定牛顿定律适用于B C D中描述的运动 而A不适用 A 相对论和量子力学的出现 是否表示经典力学失去了意义 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泛和深入 而不表示经典力学失去了意义 它只是使人们认识到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 讨论与交流 三 从弱引力到强引力 万有引力属于弱引力 利用万有引力定律可以解释天体的运动 并预言和发现了海王星和冥王星 首次把天上的星体运动规律与地面物体的运动规律统一起来 但是宇宙中有一些天体 例如白矮星 他们的质量接近太阳 半径却与地球差不多 因此密度高达108 1010kg m3 中子星的密度更是达1016 1019kg m3 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 按牛顿的万有引力定律推算 行星的运动应该是一些椭圆或圆 行星沿着这些椭圆或圆做周期性运动 与实际观测结果不符 经典力学也能作出一些解释 但是 水星旋进的实际观测值比经典力学的预言值多 经典力学的解释不能令人满意 爱因斯坦根据广义相对论计算出水星近日点的旋进还应有43 的附加值 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 讨论与交流 1 实际的天文观测 行星的运行轨道并不是严格闭合的 它们的近日点在不断地旋进 经典力学的解释令人满意吗 用什么理论来圆满地进行了解释 1 经典力学与行星轨道的矛盾按牛顿的万有引力理论 行星应该沿着一些椭圆或圆做周期性运动 而天文观测表明 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 如水星的运动 实际观测到的水星的运动情况与爱因斯坦广义相对论的计算结果吻合的很好 2 经典力学只适用于弱引力 而不适用于强引力 五 从弱引力到强引力 3 多选 以下说法正确的是 A 经典力学理论普遍适用 大到天体 小到微观粒子均适用B 经典力学理论具有一定的局限性C 在经典力学中 物体的质量不随运动状态改变而改变D 相对论和量子力学否定了经典力学理论 解析经典力学理论具有一定的局限性 它只适用于低速 宏观物体的运动 选项A错误 B正确 在经典力学中 物体的质量不随运动状态的改变而改变 即物体的质量和物体运动的速度无关 选项C正确 相对论和量子力学并没有否定过去的科学 而是认为经典力学理论是在一定条件下的特殊情形 选项D错误 BC 六 经典力学的局限性和适用范围 经典力学只适用于物体的低速运动 v c 经典力学不适用于微观领域中物质结构和能量不连续的现象 经典力学规律只在惯性参考系中成立 经典力学规律只能用于宏观 低速 与光速相比 的情形 且只在惯性参考系中成立 惯性参考系 凡是牛顿定律成立的参考系 均称为惯性参考系 简称惯性系 所有相对于惯性系作匀速直线运动的参考系都是惯性系 所有相对于惯性系作变速运动的参考系都是非惯性系 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 经典力学 狭义相对论 广义相对论 量子力学 经典力学与相对论互为补充 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 随着目前认识的宏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 科学的发展是在曲折中不断上升的 补充内容 狭义相对论的两个基本假设1 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 2 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 对 同时 相对性的理解 车厢上的人和地面上的人看到车厢中间灯光到达前后车厢的先后是不一样的 车上的观察者认为光同时到达车厢的前后两壁站台上的观察者认为光先到车厢后壁后到前壁 同时的相对性 1 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是物体运动的速度 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 时间间隔的相对性 对于车厢内的人 对于车厢外的人 h 钟慢效应 2 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物体的长度变短了 这就是所谓的 尺缩效应 二 长度的相对性 v 车上的人看到的车厢的长度 车外的人看到的车厢的长度 尺缩效应 尺缩效应 B 1 下列有关物体的质量与速度的关系的说法 正确的是 A 物体的质量与物体的运动速度无关B 物体的质量随物体运动速度的增大而增大C 物体的质量随物体运动速度的增大而减小D 当物体的运动速度接近光速时 质量趋于零 2 多选 对于公式 下列说法中正确的是 A 式中的m0是物体以速度v运动时的质量B 当物体的运动速度v 0时 物体的质量为m m0 即物体质量改变了 故经典力学不适用 是不正确的C 当物体以较小的速度运动时 质量变化十分微弱 经典力学理论仍然适用 只有当物体以接近光速运动时 质量变化才明显 故经典力学适用于低速运动 而不适用于高速运动D 通常由于物体的运动速度太小 故质量的变化不能引起我们的感觉 在分析地球上物体的运动时 不必考虑质量的变化 CD 3 多选 关于经典力学 狭义相对论和量子力学 下面说法中正确的是 A 狭义相对论和经典力学是相对立 互不相容的两种理论B 在物体高速运动时 物体的运动规律服从狭义相对论理论 在低速运动时 物体的运动服从牛顿定律C 经典力学适用于宏观物体的运动 量子力学适用于微观粒子的运动D 不论是宏观物体 还是微观粒子 经典力学和量子力学都是适用的