经典力学的局限性 (2).ppt

学习目标 1 知道经典力学的正确性与局限性 2 知道经典力学的适用范围 了解相对论 量子力学的正确性 3 理解狭义相对论中物体质量与速度的关系 4 通过对牛顿力学适用范围的讨论 使学生知道物理中的结论和规律一般都有其适用范围 认识的知识的变化性和无穷性 培养献身于科学的时代精神 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 1 经典力学取得了哪些辉煌的成就 举例说明见课本P48 经典力学在科学研究和生产技术中有广泛的应用 经典力学与天文学相结合建立了天体力学 经典力学和工程实际相结合 建立了应用力学 如水利学 材料力学 结构力学等从地面上各种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 修建桥梁到设计各种机械 从自行车到汽车 火车 飞机等现代交通工具的运动 从投出篮球到发射导弹 卫星 宇宙飞船 等等 所有这些都服从经典力学规律 讨论思考 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 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 1 在经典力学和狭义相对论中 物体的质量有何不同 讨论思考 在经典力学中位移和时间的测量在不同的参考系中是相同的 相对论认为 同一过程的位移和时间的测量在不同的参考系中是不同的 经典力学中和狭义相对论对位移和时间在不同的参考系中的测量有何不同的看法 讨论思考 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 质 速效应方程是什么 解释各物理量的意义 讨论思考 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 3 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 讨论思考 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 4 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 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 讨论思考 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每百年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 5 归纳万有引力定律与爱因斯坦引力理论的主要差异 1 牛顿的万有引力定律认为 物体的半径减小 其表面的万有引力与半径的二次方成反比的增大 对于半径接近于零的物体 其表面上的万有引力接近于无穷大 2 爱因斯坦理论认为 物体的半径减小时 其表面的万有引力比二次方成反比规律增大得多 引力趋于无穷大 发生在接近一个 引力半径 的时候 讨论思考 6 历史上的科学成就与新的科学成就的关系是什么 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局部情形 被包括在新的科学成就之中 如 当物体的速度远小于光速c 3X108m s 时 相对论与经典理论的结论没有区别 当另一个重要常数即 普朗克常数 h 6 63X10 34J s 可以忽略不计时 量子力学和经典力学的结论没有区别 相对论和量子力学都没有否定过去的科学 讨论思考 课堂小结 一 经典力学规律只能用于 经典力学只适用于解决低速运动 宏观物体 弱引力作用问题 不能用来处理高速运动 微观粒子 强引力作用问题 概念规律练 1 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 经典力学理论的成立具有一定的局限性C 在经典力学中 物体的质量不随运动状态而改变D 相对论与量子力学否定了经典力学理论 知识点一经典力学 BC 2 对于公式 下列说法中正确的是 A 式中的m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m m0 即物体的质量改变了 故经典力学不适用 所以是不正确的C 当物体以较小速度运动时 质量变化非常小 经典力学理论仍然适用 只有当物体以接近光速的速度运动时 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物体D 通常由于物体的运动速度太小 故质量的变化引不起我们的感觉 在分析地球上物体的运动时 不必考虑质量的变化 ACD 3 物理学的发展丰富了人类对物质世界的认识 推动了科学技术的创新和革命 促进了物质生产的繁荣与人类文明的进步 下列表述正确的是 A 牛顿发现了万有引力定律B 牛顿通过实验证实了万有引力定律C 相对论的创立表明经典力学已不再适用D 爱因斯坦建立了狭义相对论 把物理学推到高速领域 AD 4 下面说法中正确的是 当物体运动速度远小于光速时 相对论物理学和经典物理学的结论没有区别 当物体运动速度接近光速时 相对论物理学和经典物理学的结论没有区别 当普朗克常量h 6 63 10 34J s 可以忽略不计时 量子力学和经典力学的结论没有区别 当普朗克常量h 6 63 10 34J s 不能忽略不计时 量子力学和经典力学的结论没有区别A B C D A 5 20世纪以来 人们发现了一些新的事实 而经典力学却无法解释 经典力学