经典力学的局限性

经典力学的局限性,经典力学局限性的掘墓人-,巴东县第三高级中学2013春季学期高一（4）物理教案,阿尔伯特、爱因斯坦,教学目标,知识与技能1知道牛顿运动定律的适用范围2.知道相对论、量子力学和经典力学的关系.过程与方法通过阅读课文体会一切科学都有自己的局限性，新的理论会不断完善和补充旧的理论，人类对科学的认识是无止境的情感、态度与价值观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，认识知识的变化性和无穷性，培养献身于科学的时代精神,提出问题：,1、速度有无极限？,2、微观粒子的行为与宏观物体是否遵循相同的规律？,3、时间和空间是否是绝对一成不变的？,4、牛顿建立的经典力学已相当完善，爱因斯坦为什么还要提出相对论？相对论是否全盘否定了牛顿的经典力学理论？,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。速度远小于光速时，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。,巴东县第三高级中学2013春季学期高一（4）物理教案,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,巴东县第三高级中学2013春季学期高一（4）物理教案,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,巴东县第三高级中学2013春季学期高一（4）物理教案,什么是低速？什么是高速？通常所见的物体的运动皆为低速运动，如行驶的汽车，发射的导弹、人造卫星及宇宙飞船等与光速相接近的速度称为高速，有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近。,巴东县第三高级中学2013春季学期高一（4）物理教案,三.从弱引力到强引力,巴东县第三高级中学2013春季学期高一（4）物理教案,经典力学,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,微观世界,强引力,相对论、量子力学和经典力学的关系.,巴东县第三高级中学2013春季学期高一（4）物理教案,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狭义相对论。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。,巴东县第三高级中学2013春季学期高一（4）物理教案,古希腊的灿烂文化在漫长的黑暗中世纪中埋没风尘，黯然失色。15世纪，文艺复兴的大旗飘扬在欧洲大陆上，自然科学获得新的生命，蓬勃成长。科学巨匠N.哥白尼、第谷、J.开普勒、伽利略以及R.笛卡儿等先后驰名于欧洲。一场科学革命冲破了中世纪封建势力和经院哲学的层层罗网，不断取得胜利。牛顿伟大的科学家，经典物理学理论体系的建立者正是在欧洲出现政治、经济和科学文化新变革的时代诞生的。,巴东县第三高级中学2013春季学期高一（4）物理教案,科学足迹：,17世纪牛顿力学构成了体系.可以说，这是物理学第一次伟大的综合.牛顿建立了两个定律，一个是运动定律，一个是万有引力定律，并发展了变量数学微积分，具有解决实际问题的能力.他开拓了天体力学这一科学，海王星和冥王星的发现就充分显示了这一点.,巴东县第三高级中学2013春季学期高一（4）物理教案,经典力学中的空间和时间力学的目的在于描述物体在空间中的位置如何随“时间”而改变这里，“位置”和“空间”应如何理解是不清楚的设一列火车正在匀速地行驶，我站在车厢窗口松手丢下（不是用力投掷）一块石头到路基上.那么，如果不计空气阻力的影响，我看见石头是沿直线落下的从人行道上观察这一举动的行人则看到石头是沿抛物线落到地面上的现在问：石头所经过的各个“位置”是“的确”在一条直线上，还是在一条抛物线上的呢？,借助于这一实例可以清楚地知道不会有独立存在的轨线（“路程曲线”）；而只有相对于特定的参考物体的轨线,一、对牛顿运动定律受参考系限制的认识,可见，在非惯性系中，牛顿定律不再成立。,巴东县第三高级中学2013春季学期高一（4）物理教案,牛顿力学的绝对时空观绝对的，真正的和数学的时间自己流逝着，并由于它的本性而均匀的与任何外界对象无关的流逝着。牛顿绝对空间，就其本质来说，独立于外界任何事物，总是始终如一和静止不动的。牛顿,二、经典力学受速度限制的分析,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。,巴东县第三高级中学2013春季学期高一（4）物理教案,1905年，出生于德国的美籍物理学家阿尔伯特爱因斯坦（18791955）发表了狭义相对论。这个理论指出在宇宙中唯一不变的是光线在真空中的速度，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。,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。,巴东县第三高级中学2013春季学期高一（4）物理教案,三.狭义相对论的基本原理,巴东县第三高级中学2013春季学期高一（4）物理教案,1、相对性原理,这意味着绝对时间、绝对空间等都是错误的。,不论用什么方法都找不到绝对参照系,即根本不存在绝对参照系,一切惯性系都是平权的。,一切彼此作匀速直线运动的惯性系,对于描述物理规律都是等价的。或在所有惯性系中,物理规律都具有相同的形式。,巴东县第三高级中学2013春季学期高一（4）物理教案,爱因斯坦火车:,同时到达A、B,火车上的观测者说:光源在AB的中点,应同时到达A、B两点,地面上的人看见先到达B点，后到A点。,巴东县第三高级中学2013春季学期高一（4）物理教案,1、相对时间狭义相对论认为时间不是绝对的（即固定不变的）。爱因斯坦指出，随着物体（观察者所见到的）线性运动速度的加快，时间会变慢。使用同步原子钟已证实了这个结论的正确性，将一个钟表留在地面上，而携带另一个以很快速度移动（如在喷气式飞机上），随后进行比较，静止的钟表总比另一个稍微快一点。,巴东县第三高级中学2013春季学期高一（4）物理教案,在相对论物理学的教科书中，通常描写着一个使人难以能理解的故事，一对年轻的孪生兄弟，哥哥乘坐一艘接近光速运动的宇宙飞船，从地球出发，在太空遨游一圈之后返回地球，使人瞠目结舌的事发生了，他的弟弟早已是两鬓斑白，满脸皱纹的古稀老人，而他自己却还是一个十七八岁的英俊少年。,难以能理解的故事,巴东县第三高级中学2013春季学期高一（4）物理教案,相对长度爱尔兰物理学家乔治佛兹杰拉德（18511901）提出，物质会在运动的方向上收缩（缩小），这意味着根据一个静止观察者的观点，一枚以接近光线运行的火箭所表现出的长度会比它静止时更短，尽管乘坐火箭的人看来并没有什么两样。爱因斯坦指出，任何物体以光速运动时，其长度将会缩短为零。,巴东县第三高级中学2013春季学期高一（4）物理教案,相对质量,物体运动时的质量与静止质量的关系,巴东县第三高级中学2013春季学期高一（4）物理教案,趣例：,趣例：,趣例：,趣例：,趣例：,趣例：,趣例：,巴东县第三高级中学2013春季学期高一（4）物理教案,趣例：,趣例：,趣例：,2、光速不变原理,对任何惯性系,在真空中沿任意方向传播的光速都相同,且与光源的运动状态无关。,即谁测真空中的光速都是c,与惯性系的选择及光源无关。,例：宇宙飞船以20万km/s的速度飞行,人在飞船上向前发一束光,光在飞船中以光速c传播,地球上的人测得光速多大？,Km/s,按运动合成得:,1)爱因斯坦理论是牛顿理论的发展,2)光速不变原理适用的条件:,巴东县第三高级中学2013春季学期高一（4）物理教案,“照亮我的道路,并不断给我新的勇气去愉快地正视生活理想的是善、是美、是真”。,“人只有献身社会,才能找出那实际上是短暂而又有风险的生命的意义”!,他剖析自己的科学感受时说：,Einstein对相对论的解释:,当你和一个漂亮姑娘在一起坐一小时,你感觉只坐了一分钟,当你坐在火炉旁一分钟,就好象坐了一小时,这就是相对论。,“科学的头脑就是去怀疑,去证实,去发现的精神!”,巴东县第三高级中学2013春季学期高一（4）物理教案,相对论原稿,相对论好象是：“光彩夺目的火箭，它在黑暗的夜空，突然划出一道道十分强烈的光辉，照亮了广阔的未知领域。”德布罗意,瞬间一别路漫漫，但觉未过光速关。钟尺合须静里用，云山偏向动中看。时空相对非虚语，质能并增岂等闲。权将电波传信息，只缘相见难上难。,跨箭相期星际游，一别瞬息见三秋。动境钟尺多疑难，因果规律乃存留。质能守恒惊人数，时空相对尽眼收。权将光波通信息，归来尚须苦作舟。,巴东县第三高级中学2013春季学期高一（4）物理教案,爱因斯坦给后人的信一天，爱因斯坦正在撰写光电效应定律的论文，美国总统罗斯福打来电话，让他给年后的人们写一封信。爱因斯坦笑了，说：“总统，您真会开玩笑，要我写些什么呢？”罗斯福年任美国第届总统，业绩辉煌。他所以叫爱因斯坦给年后的人们写信，要的是名人效应。爱因斯坦是伟大的科学家，在物理学的许多方面做出了卓越的贡献，特别是相对论，揭示了空间时间的辩证关系，无论在科学上还是在哲学上，都具有重要的历史意义。,巴东县第三高级中学2013春季学期高一（4）物理教案,罗斯福非常郑重地说：“把我们这个时代人们的思想和科学的发展，告诉年后的人们，让他们对我们有所了解。”“这样的信，即使写了也没法寄啊！”爱因斯坦说，“没有这样的邮差。”“这个，我考虑过。”罗斯福成竹在胸，“有的。我们给他们做一个安全固定的信箱，年后，他们到那里去取就是了”爱因斯坦饶有兴趣地点点头说：“还是总统有办法。”,巴东县第三高级中学2013春季学期高一（4）物理教案,“我们的时代富于创造思想。我们的发现本应该可以大大地使我们的生活轻松愉快。我们利用电能横渡大洋。我们使用电能来减轻人类的繁重的体力劳动。我们学会了飞行。我们利用电波很容易地把消息发到全球各地去。”,巴东县第三高级中学2013春季学期高一（4）物理教案,年月日，爱因斯坦写了致后人书,“但是，虽然有着这一切，我们的商品的生产和分配是完全无组织的，人们必须生活在忧虑中，担心被人从经济生活中抛出，失去一切。除此之外，生活在不同国家中的人们每隔一个长短不等的时间就要进行互相杀戮，因此，每一个想到未来的人必然都生活在经常的忧虑中。”“我相信，我们的后人将怀着一种理所当然的优越感读上面这几行文字吧。”,巴东县第