高一物理必修二§6-6经典力学的局限性LI.ppt

1、第六章 万有引力与航天,6-6 经典力学的局限性,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，海王星和冥王星的发现就充分显示了这一点 .,惯性系非惯性系swf,一、经典力学受参考系限制,在惯性系中，牛顿定律成立; 在非惯性系中，牛顿定律不成立.,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，

2、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（18791955）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。,三、狭义相对论的基本原理,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。,同时的相对性1.,同时的相对性2.,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

3、相同的形式。,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。,（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）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。,时钟变慢.swf,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

4、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,（1）相对时间,（2）相对长度 爱尔兰物理学家佛兹杰拉德(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

5、指出，任何物体 以光速运动时，其长度将会缩短为零。,长度收缩1.swf,长度收缩2.swf,（2）相对长度,（3）相对质量,物体运动时的质量与静止质量的关系,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？,万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:,“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

6、真”。,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! ”,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,三、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

7、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,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,四、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1081010kg/m

8、3;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?

9、用什么理论来圆满地进行了解释?,假定一个球形天体的质量不变，并通过压缩减小它的半径，天体表面上的引力将会增加，半径减少到原来的二分之一，引力增加到原来的4倍。这就是平常说的“反平方”规律。爱因斯坦引力理论表明，这个力实际上增加的更快些。天体半径越小，这种差别越大。当引力趋于无穷大时，被压缩天体半径接近的值“引力半径” 在太阳或行星的引力场中，由爱因斯坦和牛顿的理论计算出的力的差异并不很大但当天体的实际半径接近引力半径时，这种差异将急剧增大这就是说，在强引力的情况下，牛顿的万有引力理论将不再适用,讨论与交流,2、何为天体的引力半径?,对于这样的科学发展过程，英国剧作家萧伯纳曾诙谐地说： “科学总

10、是从正确走向错误” 这种调侃倒也不失为一种幽默的表述,讨论与交流,讨论与交流,3、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(3X108ms)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(663X10-34Js)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，而只认为过去的科学是自己在一定条件下的特殊情形,相对论和量子力学是哪一种更广泛的理论的特殊情形呢？我们现在还不知道”,讨论与交流,课堂小结,一、经典力

11、学规律只能用于： 宏观物体、低速运动、惯性系。,惯性参考系： 凡是牛顿定律成立的参考系，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。,二、相对论的基本原理,1、相对性原理,（1）相对时间,（2）相对长度,（3）相对质量,2、光速不变原理,【例题】牛顿定律能适用于下列哪些情况？ A、研究原子中电子的运动 B、研究“神州”五号的高速发射 C、研究地球绕太阳的运动 D、研究飞机从深圳飞往北京的航线,【答案】BCD,【提示】经典力学只适用于处理宏观物体的低速运动。,经典力学的局限性,爱因斯坦给后人的信 一天，爱因斯坦

12、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5000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5000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，5000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。” 罗斯福1933年任美国第32届总统，业绩辉煌。他所以叫爱因斯坦给5000年后的人们写信，要的是名人效应。爱因斯坦是伟

13、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。,1938年8月10日，爱因斯坦写了 致后人书 “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。” “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