E 从牛顿到爱因斯坦.ppt

1、E 从牛顿到爱因斯坦,自然和自然的法则在黑暗中隐藏；上帝说，让牛顿去吧！于是一切都被照亮。魔鬼说，让爱因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。,1,一、经典物理模块分类：,17世纪前在观察与哲学的猜测上对天文、力、热、声、光有了一定认识。,17世纪初19世纪末是经典物理学体系建立的关键时期,2,静力学（描述静止物体）,运动学（描述物体运动）,动力学（描述物体受力作 用下的运动）,经典力学 （牛顿力学）,二、经典力学模块分类：,3,牛顿,三、牛顿主要贡献,4,5,6,哥白尼：日心说,第谷：20年精心观测数据,开普勒研究第谷数据得三个定律,胡克、哈雷进一步认识,牛顿解决椭圆并延伸到万物间有力,万有引力定

2、律,7,伽利略、第谷,哥白尼、亚里士多德,笛卡尔、胡克、哈雷等,牛顿所说：“如果说我看得远，那是因为我站在巨人们的肩上。”,经典力学金字塔的建立,开普勒,8,经典力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律更确立了牛顿的地位，牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的广阔领域，经受实践检验。著名物理学家杨振宁赞颂到：“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年出版的那天。”,第一部分包括：“定义和注释”和“运动的基本定理或定律”。这部分虽然篇幅不大，却极为重要。 第二部分是这些基本定律的作用，包括三篇：第一篇是研究万有引力的；第二篇是讨论介质对物

3、体运动的影响；第三篇是“论宇宙系统” 。,9,经典力学的困境,低速世界(经典力学),高速世界（相对论）,四、经典力学的困境：,10,在宏观低速的世界：一切都理所当然？,当一些问题(如微观领域的深入)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。,11,所以：不管选什么参考系，不管物体怎么运动，物体的位移、时间、长度、质量等等的测量结果肯定是一样的，这是天经地义的。,静止看光速和与光速一起运动算得的光速不一样,物体的速度甚至可以超过光速,12,高速世界（接近光速）,1905年，爱因斯坦提出，物体高速时（接近光速），物体所占空间（如长度），物理、化学过程

4、，生命持续时间，都与运动状态有关，时空都与运动相关联了-狭义相对论,13,狭义相对论,自然和自然的法则在黑暗中隐藏；上帝说，让牛顿去吧！于是一切都被照亮。魔鬼说，让爱因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。,14,趣例：,15,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。,16,按照狭义相对论，不仅“同时”是相对的，有时候，甚至事情的先后也都是相对的。举一个例子，一节长为10米的列车，A在车后部，B在车前部。当列车以0.6c的高速度通过一个站台的时候,突然站台上的人看到A先向B开枪,过了12.5毫微秒,B又向A发射。因

5、而站台上的人作证：这场枪战是由A挑起的。但是，车上的乘客却提供相反的情况，他们说，是B先开枪，过了10毫微秒，A才动手。事件是由B发动的。,到底是谁先动手呢？没有绝对的答案。在这个具体事件中，谁先谁后是有相对性的。在列车参考系中，B先A后，而在车站参考系中则是A先B后。甚至于飞船上的人可能会看到你先把苹果吃了，再看到苹果掉在了地上。,17,不敢相信图中的横线是平行的，不过它就是平行的,18,两个位于中心的圆哪个大？其实一样大的！,19,（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

6、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,20,21,22,（1）相对时间,23,（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。 爱因斯坦指出，任何物体 以光速运动时，其长度将会缩短为零。,24,（2）相对长度,25,（3）相对质量,物体运动时的质量与静止质量的关系,26,五、从宏观到微观,19世纪末-20世纪初

7、，深入到微观领域，发现电子、质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性，同时还具有波动性，很多情况下经典力学说明不了。,27,六，从弱引力到强引力,光之所以会被黑洞吸进去,是因为黑洞引力大造成空间扭曲,光随著被扭曲的空间走而进去黑洞里,大家都知道光只走直线,所以光并不是被引力吸进去的,而是光还是走直线,但空间扭曲而进到黑洞,打个比方,在纸上画一条线,把那张纸扭曲,但展开后它还是一条线。这时候，光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播，但走的已经不是直线，而是曲线。,28,经典力学,狭义相对论,广义相对论,量子力学,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,高速,微观世界,强引力,2

8、9,经典力学的成就和局限性,一、经典力学的发展过程及伟大成就,二、经典力学局限性：,1、不能解决高速运动问题（接近光速）,2、不适用于微观领域中物质结构和能量不连续的现象,30,一、经典时空观（绝对时空观）：,（1）同时的绝对性,（2）时间间隔的绝对性,（3）空间距离的绝对性,超新星爆发的持续时间：,经典时空观与相对论时空观,实际：2年！？,时间、长度和质量这三者都与参考系的运动无关。,31,经典时空观与相对论时空观,二、相对论时空观:,（1）同时是相对的,（3）动尺变短,（4）运动的物体质量变大,（1）不同惯性参考系，物理规律相同,2、狭义相对论结论：,（2）动钟变慢,时间、长度和质量这三者

9、都与参考系的运动有关。,32,相对的,绝对的（不变）,绝对的,与运动无关，绝对的,与运动无关，绝对的，不变的,相对的,与运动有关，相对的,随速度增加而增大,经典时空观与相对论时空观,33,1632年,Galileo在“萨尔瓦阿蒂”大船上做过的实验：,34,1905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

10、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。,35,三.狭义相对论的基本原理,36,1、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.swf,同时的相对性2.swf,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。,37,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。,38,1、相对时间 狭义相对论认为时间不是绝对的（即固定不变的）

11、。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。,时钟变慢1.swf,39,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。,长度收缩1.swf,长度收缩2.swf,40,相对质量,物体

12、运动时的质量与静止质量的关系,41,2、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:,42,“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

13、 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! ”,43,力学单位制,44,物理学的关系式,物理学的关系式确定了物理量之间的关系，也指它确定了物理量的单位间的关系。,例如,m/s,m/s2,Fma,1N=1kgm/s2,45,基本单位和导出单位,这些被选定的物理量叫做基本量，它们的单位叫基本单位；,只要选定几个物理量的单位，就能够利用物理量之间的关系推导出其他物理量的单位。,由基本量根据物理关系推导出来的其他物理量的单位叫做导出单位。,46,单位制,由基本单位和导

14、出单位一起组成单位制。,47,国际单位制,1960年第11届国际计量大会制定了一种国际通用的、包括一切计量领域的单位制，叫做国际单位制，简称SI。,在力学范围内，国际单位制规定长度、质量、时间为三个基本单位，它们的单位是米（m）、千克（kg）、秒（s）为基本单位。,在整个物理学中，国际单位制规定了七个基本单位。见下页,48,一、SI基本单位,单位制,49,单位制,常用的力学量的SI单位（导出单位）,50,例1 ：一个静止在光滑水平面上的物体，质量是7kg，在14N的恒力作用下，5s末的速度是多大？ 5s内通过的路程是多大？,单位制在物理学中的应用,在解题计算时，已知量均采用国际单位制，计算过程中不用写出各个量的单位，只要在式子末尾写出所求量的单位即可,1、简化计算过程的单位表达,物理情景,v0=0,物体在上述过程作匀变速直线运动吗？为什么？,51,解：,统一单位制,有的同学，解题时，单位弄错，常常说自己粗心。其实是单位制没有掌握好。代入数据前应统一单位制这点要形成习惯08,单位制在物理学中的应用,52,结果对吗？ 单位对，结果不一定对，但对结果可以“放心”一点 单位不对，结果则肯定不对,物理公式既反映了各物理量间的数量关系，同时也确定了各物理量的单位关系因此，在解题中可用单位制来粗略判断结果是否正确，如单位制不对，结