经典力学的局限性.ppt

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1、一、课堂导入,经典力学的基础是牛顿运动定律，万有引力更是建立起了人们对牛顿物理学的尊敬。从地面上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，从投出篮球到发射导弹、人造卫星、宇宙飞船所有都服从经典力学的规律。经典力学在如此广阔的领域里与实际相符，显示了牛顿运动定律的正确性与经典力学的魅力。但是，一切科学一样，经典力学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”。,二、自主学习,自学课本48-49页。,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

2、作用下的运动),经典力学(牛顿力学),三、讲练结合 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,科学家对经典力学的贡献,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。,由牛顿力学定律导出的动量守恒定律、机械能守恒律等是航空航天技术理论的基础。火箭、人造地球卫星、航天飞机、宇宙飞船、行星探测器等航天器的发射,都是牛顿力学规律的应用范例,1905年,出生于德国的美籍物理学家阿尔伯特爱因斯坦(187

3、9-1955)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?,经典力学的局限性和适用范围?,经典力学受速度限制的分析,生活中接触到的运动，速度都远小于真空中的光速。处理这些运动，经典力学完全适用。狭义相对论阐述了物体在以接近光的速度运动时所遵循的规律，得出了一些不同于经典力学的观念和结论。,在经典力学中,物体的质量是不随运动状态改变的。但是,按照20世纪初著名物理学家爱因斯坦建立的狭义相对论

4、,质量要随物体运动速度的增大而增大。物体的质量与运动速度的关系:式中m0是物体静止时的质量,m是物体速度为v时的质量,c是真空中的光速。,可见,当vc时,mm0;当v趋近于c时,m趋近于无穷大。因此,当物体的速度远小于真空中的光速时,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。,经典力学(牛顿运动定律)在低速运动的物体(低速世界)中成立(适用)。,设河流中的水相对于河岸的速度为v水岸,船相对于水的速度为v船水,则在经典力学中,船相对于岸的速度为：,这似乎是天经地义的。但是,这个关系式涉及两个不同的惯性参考系,而速度总是与位移(空间长度)及时间间隔的测量相联系。相对论认为,同一

5、过程的位移和时间的测量在不同参考系中是不同的,因而上式不能成立。,(矢量和),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。,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。设一架飞机正在匀速地行驶,从飞机上投下一枚炸弹。那么,如果不计空气阻力的影响,飞行员看见炸弹是沿直线落下的。从地面上观察这一举动的行人则看到炸弹是沿抛物线落到地面上的。,对牛顿运动定律受参考系限制的认识,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。,可

6、见,在非惯性系中,牛顿定律不再成立。,现在问:炸弹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?,经典力学(牛顿运动定律)在惯性系中成立(适用)。,两种不同的时空观 科学漫步栏目中提到了牛顿和爱因斯坦的两种不同的时空观。牛顿认为:空间是独立于物体及其运动而存在的,时间也是独立于物体及其运动而存在的,这是一种经典时空观。,爱因斯坦则认为:在研究物体的高速运动(速度接近真空中的光速)时,物体的长度即物体占有的空间,以及物理过程、化学过程,甚至还有生命过程的持续时间,都与它们的运动状态有关,空间与时间不再与物体及其运动无关而独立存在。这是一种崭新的时空观。,(一)经典时空观(绝对时空观

7、),(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,时间、长度和质量这三者都与参考系的运动无关。,(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,1、两条基本假设,(2)任何惯性系,光速不变,2、狭义相对论结论,(2)动钟变慢,时间、长度和质量这三者都与参考系的运动有关。,爱因斯坦,狭义相对论,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,随速度增加而增大,经典时空观与相对论时空观,不敢相信图中的横线是平行的,不过它就是平行的,两个位于中心的圆哪个大?

8、其实一样大的!,二、经典力学在分析宏观与微观的困难,第二次革命的导火索是物理学史上的三大发现:伦琴发现X射线、汤姆生发现电子、贝克勒耳发现天然放射线,使物理学的研究从宏观领域进入了微观世界。人们发现,微观粒子所表现出的现象用经典物理理论根本无法解释。,经典力学难以解释微观粒子的运动:科学家们发现,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,它们的运动在很多情况下不能用经典力学来说明。20世纪20 年代量子力学的出现,才很好地揭示了微观世界的基本规律。,经典力学(牛顿运动定律)在宏观世界中成立(适用),微观世界不适用。,普朗克创立量子力学,强引力作用下出现的问题 牛顿的万有引力定

9、律取得了巨大的成就,但在一些问题上也遇到了困难。例如:水星的公转轨道在不断旋进,其实际观察值要比经典力学的预言值多。1915年,爱因斯坦创立的广义相对论对此则能作出很好的解释,同时还预言光线经过大质量星体附近时会发生偏转,且已被观测证实。另外,根据牛顿的理论,当天体被压缩成半径几乎为0的一个点时,引力趋于无穷大;而爱因斯坦的理论则认为,引力趋于无穷大发生在半径接近一个引力半径的时候,这个引力半径的值由天体的质量决定。当天体的实际半径接近引力半径时,由爱因斯坦和牛顿引力理论计算出的力的差异急剧增大,在强引力情况下牛顿引力理论不再适用。,牛顿运动定律只适用于弱引力,在强引力的作用下,牛顿的引力理论

10、不再成立。,四、合作探究,1.爱因斯坦狭义相对论是不是对经典力学的全盘否定？经典力学的适用范围？2.根据爱因斯坦狭义相对论,根据爱因斯坦狭义相对论,质量要随着物体运动速度的增大而增大,即如果是一个物体加速、加速、再加速，它的速度会增加到等于光速甚至大于光速吗？为什么？,五、才华展示,六、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,

11、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。对于强引力情况,需要应用爱因斯坦引力理论。当天体的实际半径远大于它们的引力半径时,爱因斯坦引力理论和牛顿引力理论计算出的力的差异并不很大。,总之,经典力学只适用于低速、宏观、弱引力的情况。当物体的速度远小于光速c时,相对论物理学和经典物理学的结论没有区别。当另一个重要的常数即普朗克常量可以忽略不计时,量子力学和经典力学的结论没有区别。,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.根据公式知道，v=c时，m应是无穷大，随着质

12、量的不断增大，产生加速度的力不断增大。使加速越来越困难。因此一个物体不管怎么加速，它的速度不会等于甚至超过光速。,七、牛顿的科学方法 科学足迹中总结了牛顿的科学方法,这些科学方法值得我们借鉴。重视实验:重视实验,从归纳入手,这是牛顿科学方法论的基础。逻辑推论:为了归纳成功,不仅需要大量的可靠资料与广博的知识,而且要有清晰的逻辑头脑。数学归纳:事物之间的本质联系只有通过数学才能归纳为能够测量、应用和检验的公式和定律。,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。,六、课堂检测,1.通过加速装置对电子施

13、加一个很大的恒力，使电子从静止开始加速，对这一加速过程，下列说法正确的是()A根据牛顿第二定律，电子将不断做匀加速直线运动B电子先做匀加速直线运动，后以光速做匀速直线运动C电子开始做近似匀加速直线运动，后来质量增大，牛顿运动定律不再适用D电子是微观粒子，整个加速过程根本就不能用牛顿运动定律解释,电子在开始加速的阶段，速度很小，远低于光速，虽然它是微观粒子，但此时牛顿运动定律基本适用，可以认为被加速的初始阶段是匀加速直线运动后来速度大了，质量也变大，牛顿运动定律不再适用C正确,C,2.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微观粒子的波动性,D项是微观粒子的运动，经典力学不适用于微观物体的运动,D,A,3.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,七、课堂小结,经典力学的局限性,适用范围,低速宏观弱引力,狭义相对论,两个基本假设,速度的影响,相对性原理光速不变原理,对质量对时间对空间,课下作业,课堂巩固训练,