經(jīng)典力學(xué)的局限性

1、基本要求1.了解經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展歷程和偉大成就。2.認(rèn)識(shí)經(jīng)典力學(xué)的局限性和適用范圍。3.體會(huì)科學(xué)理論總是在不斷發(fā)展的。發(fā)展要求1.初步了解微觀和高速世界中的奇妙現(xiàn)象。2.初步了解相對(duì)論、量子論的建立對(duì)人類(lèi)深入認(rèn)識(shí)客觀世界的作用。說(shuō)明1.不要求用相對(duì)論中質(zhì)量隨速度變化的公式進(jìn)行計(jì)算。2.不要求識(shí)記證明經(jīng)典力學(xué)局限性的有關(guān)事實(shí)。第六節(jié)第六節(jié) 經(jīng)典力學(xué)的局限性經(jīng)典力學(xué)的局限性6經(jīng)典力學(xué)的局限性靜力學(xué)靜力學(xué)(描述靜止物體描述靜止物體)運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)動(dòng)學(xué)(描述物體運(yùn)動(dòng)描述物體運(yùn)動(dòng))動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)(描述物體受力作描述物體受力作用下的運(yùn)動(dòng)用下的運(yùn)動(dòng))經(jīng)典力學(xué)經(jīng)典力學(xué)(牛頓力學(xué)牛頓力學(xué))經(jīng)典力學(xué)模塊分類(lèi)牛頓伽利略、第谷

2、哥白尼、亞里士多德笛卡爾、胡克、哈雷等牛頓所說(shuō):如果說(shuō)我看得遠(yuǎn),那是因?yàn)槲艺驹诰奕藗兊募缟稀＝?jīng)典力學(xué)金字塔的建立開(kāi)普勒萬(wàn)有引力定律牛頓三大定律亞里士多德伽利略笛卡兒惠更斯牛頓國(guó)別生活年代古希臘,約公元前384公元前322年意大利,15641642年法國(guó),15961650年荷蘭,16291695年英國(guó),16421727年主要的科學(xué)研究方法觀察、思維、推理觀察實(shí)驗(yàn)、假設(shè)、數(shù)學(xué)推理三者相結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀察、數(shù)學(xué)推理實(shí)驗(yàn)、數(shù)學(xué)推理歸納與演繹、綜合與分析、實(shí)驗(yàn)觀察等力學(xué)方面的主要成就兩個(gè)反面的結(jié)論:力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因。重的物體比輕的物體下落得快。自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律。力學(xué)相對(duì)性原理慣性定律制成了世界上第一架計(jì)

3、時(shí)擺鐘。測(cè)量出重力加速度的值。三大運(yùn)動(dòng)定律、萬(wàn)有引力定律?？茖W(xué)家對(duì)經(jīng)典力學(xué)的貢獻(xiàn) 經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)是經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動(dòng)定律牛頓運(yùn)動(dòng)定律,萬(wàn)有引力定律萬(wàn)有引力定律更確立了牛頓的地位更確立了牛頓的地位,牛牛頓運(yùn)動(dòng)定律和萬(wàn)有引力定律在頓運(yùn)動(dòng)定律和萬(wàn)有引力定律在宏觀、低宏觀、低速、弱引力速、弱引力的廣闊領(lǐng)域的廣闊領(lǐng)域,經(jīng)受實(shí)踐檢驗(yàn)。經(jīng)受實(shí)踐檢驗(yàn)。 由牛頓力學(xué)定律導(dǎo)出的動(dòng)量守恒定由牛頓力學(xué)定律導(dǎo)出的動(dòng)量守恒定律、機(jī)械能守恒律等是航空航天技術(shù)理律、機(jī)械能守恒律等是航空航天技術(shù)理論的基礎(chǔ)?；鸺⑷嗽斓厍蛐l(wèi)星、航天論的基礎(chǔ)。火箭、人造地球衛(wèi)星、航天飛機(jī)、宇宙飛船、行星探測(cè)器等航天器飛機(jī)、宇宙飛船、行星探測(cè)

4、器等航天器的發(fā)射的發(fā)射,都是牛頓力學(xué)規(guī)律的應(yīng)用范都是牛頓力學(xué)規(guī)律的應(yīng)用范例例 1905年,出生于德國(guó)的美籍物理學(xué)家阿爾伯特愛(ài)因斯坦(1879-1955)發(fā)表了狹義相對(duì)論。這個(gè)理論指出在宇宙中唯一不變的是光線在真空中的速度,其它任何事物速度、長(zhǎng)度、質(zhì)量和經(jīng)過(guò)的時(shí)間,都隨觀察者的參考系(特定觀察)而變化。牛頓建立的經(jīng)典力學(xué)已相當(dāng)完善,愛(ài)因斯坦為什么還要提出相對(duì)論。相對(duì)論是否全盤(pán)否定了牛頓的經(jīng)典力學(xué)理論?經(jīng)典力學(xué)的局限性和適用范圍? 經(jīng)典力學(xué)中的空間和時(shí)間 力學(xué)的目的在于描述物體在空間中的位置如何隨時(shí)間而改變。 這里,位置和空間應(yīng)如何理解是不清楚的。設(shè)一架飛機(jī)正在勻速地行駛,從飛機(jī)上投下一枚炸彈。那

5、么,如果不計(jì)空氣阻力的影響,飛行員看見(jiàn)炸彈是沿直線落下的。從地面上觀察這一舉動(dòng)的行人則看到炸彈是沿拋物線落到地面上的。一、對(duì)牛頓運(yùn)動(dòng)定律受參考系限制的認(rèn)識(shí)借助于這一實(shí)例可以清楚地知道不會(huì)有獨(dú)立存在的軌線(路程曲線);而只有相對(duì)于特定的參考物體的軌線?？梢?jiàn),在非慣性系中,牛頓定律不再成立?，F(xiàn)在問(wèn):炸彈所經(jīng)過(guò)的各個(gè)位置是的確在一條直線上,還是在一條拋物線上的呢?經(jīng)典力學(xué)(牛頓運(yùn)動(dòng)定律)在慣性系中成立(適用)。二、經(jīng)典力學(xué)受速度限制的分析 在經(jīng)典力學(xué)中,物體的質(zhì)量是不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的。但是,按照20世紀(jì)初著名物理學(xué)家愛(ài)因斯坦建立的狹義相對(duì)論,質(zhì)量要隨物體運(yùn)動(dòng)速度的增大而增大。物體的質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)

6、系: 式中m0是物體靜止時(shí)的質(zhì)量,m是物體速度為v時(shí)的質(zhì)量,c是真空中的光速 。0221mmvc 可見(jiàn),當(dāng)vc時(shí),mm0;當(dāng)v趨近于c時(shí),m趨近于無(wú)窮大。因此,當(dāng)物體的速度遠(yuǎn)小于真空中的光速時(shí),經(jīng)典力學(xué)完全適用;當(dāng)物體的速度接近光速時(shí),經(jīng)典力學(xué)就不適用了。 0221mmvc 經(jīng)典力學(xué)(牛頓運(yùn)動(dòng)定律)在低速運(yùn)動(dòng)的物體(低速世界)中成立(適用)。水岸船水船岸vvv 設(shè)河流中的水相對(duì)于河岸的速度為v水岸,船相對(duì)于水的速度為v船水,則在經(jīng)典力學(xué)中,船相對(duì)于岸的速度為：這似乎是天經(jīng)地義的。但是,這個(gè)關(guān)系式涉及兩個(gè)不同的慣性參考系,而速度總是與位移(空間長(zhǎng)度)及時(shí)間間隔的測(cè)量相聯(lián)系。相對(duì)論認(rèn)為,同一過(guò)程的

7、位移和時(shí)間的測(cè)量在不同參考系中是不同的,因而上式不能成立。(矢量和)當(dāng)一些問(wèn)題牛頓解釋不了時(shí),它就只好用上帝的萬(wàn)能來(lái)解釋,為此牛頓花費(fèi)了后半生的心血,這正是牛頓的悲劇。不敢相信圖中的橫線是平行的,不過(guò)它就是平行的 兩個(gè)位于中心的圓哪個(gè)大?其實(shí)一樣大的! 三、經(jīng)典力學(xué)在分析宏觀與微觀的困難第二次革命的導(dǎo)火索是物理學(xué)史上的三大發(fā)現(xiàn):倫琴發(fā)現(xiàn)X射線、湯姆生發(fā)現(xiàn)電子 、貝克勒耳發(fā)現(xiàn)天然放射線,使物理學(xué)的研究從宏觀領(lǐng)域進(jìn)入了微觀世界。人們發(fā)現(xiàn),微觀粒子所表現(xiàn)出的現(xiàn)象用經(jīng)典物理理論根本無(wú)法解釋。倫琴發(fā)現(xiàn)X射線湯姆生發(fā)現(xiàn)電子貝克勒耳發(fā)現(xiàn)天然放射線宏觀領(lǐng)域宏觀領(lǐng)域微觀世界微觀世界經(jīng)典力學(xué)難以解釋微觀粒子的運(yùn)動(dòng)

8、: 科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子不僅具有粒子性,同時(shí)還具有波動(dòng)性,它們的運(yùn)動(dòng)在很多情況下不能用經(jīng)典力學(xué)來(lái)說(shuō)明。20世紀(jì)20 年代量子力學(xué)的出現(xiàn),才很好地揭示了微觀世界的基本規(guī)律。經(jīng)典力學(xué)(牛頓運(yùn)動(dòng)定律)在宏觀世界中成立(適用),微觀世界不適用。普朗克創(chuàng)立量子力學(xué)四、兩種不同的時(shí)空觀 科學(xué)漫步欄目中提到了牛頓和愛(ài)因斯坦的兩種不同的時(shí)空觀。 牛頓認(rèn)為:空間是獨(dú)立于物體及其運(yùn)動(dòng)而存在的,時(shí)間也是獨(dú)立于物體及其運(yùn)動(dòng)而存在的,這是一種經(jīng)典時(shí)空觀。 愛(ài)因斯坦則認(rèn)為:在研究物體的高速運(yùn)動(dòng)(速度接近真空中的光速)時(shí),物體的長(zhǎng)度即物體占有的空間,以及物理過(guò)程、化學(xué)過(guò)程,甚至還有生命過(guò)程的持續(xù)時(shí)間,都

9、與它們的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān),空間與時(shí)間不再與物體及其運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)而獨(dú)立存在。這是一種嶄新的時(shí)空觀。(一)經(jīng)典時(shí)空觀(絕對(duì)時(shí)空觀)(1)同時(shí)的絕對(duì)性(2)時(shí)間間隔的絕對(duì)性(3)空間距離的絕對(duì)性 時(shí)間、長(zhǎng)度和質(zhì)量這三者都與參考系的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。(二)相對(duì)論時(shí)空觀(1)同時(shí)是相對(duì)的(3)動(dòng)尺變短(4)運(yùn)動(dòng)的物體質(zhì)量變大(1)不同慣性參考系,物理規(guī)律相同1、兩條基本假設(shè)(2)任何慣性系,光速不變2、狹義相對(duì)論結(jié)論(2)動(dòng)鐘變慢 時(shí)間、長(zhǎng)度和質(zhì)量這三者都與參考系的運(yùn)動(dòng)有關(guān)。愛(ài)因斯坦愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)狹義相對(duì)論論經(jīng)典時(shí)空觀 狹義相對(duì)論時(shí)空觀光速同時(shí)時(shí)間與空間質(zhì)量相對(duì)的絕對(duì)的(不變)絕對(duì)的與運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān),絕對(duì)的與運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān),不變

10、的相對(duì)的與運(yùn)動(dòng)有關(guān),相對(duì)的隨速度增加而增大經(jīng)典時(shí)空觀與相對(duì)論時(shí)空觀五、強(qiáng)引力作用下出現(xiàn)的問(wèn)題 牛頓的萬(wàn)有引力定律取得了巨大的成就,但在一些問(wèn)題上也遇到了困難。例如:水星的公轉(zhuǎn)軌道在不斷旋進(jìn),其實(shí)際觀察值要比經(jīng)典力學(xué)的預(yù)言值多。1915年,愛(ài)因斯坦創(chuàng)立的廣義相對(duì)論對(duì)此則能作出很好的解釋,同時(shí)還預(yù)言光線經(jīng)過(guò)大質(zhì)量星體附近時(shí)會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn),且已被觀測(cè)證實(shí)。 另外,根據(jù)牛頓的理論,當(dāng)天體被壓縮成半徑幾乎為0的一個(gè)點(diǎn)時(shí),引力趨于無(wú)窮大;而愛(ài)因斯坦的理論則認(rèn)為,引力趨于無(wú)窮大發(fā)生在半徑接近一個(gè)引力半徑的時(shí)候,這個(gè)引力半徑的值由天體的質(zhì)量決定。當(dāng)天體的實(shí)際半徑接近引力半徑時(shí),由愛(ài)因斯坦和牛頓引力理論計(jì)算出的力的

11、差異急劇增大,在強(qiáng)引力情況下牛頓引力理論不再適用。牛頓運(yùn)動(dòng)定律只適用于弱引力,在強(qiáng)引力的作用下,牛頓的引力理論不再成立。六、經(jīng)典力學(xué)的適用范圍 經(jīng)典力學(xué)有它的適用范圍:只適用于低速運(yùn)動(dòng),不適用于高速運(yùn)動(dòng);只適用于宏觀世界,不適用于微觀世界;只適用于弱引力情況,不適用于強(qiáng)引力情況。 對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)(速度接近真空中的光速),需要應(yīng)用愛(ài)因斯坦的相對(duì)論。當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于真空中的光速時(shí),相對(duì)論物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論沒(méi)有區(qū)別。 對(duì)于微觀世界,需要應(yīng)用量子力學(xué)。當(dāng)普朗克常數(shù)可以忽略不計(jì)時(shí),量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論沒(méi)有區(qū)別。 對(duì)于強(qiáng)引力情況,需要應(yīng)用愛(ài)因斯坦引力理論。當(dāng)天體的實(shí)際半徑遠(yuǎn)大于它們的引力半徑

12、時(shí),愛(ài)因斯坦引力理論和牛頓引力理論計(jì)算出的力的差異并不很大。總之 經(jīng)典力學(xué)只適用于低速、宏觀、弱引力的情況。 當(dāng)物體的速度遠(yuǎn)小于光速c時(shí),相對(duì)論物理學(xué)和經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論沒(méi)有區(qū)別。 當(dāng)另一個(gè)重要的常數(shù)即普朗克常量可以忽略不計(jì)時(shí),量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論沒(méi)有區(qū)別。經(jīng)典力學(xué)狹義相對(duì)論廣義相對(duì)論量子力學(xué)互為補(bǔ)充,互不矛盾,互不否定共同支撐起物理學(xué)科的骨架。宏觀低速高速微觀世界強(qiáng)引力七、牛頓的科學(xué)方法 科學(xué)足跡中總結(jié)了牛頓的科學(xué)方法,這些科學(xué)方法值得我們借鑒。 重視實(shí)驗(yàn):重視實(shí)驗(yàn),從歸納入手,這是牛頓科學(xué)方法論的基礎(chǔ)。 邏輯推論:為了歸納成功,不僅需要大量的可靠資料與廣博的知識(shí),而且要有清晰的邏輯頭腦。

13、 數(shù)學(xué)歸納:事物之間的本質(zhì)聯(lián)系只有通過(guò)數(shù)學(xué)才能歸納為能夠測(cè)量、應(yīng)用和檢驗(yàn)的公式和定律。Einstein對(duì)相對(duì)論的解釋 當(dāng)你和一個(gè)漂亮姑娘在一起坐一小時(shí),你感覺(jué)只坐了一分鐘,當(dāng)你坐在火爐旁一分鐘,就好象坐了一小時(shí),這就是相對(duì)論。Albert Einstein世紀(jì)偉人補(bǔ)充內(nèi)容1.狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè) 狹義相對(duì)論的整套理論是基于以下兩個(gè)基本假設(shè)之上的： a.愛(ài)因斯坦相對(duì)性原理:在不同的參考系中,一切物理規(guī)律都是相同的。 b.光速不變?cè)?真空中的光速在不同的參考系中都是相同的。2.時(shí)間的相對(duì)性鐘慢效應(yīng)21cvtt式中v是運(yùn)動(dòng)物體的速度,c是真空中的光速,t是運(yùn)動(dòng)體中的觀察者觀察到的時(shí)間間隔,t是

14、地面上的觀察者觀察到的時(shí)間間隔。由于 t,即運(yùn)動(dòng)體中的觀察者觀察到的時(shí)間間隔變短了,從地面上觀察運(yùn)動(dòng)物體的時(shí)間變慢了。這就是所謂的鐘慢效應(yīng) 。21cv時(shí)間的相對(duì)性符合以下規(guī)律:21cvLL21cv3.空間的相對(duì)性尺縮效應(yīng)式中v是運(yùn)動(dòng)物體的速度,c是真空中的光速,L是運(yùn)動(dòng)體中的觀察者測(cè)得的長(zhǎng)度,L是地面上的觀察者測(cè)得的長(zhǎng)度。1,所以LL,即地面上的觀察者觀察到運(yùn)動(dòng)體的長(zhǎng)度變短了,這就是所謂的尺縮效應(yīng) 。由于空間的相對(duì)性符合以下規(guī)律:4.相對(duì)論速度疊加公式相對(duì)論的速度疊加公式為: 21cvuvuu5.廣義相對(duì)論的兩個(gè)基本原理廣義相對(duì)論有以下兩條基本原理: 廣義相對(duì)性原理:在任何參考系中(包括慣性參考系和非慣性參考系)物理規(guī)律都是相同的。 等效原理:一個(gè)均勻的引力場(chǎng)與一個(gè)做勻加速運(yùn)動(dòng)得到參考系是等效的。20世紀(jì)20年代,海森堡、薛定諤、玻爾、玻恩、狄拉克等物理學(xué)家建立了量子力學(xué)。開(kāi)始,海森堡和薛定諤互相獨(dú)立地提出了數(shù)學(xué)表達(dá)形式不同的理論,后來(lái)薛定諤很快就證明了這兩種理論是完全等價(jià)的,是對(duì)同一事物的兩種描述方式。薛定諤的理論更接近德布羅意的物質(zhì)波的觀念,也常常稱(chēng)為波動(dòng)力學(xué)。薛定諤力圖用數(shù)學(xué)形式來(lái)描述物質(zhì)的波粒二