經(jīng)典力學(xué)的成就及其局限性

經(jīng)典力學(xué)的成就及其局限性演示文稿目前一頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)（優(yōu)選）經(jīng)典力學(xué)的成就及其局限性目前二頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)亞里士多德伽利略笛卡兒惠更斯牛頓國別生活年代古希臘,約公元前384～公元前322年意大利,1564～1642年法國,1596～1650年荷蘭,1629～1695年英國,1642～1727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反面的結(jié)論:①力是維持物體運(yùn)動的原因。②重的物體比輕的物體下落得快。①自由落體運(yùn)動規(guī)律。②力學(xué)相對性原理慣性定律①制成了世界上第一架計(jì)時擺鐘。②測量出重力加速度的值。①三大運(yùn)動定律、②萬有引力定律?？茖W(xué)家對經(jīng)典力學(xué)的貢獻(xiàn)目前三頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)牛頓伽利略、第谷哥白尼、亞里士多德笛卡爾、胡克、哈雷等牛頓所說:"如果說我看得遠(yuǎn),那是因?yàn)槲艺驹诰奕藗兊募缟稀?經(jīng)典力學(xué)金字塔的建立開普勒萬有引力定律牛頓三大定律目前四頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)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,而且要有清晰的邏輯頭腦。

數(shù)學(xué)歸納:事物之間的本質(zhì)聯(lián)系只有通過數(shù)學(xué)才能歸納為能夠測量、應(yīng)用和檢驗(yàn)的公式和定律。目前五頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動定律，萬有引力定律更確立了牛頓的地位,牛頓運(yùn)動定律和萬有引力定律在宏觀、低速、弱引力的廣闊領(lǐng)域,經(jīng)受實(shí)踐檢驗(yàn)。目前六頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)19世紀(jì)末，牛頓定律在各個領(lǐng)域里都取得了很大的成功：在機(jī)械運(yùn)動方面不用說，在分子物理方面，成功地解釋了溫度、壓強(qiáng)、氣體的內(nèi)能。在電磁學(xué)方面，建立了一個能推斷一切電磁現(xiàn)象的Maxwell方程。另外還找到了力、電、光、聲…等都遵循的規(guī)律—能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。當(dāng)時許多物理學(xué)家都沉醉于這些成績和勝利之中。他們認(rèn)為物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到頭了。目前七頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)也就是說：物理學(xué)已經(jīng)沒有什么新東西了，后一輩只要把做過的實(shí)驗(yàn)再做一做，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的小數(shù)點(diǎn)后面再加幾位罷了！

但開爾文畢盡是一位重視現(xiàn)實(shí)和有眼力的科學(xué)家，就在上面提到的文章中他還講到：“但是，在物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處，還有兩朵令人不安的烏云……”正如1900年英國物理學(xué)家開爾文在展望20世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展的文章中說到：“在已經(jīng)基本建成的科學(xué)大廈中，后輩的物理學(xué)家只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了?！?-開爾文--目前八頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)兩朵烏云1、邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)測得光速是不變的。經(jīng)典力學(xué)不能解決高速運(yùn)動問題（接近光速）2、黑體輻射出的能量不是連續(xù)的經(jīng)典力學(xué)不能解釋微觀領(lǐng)域中物質(zhì)結(jié)構(gòu)和能量不連續(xù)的現(xiàn)象目前九頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)熱輻射實(shí)驗(yàn)邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)后來的事實(shí)證明，正是這兩朵烏云發(fā)展成為一場革命性的風(fēng)暴，烏云落地化作春雨，澆灌著兩朵鮮花。目前十頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)經(jīng)典力學(xué)量子力學(xué)相對論微觀領(lǐng)域高速領(lǐng)域目前十一頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)物體運(yùn)動的軌跡依賴于觀察者所處的參考系14-1力學(xué)相對性原理伽利略變換目前十二頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)絕對運(yùn)動：物體相對基本參考系（S系）的運(yùn)動.1、幾個概念相對運(yùn)動：物體相對運(yùn)動參考系（S’系）的運(yùn)動.牽連運(yùn)動：S’系相對S系的運(yùn)動.

一.伽利略坐標(biāo)變換牽連速度

絕對速度相對速度目前十三頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)*目前十四頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)*速度變換公式同時具有絕對性.時間具有絕對性.空間具有絕對性.目前十五頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)加速度變換

在兩相互作勻速直線運(yùn)動的慣性系中,物體運(yùn)動所遵循的力學(xué)規(guī)律具有相同的形式.---伽利略相對性原理（力學(xué)相對性原理）*目前十六頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn) 某航空母艦上的戰(zhàn)斗機(jī)起飛過程中最大加速度是a＝4.5m/s2，飛機(jī)速度要達(dá)到v0＝60m/s才能起飛，航空母艦甲板長為L＝289m，為使飛機(jī)安全起飛，航空母艦應(yīng)以一定速度航行以保證起飛安全，求航空母艦最小速度v是多少？(設(shè)飛機(jī)起飛對航母的狀態(tài)沒有影響，飛機(jī)的運(yùn)動可以看作勻加速運(yùn)動)．目前十七頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)vt2－v02=2ax由得如果航空母艦靜止不動，飛機(jī)正常起飛航空母艦長度至少為L=602/2*4.5=400m航空母艦的長度為289m，飛機(jī)正常起飛嗎？289m400m航空母艦的長度不夠長怎么辦？不能正常起飛目前十八頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)答案：該同學(xué)解法是錯誤的．目前十九頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)以岸為參考系，v＝9m/s.目前二十頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)以船為參考系目前二十一頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)絕對空間:空間與運(yùn)動無關(guān),空間絕對靜止.空間的度量與慣性系無關(guān),絕對不變．絕對時間:時間均勻流逝,與物質(zhì)運(yùn)動無關(guān),所有慣性系有統(tǒng)一的時間.牛頓的絕對時空觀注意牛頓力學(xué)的相對性原理,宏觀、低速的范圍內(nèi),是與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致的.但在高速運(yùn)動情況下則不適用.

目前二十二頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)到了19世紀(jì)末，面對高速運(yùn)動的微觀粒子發(fā)生的現(xiàn)象，經(jīng)典力學(xué)遇到了困難.在新事物面前，愛因斯坦打破了傳統(tǒng)的時空觀，于1905年發(fā)表了題為《論運(yùn)動物體的電動力學(xué)》的論文，提出了狹義相對性原理和光速不變原理，創(chuàng)建了狹義相對論.狹義相對論一深奧難懂著稱，并且他的出現(xiàn)，使整個世界都處于震驚和爭論之中，繼狹義相對論之后，1915年愛因斯坦又建立了廣義相對論，指出空間——時間不可能離開物質(zhì)而獨(dú)立存在，空間的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)取決于物質(zhì)的分布，使人類對于時間、空間和引力現(xiàn)象的認(rèn)識大大深化了。愛因斯坦（1879-1955）目前二十三頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)相對論有狹義相對論、廣義相對論之分：關(guān)于慣性系時空觀的理論狹義相對論（1905）廣義相對論（1915）關(guān)于一般參照系及引力的理論目前二十四頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)真空中的光速是常量，沿各個方向都等于c，與光源或觀測者的運(yùn)動狀態(tài)無關(guān).1狹義相對性原理

物理規(guī)律在所有慣性系中都具有相同的表達(dá)形式.2光速不變原理一狹義相對論的基本假設(shè)目前二十五頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)洛倫茲變換式符合相對論理論的時空變換關(guān)系．設(shè)時，重合;事件P的時空坐標(biāo)如圖所示.*目前二十六頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)1、洛倫茲坐標(biāo)變換式逆變換正變換目前二十七頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)2洛倫茲速度變換式正變換逆變換目前二十八頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)狹義相對論的結(jié)論目前二十九頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)兩種不同的時空觀(一)經(jīng)典時空觀(絕對時空觀)(1)同時的絕對性(2)時間間隔的絕對性(3)空間距離的絕對性時間、長度和質(zhì)量這三者都與參考系的運(yùn)動無關(guān)。(1)同時是相對的(3)動尺變短(4)運(yùn)動的物體質(zhì)量變大（二）相對論時空觀(2)動鐘變慢時間、長度和質(zhì)量這三者都與參考系的運(yùn)動有關(guān)。目前三十頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)基本公式歸納靜止能量能量相對論因子動能質(zhì)量動量靜止質(zhì)量

力狹義相對論動力學(xué)基本公式歸納目前三十一頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)從弱引力到強(qiáng)引力

目前三十二頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)閱讀課本第50頁，歸納萬有引力定律與愛因斯坦引力理論的主要差異：1）牛頓的萬有引力定律認(rèn)為：物體的半徑減小，其表面的萬有引力與半徑的二次方成反比的增大，對于半徑接近于零的物體。其表面上的萬有引力接近于無窮大。目前三十三頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)2）愛因斯坦理論認(rèn)為：物體的半徑減小時，其表面的萬有引力比二次方成反比規(guī)律增大得多，引力趨于無窮大，發(fā)生在接近一個“引力半徑”的時候。何為天體的引力半徑?假定一個球形天體的質(zhì)量不變，并通過壓縮減小它的半徑，天體表面上的引力將會增加，當(dāng)引力趨于無窮大時，被壓縮天體半徑接近的值——“引力半徑”．目前三十四頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)只要天體的實(shí)際半徑遠(yuǎn)大于它們的引力半徑，那么愛因斯坦和牛頓的理論計(jì)算出的力的差異并不很大．但當(dāng)天體的實(shí)際半徑接近引力半徑時，這種差異將急劇增大．這就是說，在強(qiáng)引力的情況，牛頓的萬有引力理論將不再適用．目前三十五頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)水星旋進(jìn)目前三十六頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)1廣義相對性原理所有物理學(xué)規(guī)律對所有的參照系都成立2等效原理二廣義相對論一個均勻的引力場與一個做勻加速運(yùn)動的參考系等價。目前三十七頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)

如果飛船做勻加速運(yùn)動，在光向右傳播的同時，飛船的速度也在不斷增大，因此飛船上觀察者記錄下的光的徑跡是一條拋物線。廣義相對論的幾個結(jié)論1、物質(zhì)的引力使光線發(fā)生彎曲

如果飛船做勻速直線運(yùn)動，船上觀察者記錄下的光的徑跡是一條直線（虛線）飛船外觀察者看到這束光是直線傳播的（水平向右）目前三十八頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)通常物體的引力場都太弱，20世紀(jì)只能觀測到太陽引力場引起的光線彎曲．太陽由于太陽引力場的作用，我們有可能觀測到太陽后面的恒星，最好的觀測時間是發(fā)生日全食的時候．1919年5月29日，發(fā)生日全食，英國考察隊(duì)分赴幾內(nèi)亞灣和巴西進(jìn)行觀測，證實(shí)了愛因斯坦的預(yù)言，這是對廣義相對論的最早證實(shí)．目前三十九頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)各類星體對比

宇宙中有一類恒星，體積很小，質(zhì)量卻很大，叫做矮星，引力勢比地球低的多，矮星表面的時間進(jìn)程比較慢，哪里的發(fā)光的頻率比同種的原子在地球上發(fā)光頻率低，看起來偏紅，這個現(xiàn)象叫做引力紅移．2、引力紅移目前四十頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)

由于物質(zhì)的存在，實(shí)際空間并不是均勻的，空間發(fā)生了“彎曲”：目前四十一頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)狹義、廣義相對論比較狹義相對論廣義相對論不同的慣性參考系中一切物理規(guī)律都是相同的

任何參考系（包括非慣性系）中物理規(guī)律都是相同的真空中的光速在不同慣性參考系中都是相等的

一個均勻的引力場與一個做勻加速運(yùn)動的參考系等價更進(jìn)一步等效原理光速恒定愛因斯坦相對性原理廣義相對性原理目前四十二頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)三、經(jīng)典力學(xué)在分析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)域微觀世界目前四十三頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)經(jīng)典力學(xué)難以解釋微觀粒子的運(yùn)動: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,同時還具有波動性,它們的運(yùn)動在很多情況下不能用經(jīng)典力學(xué)來說明。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)目前四十四頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)電子云電子有波粒二象性，它不像宏觀物體的運(yùn)動那樣有確定的軌道，因此畫不出它的運(yùn)動軌跡。我們不能預(yù)言它在某一時刻究竟出現(xiàn)在核外空間的哪個地方，只能知道它在某處出現(xiàn)的機(jī)會有多少。為此，就以單位體積內(nèi)電子出現(xiàn)幾率，即幾率密度大小，用小白點(diǎn)的疏密來表示。小白點(diǎn)密處表示電子出現(xiàn)的幾率密度大，小白點(diǎn)疏處幾率密度小，看上去好像一片帶負(fù)電的云狀物籠罩在原子核周圍，因此叫電子云。目前四十五頁\總數(shù)四十八頁\編于十三點(diǎn)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,后來薛定諤很快就證明了這兩種理論是完全等價的,是對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,也常常稱為波動力學(xué)。薛定諤力圖用數(shù)學(xué)形式來描述物質(zhì)的波粒二象性,他從麥克斯韋的光