專題一近代物理簡介

問題引入牛頓運(yùn)動定律的適用范圍狹義相對論簡介量子力學(xué)簡介專題一近代物理簡介經(jīng)典力學(xué)與相對論的關(guān)系問題引入17世紀(jì)以來，以牛頓運(yùn)動定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)逐漸發(fā)展完善，在自然科學(xué)研究和工程技術(shù)得到了極為廣泛的應(yīng)用，并獲得了輝煌的成就。實(shí)驗(yàn)事實(shí)還表明，經(jīng)典力學(xué)也不適用于微觀粒子（電子、原子等）的運(yùn)動。那么，牛頓定律的適用范圍是什么呢？但是到了19世紀(jì)末、20世紀(jì)初，人們發(fā)現(xiàn)有些物理現(xiàn)象是跟經(jīng)典力學(xué)相矛盾的。例如，經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為物體的質(zhì)量是固定不變的，可是實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高速電子的質(zhì)量隨其速度的增大而增大。矛盾促進(jìn)了物理學(xué)的發(fā)展，20世紀(jì)初，愛因斯坦創(chuàng)立了狹義相對論和廣義相對論。一、牛頓運(yùn)動定律的適用范圍1.牛頓運(yùn)動定律適用于低速宏觀物體的運(yùn)動通常所見及所用的物體，都屬于宏觀物體，如汽車、飛機(jī)、衛(wèi)星等，這些物體的質(zhì)量可以有很大的差別，但它們都可以被人們所看見，它們的速度也有很大的差別，但與光速相比，它們的運(yùn)動又屬于低速。當(dāng)我們乘坐的交通工具（如火車、汽車、輪船、飛機(jī)等）在加速、減速和轉(zhuǎn)彎時，需要施加力才能使人保持對車的相對靜止。如果以相對于地球運(yùn)動的火車或汽車為參考系，能否用牛頓定律解釋？2.牛頓運(yùn)動定律不是對任何參考系都適用分析：當(dāng)我們乘坐的火車、汽車在加速、減速和轉(zhuǎn)彎時，需要施加力才能使人保持對車的相對靜止。如果以地球?yàn)閰⒖枷?，我們很容易用牛頓運(yùn)動定律來解釋。但是，如果以相對于地球運(yùn)動的火車或汽車為參考系，就不能用牛頓定律解釋。因?yàn)槿嗽诨疖嚒⑵囋诩铀?、減速和轉(zhuǎn)彎時，施加了力，但人相對于火車、汽車來說又是靜止的，沒有加速度，這顯然不能用牛頓運(yùn)動定律解釋清楚。二、狹義相對論簡介在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量是固定不變的，與運(yùn)動狀態(tài)無關(guān)。20世紀(jì)初，著名物理學(xué)家愛因斯擔(dān)提出了狹義相對論，建立了相對論力學(xué)。狹義相對論（單擊播放視頻）(1)時空的相對性相對論摒棄了絕對時空觀，認(rèn)為時間、空間都是相對的，都與物體的運(yùn)動有關(guān)。在一個慣性系里同時發(fā)生的兩個事件，在另一個慣性系里則可能不是同時發(fā)生的。1.狹義相對論的基礎(chǔ)是相對性原理和光速不變原理。(1)相對性原理物理定律在所有慣性系中都是相同的。(2)光速不變原理在所有的慣性系中，光在真空中傳播速度c都是相同的。2.狹義相對論幾個重要結(jié)論(2)長度收縮一個待測物體，它相對于觀察者靜止時的長度為l0，當(dāng)它相對于觀察者高速運(yùn)動時，發(fā)現(xiàn)它的長度l變短了。設(shè)想有一列l(wèi)0=100m長的火車，如果以v=的速度做直線運(yùn)動，我們以地球?yàn)閰⒖枷担L了。(3)時間膨脹當(dāng)時鐘以高速運(yùn)動時，靜止的觀察者用自己的相同時鐘與之對比，將會發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動的時鐘走得慢了。根據(jù)相對論，可以做以下設(shè)想：甲和乙是孿生兄弟，在他們20歲生日時，甲乘高速火箭(v=0.9998c)去作星際旅行，甲在火箭上生活了1年，于21歲生日時回到地球。在這段時間內(nèi)，乙在地球上已經(jīng)過了50年，正以70歲高齡去迎接他21歲的兄弟。這很像中國古代神話中傳說的“天上一日，地上一年”。（4）物體的質(zhì)量m要隨物體的速度v的增大而增大。式中m0是物體靜止質(zhì)量，c是光速。當(dāng)物體的速度接近光速時，其質(zhì)量增大很多，例如，當(dāng)v=0.8c時，m≈1.7m0。顯然，這時經(jīng)典力學(xué)不再適用。（5）質(zhì)能關(guān)系式E=mc2按照質(zhì)能關(guān)系式，相對于能量的改變量DE，必定伴隨著質(zhì)量的改變量Dm，ΔE=Δmc2。核能的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)為質(zhì)能關(guān)系提供了有力的驗(yàn)證，而且也支持了整個相對論理論。相對論的質(zhì)能關(guān)系為核能時代的到來提供了理論依據(jù)。狹義相對論的意義狹義相對論給出了物體在高速運(yùn)動下的運(yùn)動規(guī)律；揭示了質(zhì)量與能量的關(guān)系。這兩項(xiàng)科學(xué)成果，雖然對低速運(yùn)動的宏觀物體效應(yīng)不明顯，但是在研究微觀粒子的運(yùn)動時，卻顯示出了極端的重要性和豐富的內(nèi)容。相對論的結(jié)論已為許多高能物理、核物理實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。(1)自17世紀(jì)以來，以牛頓定律為基礎(chǔ)，經(jīng)過世界各國科學(xué)家的共同努力，已經(jīng)建立起了完整的力學(xué)知識體系，在科學(xué)研究與生產(chǎn)技術(shù)中有廣泛的應(yīng)用．經(jīng)典力學(xué)與天文學(xué)相結(jié)合產(chǎn)生天體力學(xué)（研究衛(wèi)星及天體的運(yùn)動）；經(jīng)典力學(xué)與工程實(shí)際相結(jié)合產(chǎn)生應(yīng)用力學(xué)（研究陸地上的交通工具及空中的飛機(jī)和導(dǎo)彈等）．說明人類認(rèn)識自然界更加深入，它是科學(xué)的進(jìn)步，并不表示經(jīng)典力學(xué)失去意義。3.經(jīng)典力學(xué)與相對論的關(guān)系(2)不同的物理規(guī)律有不同的適用范圍，在各自的適用范圍內(nèi)，我們可以充分發(fā)揮物理規(guī)律的作用。19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，人們深入研究了微觀粒子的運(yùn)動，如電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子，發(fā)現(xiàn)這些微觀粒子同時具有粒子性和波動性，在這個領(lǐng)域，經(jīng)典力學(xué)不再適用。因此，通過深入研究，創(chuàng)立了量子力學(xué)。三、量子力