專題一近代物理簡介

問題引入牛頓運動定律的適用范圍狹義相對論簡介量子力學簡介專題一近代物理簡介經典力學與相對論的關系問題引入17世紀以來，以牛頓運動定律為基礎的經典力學逐漸發(fā)展完善，在自然科學研究和工程技術得到了極為廣泛的應用，并獲得了輝煌的成就。實驗事實還表明，經典力學也不適用于微觀粒子（電子、原子等）的運動。那么，牛頓定律的適用范圍是什么呢？但是到了19世紀末、20世紀初，人們發(fā)現(xiàn)有些物理現(xiàn)象是跟經典力學相矛盾的。例如，經典力學認為物體的質量是固定不變的，可是實驗發(fā)現(xiàn)，高速電子的質量隨其速度的增大而增大。矛盾促進了物理學的發(fā)展，20世紀初，愛因斯坦創(chuàng)立了狹義相對論和廣義相對論。一、牛頓運動定律的適用范圍1.牛頓運動定律適用于低速宏觀物體的運動通常所見及所用的物體，都屬于宏觀物體，如汽車、飛機、衛(wèi)星等，這些物體的質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，它們的運動又屬于低速。當我們乘坐的交通工具（如火車、汽車、輪船、飛機等）在加速、減速和轉彎時，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動的火車或汽車為參考系，能否用牛頓定律解釋？2.牛頓運動定律不是對任何參考系都適用分析：當我們乘坐的火車、汽車在加速、減速和轉彎時，需要施加力才能使人保持對車的相對靜止。如果以地球為參考系，我們很容易用牛頓運動定律來解釋。但是，如果以相對于地球運動的火車或汽車為參考系，就不能用牛頓定律解釋。因為人在火車、汽車在加速、減速和轉彎時，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動定律解釋清楚。二、狹義相對論簡介在經典力學中，物體的質量是固定不變的，與運動狀態(tài)無關。20世紀初，著名物理學家愛因斯擔提出了狹義相對論，建立了相對論力學。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，認為時間、空間都是相對的，都與物體的運動有關。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，當它相對于觀察者高速運動時，發(fā)現(xiàn)它的長度l變短了。設想有一列l(wèi)0=100m長的火車，如果以v=的速度做直線運動，我們以地球為參考系，長了。(3)時間膨脹當時鐘以高速運動時，靜止的觀察者用自己的相同時鐘與之對比，將會發(fā)現(xiàn)，運動的時鐘走得慢了。根據(jù)相對論，可以做以下設想：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，乙在地球上已經過了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是物體靜止質量，c是光速。當物體的速度接近光速時，其質量增大很多，例如，當v=0.8c時，m≈1.7m0。顯然，這時經典力學不再適用。（5）質能關系式E=mc2按照質能關系式，相對于能量的改變量DE，必定伴隨著質量的改變量Dm，ΔE=Δmc2。核能的發(fā)現(xiàn)已經為質能關系提供了有力的驗證，而且也支持了整個相對論理論。相對論的質能關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動下的運動規(guī)律；揭示了質量與能量的關系。這兩項科學成果，雖然對低速運動的宏觀物體效應不明顯，但是在研究微觀粒子的運動時，卻顯示出了極端的重要性和豐富的內容。相對論的結論已為許多高能物理、核物理實驗所證實。(1)自17世紀以來，以牛頓定律為基礎，經過世界各國科學家的共同努力，已經建立起了完整的力學知識體系，在科學研究與生產技術中有廣泛的應用．經典力學與天文學相結合產生天體力學（研究衛(wèi)星及天體的運動）；經典力學與工程實際相結合產生應用力學（研究陸地上的交通工具及空中的飛機和導彈等）．說明人類認識自然界更加深入，它是科學的進步，并不表示經典力學失去意義。3.經典力學與相對論的關系(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，我們可以充分發(fā)揮物理規(guī)律的作用。19世紀末到20世紀初，人們深入研究了微觀粒子的運動，如電子、質子、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，在這個領域，經典力學不再適用。因此，通過深入研究，創(chuàng)立了量子力學。三、量子力