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問題引入牛頓運(yùn)動(dòng)定律的適用范圍狹義相對(duì)論簡(jiǎn)介量子力學(xué)簡(jiǎn)介專題一近代物理簡(jiǎn)介經(jīng)典力學(xué)與相對(duì)論的關(guān)系問題引入17世紀(jì)以來,以牛頓運(yùn)動(dòng)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(dòng)。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(duì)論和廣義相對(duì)論。一、牛頓運(yùn)動(dòng)定律的適用范圍1.牛頓運(yùn)動(dòng)定律適用于低速宏觀物體的運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(shí),需要施加力才能使人保持對(duì)車的相對(duì)靜止。如果以相對(duì)于地球運(yùn)動(dòng)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(dòng)定律不是對(duì)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(shí),需要施加力才能使人保持對(duì)車的相對(duì)靜止。如果以地球?yàn)閰⒖枷?,我們很容易用牛頓運(yùn)動(dòng)定律來解釋。但是,如果以相對(duì)于地球運(yùn)動(dòng)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囋诩铀佟p速和轉(zhuǎn)彎時(shí),施加了力,但人相對(duì)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(dòng)定律解釋清楚。二、狹義相對(duì)論簡(jiǎn)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(dòng)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(duì)論,建立了相對(duì)論力學(xué)。狹義相對(duì)論(單擊播放視頻)(1)時(shí)空的相對(duì)性相對(duì)論摒棄了絕對(duì)時(shí)空觀,認(rèn)為時(shí)間、空間都是相對(duì)的,都與物體的運(yùn)動(dòng)有關(guān)。在一個(gè)慣性系里同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件,在另一個(gè)慣性系里則可能不是同時(shí)發(fā)生的。1.狹義相對(duì)論的基礎(chǔ)是相對(duì)性原理和光速不變?cè)怼?1)相對(duì)性原理物理定律在所有慣性系中都是相同的。(2)光速不變?cè)碓谒械膽T性系中,光在真空中傳播速度c都是相同的。2.狹義相對(duì)論幾個(gè)重要結(jié)論(2)長度收縮一個(gè)待測(cè)物體,它相對(duì)于觀察者靜止時(shí)的長度為l0,當(dāng)它相對(duì)于觀察者高速運(yùn)動(dòng)時(shí),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(dòng),我們以地球?yàn)閰⒖枷?,長了。(3)時(shí)間膨脹當(dāng)時(shí)鐘以高速運(yùn)動(dòng)時(shí),靜止的觀察者用自己的相同時(shí)鐘與之對(duì)比,將會(huì)發(fā)現(xiàn),運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘走得慢了。根據(jù)相對(duì)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(shí),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(shí)回到地球。在這段時(shí)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(shí),其質(zhì)量增大很多,例如,當(dāng)v=0.8c時(shí),m≈1.7m0。顯然,這時(shí)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(duì)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(gè)相對(duì)論理論。相對(duì)論的質(zhì)能關(guān)系為核能時(shí)代的到來提供了理論依據(jù)。狹義相對(duì)論的意義狹義相對(duì)論給出了物體在高速運(yùn)動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)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(duì)低速運(yùn)動(dòng)的宏觀物體效應(yīng)不明顯,但是在研究微觀粒子的運(yùn)動(dòng)時(shí),卻顯示出了極端的重要性和豐富的內(nèi)容。相對(duì)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(shí)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(dòng));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(shí)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(duì)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(dòng),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(shí)具有粒子性和波動(dòng)性,在這個(gè)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

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