E 從牛頓到愛因斯坦.ppt

1、E 從牛頓到愛因斯坦,自然和自然的法則在黑暗中隱藏；上帝說，讓牛頓去吧！于是一切都被照亮。魔鬼說，讓愛因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。,1,一、經(jīng)典物理模塊分類：,17世紀(jì)前在觀察與哲學(xué)的猜測上對天文、力、熱、聲、光有了一定認(rèn)識。,17世紀(jì)初19世紀(jì)末是經(jīng)典物理學(xué)體系建立的關(guān)鍵時期,2,靜力學(xué)（描述靜止物體）,運動學(xué)（描述物體運動）,動力學(xué)（描述物體受力作 用下的運動）,經(jīng)典力學(xué) （牛頓力學(xué)）,二、經(jīng)典力學(xué)模塊分類：,3,牛頓,三、牛頓主要貢獻(xiàn),4,5,6,哥白尼：日心說,第谷：20年精心觀測數(shù)據(jù),開普勒研究第谷數(shù)據(jù)得三個定律,胡克、哈雷進(jìn)一步認(rèn)識,牛頓解決橢圓并延伸到萬物間有力,萬有引力定

2、律,7,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)，那是因為我站在巨人們的肩上。”,經(jīng)典力學(xué)金字塔的建立,開普勒,8,經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運動定律，萬有引力定律更確立了牛頓的地位，牛頓運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)受實踐檢驗。著名物理學(xué)家楊振寧贊頌到：“如果一定要舉出某個人、某一天作為近代科學(xué)誕生的標(biāo)志，我選牛頓自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理在1687年出版的那天?！?第一部分包括：“定義和注釋”和“運動的基本定理或定律”。這部分雖然篇幅不大，卻極為重要。 第二部分是這些基本定律的作用，包括三篇：第一篇是研究萬有引力的；第二篇是討論介質(zhì)對物

3、體運動的影響；第三篇是“論宇宙系統(tǒng)” 。,9,經(jīng)典力學(xué)的困境,低速世界(經(jīng)典力學(xué)),高速世界（相對論）,四、經(jīng)典力學(xué)的困境：,10,在宏觀低速的世界：一切都理所當(dāng)然？,當(dāng)一些問題(如微觀領(lǐng)域的深入)牛頓解釋不了時，它就只好用上帝的萬能來解釋，為此牛頓花費了后半生的心血，這正是牛頓的悲劇。,11,所以：不管選什么參考系，不管物體怎么運動，物體的位移、時間、長度、質(zhì)量等等的測量結(jié)果肯定是一樣的，這是天經(jīng)地義的。,靜止看光速和與光速一起運動算得的光速不一樣,物體的速度甚至可以超過光速,12,高速世界（接近光速）,1905年，愛因斯坦提出，物體高速時（接近光速），物體所占空間（如長度），物理、化學(xué)過程

4、，生命持續(xù)時間，都與運動狀態(tài)有關(guān)，時空都與運動相關(guān)聯(lián)了-狹義相對論,13,狹義相對論,自然和自然的法則在黑暗中隱藏；上帝說，讓牛頓去吧！于是一切都被照亮。魔鬼說，讓愛因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。,14,趣例：,15,愛因斯坦火車:,同時到達(dá)A、B,火車上的觀測者說:光源在AB的中點,應(yīng)同時到達(dá)A、B兩點.地面上的人看見先到達(dá)B點，后到A點。,16,按照狹義相對論，不僅“同時”是相對的，有時候，甚至事情的先后也都是相對的。舉一個例子，一節(jié)長為10米的列車，A在車后部，B在車前部。當(dāng)列車以0.6c的高速度通過一個站臺的時候,突然站臺上的人看到A先向B開槍,過了12.5毫微秒,B又向A發(fā)射。因

5、而站臺上的人作證：這場槍戰(zhàn)是由A挑起的。但是，車上的乘客卻提供相反的情況，他們說，是B先開槍，過了10毫微秒，A才動手。事件是由B發(fā)動的。,到底是誰先動手呢？沒有絕對的答案。在這個具體事件中，誰先誰后是有相對性的。在列車參考系中，B先A后，而在車站參考系中則是A先B后。甚至于飛船上的人可能會看到你先把蘋果吃了，再看到蘋果掉在了地上。,17,不敢相信圖中的橫線是平行的，不過它就是平行的,18,兩個位于中心的圓哪個大？其實一樣大的！,19,（1）相對時間 狹義相對論認(rèn)為時間不是絕對的（即固定不變的）。愛因斯坦指出，隨著物體（觀察者所見到的）運動速度的加快，時間會變慢。 使用同步原子鐘已證實了這個結(jié)

6、論的正確性，將一個鐘表留在地面上，而攜帶另一個以很快速度移動（如在噴氣式飛機上），隨后進(jìn)行比較，靜止的鐘表總比另一個稍微快一點。,時鐘變慢.swf,20,21,22,（1）相對時間,23,（2）相對長度 愛爾蘭物理學(xué)家佛茲杰拉德(18511901)提出，物質(zhì)會在運動的方向上收縮（縮?。?，這意味著根據(jù)一個靜止觀察者的觀點，一枚以接近光線運行的火箭所表現(xiàn)出的長度會比它靜止時更短，盡管乘坐火箭的人看來并沒有什么兩樣。 愛因斯坦指出，任何物體 以光速運動時，其長度將會縮短為零。,24,（2）相對長度,25,（3）相對質(zhì)量,物體運動時的質(zhì)量與靜止質(zhì)量的關(guān)系,26,五、從宏觀到微觀,19世紀(jì)末-20世紀(jì)初

7、，深入到微觀領(lǐng)域，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，很多情況下經(jīng)典力學(xué)說明不了。,27,六，從弱引力到強引力,光之所以會被黑洞吸進(jìn)去,是因為黑洞引力大造成空間扭曲,光隨著被扭曲的空間走而進(jìn)去黑洞里,大家都知道光只走直線,所以光并不是被引力吸進(jìn)去的,而是光還是走直線,但空間扭曲而進(jìn)到黑洞,打個比方,在紙上畫一條線,把那張紙扭曲,但展開后它還是一條線。這時候，光雖然仍然沿任意兩點間的最短距離傳播，但走的已經(jīng)不是直線，而是曲線。,28,經(jīng)典力學(xué),狹義相對論,廣義相對論,量子力學(xué),互為補充，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,強引力,2

8、9,經(jīng)典力學(xué)的成就和局限性,一、經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展過程及偉大成就,二、經(jīng)典力學(xué)局限性：,1、不能解決高速運動問題（接近光速）,2、不適用于微觀領(lǐng)域中物質(zhì)結(jié)構(gòu)和能量不連續(xù)的現(xiàn)象,30,一、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,超新星爆發(fā)的持續(xù)時間：,經(jīng)典時空觀與相對論時空觀,實際：2年?。?時間、長度和質(zhì)量這三者都與參考系的運動無關(guān)。,31,經(jīng)典時空觀與相對論時空觀,二、相對論時空觀:,（1）同時是相對的,（3）動尺變短,（4）運動的物體質(zhì)量變大,（1）不同慣性參考系，物理規(guī)律相同,2、狹義相對論結(jié)論：,（2）動鐘變慢,時間、長度和質(zhì)量這三者

9、都與參考系的運動有關(guān)。,32,相對的,絕對的（不變）,絕對的,與運動無關(guān)，絕對的,與運動無關(guān)，絕對的，不變的,相對的,與運動有關(guān)，相對的,隨速度增加而增大,經(jīng)典時空觀與相對論時空觀,33,1632年,Galileo在“薩爾瓦阿蒂”大船上做過的實驗：,34,1905年，出生于德國的美籍物理學(xué)家阿爾伯特愛因斯坦（18791955）發(fā)表了狹義相對論。這個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、長度、質(zhì)量和經(jīng)過的時間，都隨觀察者的參考系（特定觀察）而變化。,牛頓的局限 1)絕對時空觀 認(rèn)為時間與空間無關(guān)，時空與運動無關(guān)，是絕對的物理量。 2)當(dāng)一些問題牛頓解釋不了時，它就只好

10、用上帝的萬能來解釋，為此牛頓花費了后半生的心血，這正是牛頓的悲劇。,35,三.狹義相對論的基本原理,36,1、相對性原理,這意味著絕對時間、絕對空間等都是錯誤的。,不論用什么方法都找不到絕對參照系, 即根本不存在絕對參照系,一切慣性系都是平權(quán)的。,同時的相對性1.swf,同時的相對性2.swf,一切彼此作勻速直線運動的慣性系,對于描述物理規(guī)律都是等價的?；蛟谒袘T性系中,物理規(guī)律都具有相同的形式。,37,愛因斯坦火車:,同時到達(dá)A、B,火車上的觀測者說:光源在AB的中點,應(yīng)同時到達(dá)A、B兩點,地面上的人看見先到達(dá)B點，后到A點。,38,1、相對時間 狹義相對論認(rèn)為時間不是絕對的（即固定不變的）

11、。愛因斯坦指出，隨著物體（觀察者所見到的）線性運動速度的加快，時間會變慢。使用同步原子鐘已證實了這個結(jié)論的正確性，將一個鐘表留在地面上，而攜帶另一個以很快速度移動（如在噴氣式飛機上），隨后進(jìn)行比較，靜止的鐘表總比另一個稍微快一點。,時鐘變慢1.swf,39,相對長度 愛爾蘭物理學(xué)家喬治佛茲杰拉德（18511901）提出，物質(zhì)會在運動的方向上收縮（縮?。?，這意味著根據(jù)一個靜止觀察者的觀點，一枚以接近光線運行的火箭所表現(xiàn)出的長度會比它靜止時更短，盡管乘坐火箭的人看來并沒有什么兩樣。愛因斯坦指出，任何物體以光速運動時，其長度將會縮短為零。,長度收縮1.swf,長度收縮2.swf,40,相對質(zhì)量,物體

12、運動時的質(zhì)量與靜止質(zhì)量的關(guān)系,41,2、光速不變原理,對任何慣性系,在真空中沿任意方向傳播的光速都相同,且與光源的運動狀態(tài)無關(guān)。,即誰測真空中的光速都是c ,與慣性系的選擇及光源無關(guān)。,例：宇宙飛船以20萬 km/s的速度飛行, 人在飛船上向前發(fā)一束 光, 光在飛船中以光速 c 傳播, 地球上的人測得光速多大？,Km/s,按運動合成得:,1)愛因斯坦理論是牛頓理論的發(fā)展,2)光速不變原理適用的條件:,42,“照亮我的道路,并不斷給我新的勇氣去愉快地正視生活理想的是善、是美、是真”。,“人只有獻(xiàn)身社會,才能找出那實際上是短暫而又有風(fēng)險的生命的意義”!,他剖析自己的科學(xué)感受時說：,Einstein

13、 對相對論的解釋:,當(dāng)你和一個漂亮姑娘在一起坐一小時,你感覺只坐了一分鐘,當(dāng)你坐在火爐旁一分鐘,就好象坐了一小時,這就是相對論。,“ 科學(xué)的頭腦就是去懷疑,去證實,去發(fā)現(xiàn)的精神! ”,43,力學(xué)單位制,44,物理學(xué)的關(guān)系式,物理學(xué)的關(guān)系式確定了物理量之間的關(guān)系，也指它確定了物理量的單位間的關(guān)系。,例如,m/s,m/s2,Fma,1N=1kgm/s2,45,基本單位和導(dǎo)出單位,這些被選定的物理量叫做基本量，它們的單位叫基本單位；,只要選定幾個物理量的單位，就能夠利用物理量之間的關(guān)系推導(dǎo)出其他物理量的單位。,由基本量根據(jù)物理關(guān)系推導(dǎo)出來的其他物理量的單位叫做導(dǎo)出單位。,46,單位制,由基本單位和導(dǎo)

14、出單位一起組成單位制。,47,國際單位制,1960年第11屆國際計量大會制定了一種國際通用的、包括一切計量領(lǐng)域的單位制，叫做國際單位制，簡稱SI。,在力學(xué)范圍內(nèi)，國際單位制規(guī)定長度、質(zhì)量、時間為三個基本單位，它們的單位是米（m）、千克（kg）、秒（s）為基本單位。,在整個物理學(xué)中，國際單位制規(guī)定了七個基本單位。見下頁,48,一、SI基本單位,單位制,49,單位制,常用的力學(xué)量的SI單位（導(dǎo)出單位）,50,例1 ：一個靜止在光滑水平面上的物體，質(zhì)量是7kg，在14N的恒力作用下，5s末的速度是多大？ 5s內(nèi)通過的路程是多大？,單位制在物理學(xué)中的應(yīng)用,在解題計算時，已知量均采用國際單位制，計算過程中不用寫出各個量的單位，只要在式子末尾寫出所求量的單位即可,1、簡化計算過程的單位表達(dá),物理情景,v0=0,物體在上述過程作勻變速直線運動嗎？為什么？,51,解：,統(tǒng)一單位制,有的同學(xué)，解題時，單位弄錯，常常說自己粗心。其實是單位制沒有掌握好。代入數(shù)據(jù)前應(yīng)統(tǒng)一單位制這點要形成習(xí)慣08,單位制在物理學(xué)中的應(yīng)用,52,結(jié)果對嗎？ 單位對，結(jié)果不一定對，但對結(jié)果可以“放心”一點 單位不對，結(jié)果則肯定不對,物理公式既反映了各物理量間的數(shù)量關(guān)系，同時也確定了各物理量的單位關(guān)系因此，在解題中可用單位制來粗略判斷結(jié)果是否正確，如單位制不對，結(jié)