高中物理《經(jīng)典力學的局限性》課件一（19張PPT）（新人教版必修2）

歡迎進入物理課堂 經(jīng)典力學的基礎(chǔ)是牛頓運動定律 萬有引力定律更是樹立了人們對牛頓物理學的尊敬 著名物理學家楊振寧曾贊頌到 如果一定要舉出某個人 某一天作為近代科學誕生的標志 我選牛頓 自然哲學的數(shù)學原理 在1687年出版的那一天 像一切科學一樣 它沒有也不會窮盡一切真理 它也有自己的局限性 它像一切科學理論一樣 是一部 未完成的交響曲 那么經(jīng)典力學在什么范圍內(nèi)適用呢 有怎樣的局限性呢 一 從低速到高速 例如 在一個無限大的光滑水平面上 有一質(zhì)量為m的物體 在一個水平恒力F的作用下 從靜止開始運動 根據(jù)牛頓第二定律可知物體將以加速度a F m做勻加速直線運動 由運動學公式可知 物體的速度v at 推理 隨著時間的推移 物體的速度不斷增大 最終可使物體獲得任意速度 但事實并非如此 常識告訴我們 物體運動速度是有極限的 現(xiàn)在已知的最大速度是光速 且現(xiàn)在也無法使物體運動超越這個速度 這是經(jīng)典力學無法解答的 這是什么原因造成的呢 是否經(jīng)典力學的錯誤 愛因斯坦在狹義相對論中闡述了物體以接近光速運動所遵循的規(guī)律 得出了一些不同與經(jīng)典力學的觀念和結(jié)論 1 在經(jīng)典力學中 物體的質(zhì)量是不隨運動狀態(tài)改變的 而狹義相對論認為 物體的質(zhì)量要隨物體運動速度的增大而增大 即 例如 1 v 0 8c時 物體的質(zhì)量約增大到靜止質(zhì)量的1 7倍 這時經(jīng)典力學就不再適用了 2 如地球以v 30km s的速度繞太陽公轉(zhuǎn)時 它的質(zhì)量增大十分微小 可以忽略不計 經(jīng)典力學完全適用 質(zhì)速關(guān)系 說明 m0為靜止質(zhì)量 m是物體速度為v時的質(zhì)量 c是真空中的光速 2 運動的物體和靜止的物體相比不僅質(zhì)量變了 而且沿運動方向的長度和時間都要變化 都具有相對性 下面的事例可以幫助我們理解相對論 1971年8月的一天 一名前蘇聯(lián)飛行員例行飛行時 無意中 闖入 古埃及 他看到一座座金字塔剛剛奠起塔基 1982年一位北約飛行員在一次飛行訓練中 視野里竟然出現(xiàn)了數(shù)百只恐龍 飛機竟然來到史前非洲大陸 1970年一架272客機在飛向邁阿密國際機場的旅途中 也無故 失蹤 了10分鐘 10分鐘后 客機又在原來的地方出現(xiàn) 失蹤的一剎那 專家們的惟一的解釋是時間 靜止 不動了 時間和空間是什么 時間和空間是什么 二 宏觀到微觀 19世紀末到20世紀初 人們相繼發(fā)現(xiàn)了電子 質(zhì)子 中子等微觀粒子 發(fā)現(xiàn)它們不僅具有粒子性 面且具有波動性 它們的運動規(guī)律不能用經(jīng)典力學描述 20世紀20年代 建立了量子力學 它能夠正確地描述微觀粒子運動的規(guī)律性 并在現(xiàn)代科學技術(shù)中發(fā)揮了重要作用 經(jīng)典力學一般不適用于微觀粒子 普朗克創(chuàng)立量子力學 相對論和量子力學的出現(xiàn) 是否表示經(jīng)典力學失去了意義 相對論和量子力學的出現(xiàn) 說明人類對自然界的認識更加廣泛和深入 而不表示經(jīng)典力學失去了意義 它只是使人們認識到經(jīng)典力學有它的適用范圍 只適用于低速運動 不適用于高速運動 只適用于宏觀世界 不適用于微觀世界 討論與交流 三 從弱引力到強引力 萬有引力屬于弱引力 利用萬有引力定律可以解釋天體的運動 并預(yù)言和發(fā)現(xiàn)了海王星和冥王星 首次把天上的星體運動規(guī)律與地面物體的運動規(guī)律統(tǒng)一起來 但是宇宙中有一些天體 例如白矮星 他們的質(zhì)量接近太陽 半徑卻與地球差不多 因此密度高達108 1010kg m3 中子星的密度更是達1016 1019kg m3 這些天體表面的引力比我們常見的引力強的多 牛頓的引力理論已經(jīng)不適用了 按牛頓的萬有引力定律推算 行星的運動應(yīng)該是一些橢圓或圓 行星沿著這些橢圓或圓做周期性運動 與實際觀測結(jié)果不符 經(jīng)典力學也能作出一些解釋 但是 水星旋進的實際觀測值比經(jīng)典力學的預(yù)言值多 經(jīng)典力學的解釋不能令人滿意 愛因斯坦根據(jù)廣義相對論計算出水星近日點的旋進還應(yīng)有43 的附加值 同時還預(yù)言了光線在經(jīng)過大質(zhì)量的星體附近時 如經(jīng)過太陽附近時會發(fā)生偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象 并且都被觀測證實 討論與交流 1 實際的天文觀測 行星的運行軌道并不是嚴格閉合的 它們的近日點在不斷地旋進 經(jīng)典力學的解釋令人滿意嗎 用什么理論來圓滿地進行了解釋 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 半徑減少到原來的二分之一 引力增加到原來的4倍 這就是平常說的 反平方 規(guī)律 愛因斯坦引力理論表明 這個力實際上增加的更快些 天體半徑越小 這種差別越大 當引力趨于無窮大時 被壓縮天體半徑接近的值 引力半徑 在太陽或行星的引力場中 由愛因斯坦和牛頓的理論計算出的力的差異并不很大 但當天體的實際半徑接近引力半徑時 這種差異將急劇增大 這就是說 在強引力的情況下 牛頓的萬有引力理論將不再適用 討論與交流 2 何為天體的引力半徑 對于這樣的科學發(fā)展過程 英國劇作家蕭伯納曾詼諧地說 科學總是從正確走向錯誤 這種調(diào)侃倒也不失為一種幽默的表述 討論與交流 討論與交流 3 歷史上的科學成就與新的科學成就的關(guān)系是什么 歷史上的科學成就不會被新的科學成就所否定 而是作為某些條件下的局部情形 被包括在新的科學成就之中 如 當物體的速度遠小于光速c 3X108m s 時 相對論與經(jīng)典理論的結(jié)論沒有區(qū)別 當另一個重要常數(shù)即 普朗克常數(shù) h 6 63X10 34J s 可以忽略不計時 量子力學和經(jīng)典力學的結(jié)論沒有區(qū)別 相對論和量子力學都沒有否定過去的科學 而只認為過去的科學是自己在一定條件下的特殊情形 相對論和量子力學是哪一種更廣泛的理論的特殊情形呢 我們現(xiàn)在還不知道 討論與交流 以牛頓運動定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學的適用范圍是什么 總結(jié) 經(jīng)典力學只適用于解決低速運動問題 不能用來處理高速運動問題 經(jīng)典力學只適用于宏觀物體 一般不適用于微觀粒子 經(jīng)典力學只適用于解決弱引力問題 不能用來處理強引力問題 同學們 來學校和回家的路上要注意安全 同學們 來學校和回家的路上要注意安全