人教版高一物理必修二第六章6.6经典力学的局限性(37张ppt)
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2、但也不能说经典力学是错误的而只能说经典 力学具有一定的适用范围（即：局限性）
3、广义相对论如果应用到弱引力的话就和经典 力学没有任何区别（即：经典力学是相对论的一 种特殊情况）
简要总结
1、经典力学的适用范围：宏观、低速、弱引力
2、相对论以及量子物理的建立并不能说明经典 力学的错误性，而只能说明经典物理具有一定的 局限性
2、万有引力定律更是建立了人 们对牛顿物理学的尊重！
“如果说我看得远，那是因为 我站在巨人们的肩上”
经典力学
牛顿（1963-1972）
他生前就成为科学界的主宰，几乎被当作 偶像崇拜。他作为英国皇家学会连任24年 的终身会长，法国科学院至尊的外国院士， 还兼任英国造币局局长和国会议员，并前 所未有地被封为贵族，获得爵士称号。他 死后作为自然科学家又第一个获得国葬， 长眠于威斯敏特教堂，还是历代帝王和第 一流名人的墓地。
维恩定律是由经典统计物理导出的半经验公式，在 短波波段与实验符合的很好，而在长波波段有明显的 差异。
经典力学的解释及困难
黑体辐射的瑞利—金斯公式
瑞利—金斯公式是由经典统计物理和经典电动 力学得出的，其在长波波段与实验符合的很好， 而在短波波段有明显的差异，既历史上的 “紫外 灾难”。
经典力学的困难
M λ (T )
瑞利—金斯公(1900年) 试验曲线
维恩公式
(1896年)
普朗克的量子假说
1.组成腔壁的原子、分子可视为带电的一维线性谐 振子，谐振子能够与周围的电磁场交换能量。
2.每个谐振子的能量不是任意的数值, 频率为ν的谐 振子，其能量只能为 hν, 2 hν, …分立值。 h =
6.626×10 –34 js ,为普朗克常数。
经典力学
杨振宁（1922至今）
著名物理学家杨振宁曾赞颂道： “如果一定要举出某个人、某一 天作为近代科学诞生的标志，我 选牛顿《自然哲学的数学原理》 在1687年（7月5日）出版的那 一天。”
经典力学
也正是因为经典力学几乎解决了我们日常生活中 的所有问题，所以……
1900年，物理学家开尔文勋爵在 英国皇家学会发表过一篇后来成为 物理学史上著名笑料的新年致词， 他拍着胸脯，颇有自信地宣称物理 学的大厦已经建成，只剩下一些修 修补补的工作了。
“两朵乌云”
2、黑体辐射
“两朵乌云”
1918年诺贝尔物理学奖授 予德国柏林大学的普郎克以 承认他发现能量级对物理学 的进展所作的贡献。
普郎克 （Max Karl Ernst
Ludwig Plank ,1858-1947）
因发现能量量子而对物理 学的进展做出了重要贡献， 并在1918年获得诺贝尔物 理学奖。作为一个理论物理 学家，普朗克最大的贡献是 首先提出了量子论。
“两朵乌云”
1、迈克耳逊－莫雷实验
由于地球在运动，所以在地面上做实验，向不 同方向发出的光线的传播速度应不同。迈克耳逊 和莫雷在1887年用精确度很高的干涉仪多次测定， 得到的光速大小均相同，从而确立了“光速不变 原理”；并为进一步实验否定以太的存在奠定了 基础。
“两朵乌云”
1、迈克耳逊－莫雷实验
狭义相对论的建立
长度关系
l l0
1 (v)2 c
l :当尺子相对于观察者 以v运动时的长度
l0 :当尺子相对于观察者 静止时的长度
对给定的杆,在相对于它静止的坐标系中，长度最大. 注意：长度的缩短是相对的.
狭义相对论的建立
时间关系
Δt 1 ( v )2 Δt c
t' :当钟相对于观察者以 v运动时的度过的时间
量子物理
1、量子物理的建立向我们表明了经典力学在处 理微观粒子问题的时候是不适用的！
2、但也不能说经典力学是错误的而只能说经典 力学具有一定的适用范围（即：局限性）
3、量子物理如果应用到宏观物体的话就和经典 力学没有任何区别（即：经典力学是量子物理的 一种特殊情况）
广义相对论
1、广义相对论的建立向我们表明了经典力学在 处理弱引力问题的时候是不适用的！
意义：该实验结果成为了狭义相对论一个坚实基 础，为新的时空观理论提供了依据，打破了数百 年来人们对以太从而对于力的作用方式需要介质 的执着。它巧妙地构思成为物理学史上一个杰出 的典范！
“两朵乌云”
1907年诺贝尔物理学 奖授予芝加哥大学的迈 克耳孙以表彰他对光学 精密仪器及用之于光谱 学与计量学研究所作的 贡献。 迈克耳逊（ Albert Abrham Michelson ,1852 -1931）
t :当钟相对于观察者静 止时的度过的时间
即运动的时钟变慢了.
狭义相对论的建立
质量关系
m m0 1 (v)2 c
m :当钟相对于观察者以 v运动时的质量
m0 :当钟相对于观察者静 止时的质量
即运动物体的质量变大了！
狭义相对论的建立
1、狭义相对论的建立向我们表明了经典力学在 处理高速（？）问题的时候是不适用的！
狭义相对论的建立
基本假设 1、光速不变原理 2、相对性原理
对于描述物理定律（包括力学定律）来说，所 有的惯性参考系都是平等的，不存在特殊的绝对 惯性系。
狭义相对论的建立
洛伦兹变换
亨德里克·安东·洛伦兹 （1928-1953），英文名： Hendrik Antoon Lorentz。近代卓越的理 论物理学家、数学家，经 典电子论的创立者。
“第一朵乌云”
狭义相对论的建立
狭义相对论的建立
时空观的转变
经典力学：时间和空间（长度）是独立于运动之 外而存在的，即时间和空间长度与物体处于什么 运动状态无关
狭义相对论（仅适用于惯性参考系）：时间和空 间（长度）与物体的运动状态是密切相关的
狭义相对论的建立
举例说明
设有一列火车在地面上作匀速直线运动，还有两 个结构完全相同的钟和两把完全相同的尺现把其 中的一个钟和一把尺放在火车上（动钟、动尺）， 另一个钟和另一把尺留在地面（静钟、静尺）， 并让这两把尺都沿着火车运动的方向放置。比较 两个钟的时间是否一致？两把尺子长度是否相同？
3.当谐振子从一个能量状态变化到另一个状态时, 辐
射和吸收的能量是hν的整数倍:
nh , n 1, 2 , 3 , hν为能量子。
普朗克的量子假说
7h 6h 5h 4h 3h 2h 1h
一维谐振子的能量 取分立值
M0 (,T )
理论曲线
实验曲线
实验值与理论值符 合的很好
普朗克的量子假说
氢原子能级
量子物理的建立
M 0 (,T )
黑体的实验曲线
可见光
5000
K4000 K
在一定温度下，曲线有一极大值，对应的波长称为
峰值波长λm 。 各种单色辐出度随温度的升高而增加。
经典力学的解释及困难
维恩位移定律 当黑体的热力学温度升高时，峰值波长向短波方向移 动。
mT b
式中 b 2.8971，0为3 m常 K数。
3、经典力学是相对论或者量子物理在某种情况 下的特殊情况
黑体的吸收本领最大，辐射本领也 最大。辐射的电磁波含有各种频率 成分，并随黑体的温度而变化。
黑体辐射
1.单色辐出度
在温度为T 的黑体的单位面积上，在单位时间内，单
位波长范围内所辐射出的电磁波能量，称为单色辐出度
Mλ( T )
2.辐出度
在单位时间内，从温度为T 的黑体的单位面积上所 辐射出的电磁波的总能量, 称为辐出度 M( T )
量子物理的建立
物体辐射电磁波的同时, 也在吸收电磁波。当吸收和 辐射达到平衡时，物体的温度不再变化而处于辐射热 平衡状态。 物体的辐射本领越大, 其吸收本领也越大。
黑体辐射
3.黑体 能够全部吸收各种波长的电磁辐射能而不发生反射
和透射的物体称为绝对黑体。
如果每次反射吸收10%,电磁波在 空腔内反射100次后, 只剩余 0.90100 = 2.656×10- 5 。
经典力学的局限性
经典力学
经典力学的概念
经典力学
运动学：描述物体怎样运动 静力学：研究静止物体的受力 动力学：研究物体为什么这样运动
经典力学
经 典
牛顿
力
笛卡尔、胡
学克、哈雷等金源自字开普勒塔
的
建
伽利略、第谷
立
哥白尼、亚里士多德
经典力学
1、牛顿运动定律是经典力学的 基础；就像经典力学大厦的 “地基”一样！
2、但也不能说经典力学是错误的而只能说经典 力学具有一定的适用范围（即：局限性）
3、狭义相对论如果应用到低速物体的话就和经 典力学没有任何区别（即：经典力学是狭义相对 论的一种特殊情况）
第二朵乌云
第二朵乌云
量子物理的建立
马克斯·普朗克（德语：Max Planck， 1858年4月23日－1947年10月4日）， 德国物理学家，量子力学的创始人，二 十世纪最重要的物理学家之一，因发现 能量量子而对物理学的进展做出了重要 贡献，并在1918年获得诺贝尔物理学 奖。作为一个理论物理学家，普朗克最 大的贡献是首先提出了量子论。这个理 论彻底改变人类对原子与次原子的认识， 正如爱因斯坦的相对论改变人类对时间 和空间的认识，这两个理论一起构成了 20世纪物理学的基础。
量子物理的建立
量子概念最初是普朗克在研究黑体辐射时提出来的。
一、热辐射 任何物体在任何温度下都在不断向周围辐射着电磁
波，且辐射的能量与温度有关。 1、热辐射的电磁波是物体内部微观粒子的热运动状 态改变时激发出来的。 2、只要物体的温度高于“绝对零度”，物体总是不 断地把热能变为辐射能，向外发出热辐射。
3、广义相对论如果应用到弱引力的话就和经典 力学没有任何区别（即：经典力学是相对论的一 种特殊情况）
简要总结
1、经典力学的适用范围：宏观、低速、弱引力
2、相对论以及量子物理的建立并不能说明经典 力学的错误性，而只能说明经典物理具有一定的 局限性
2、万有引力定律更是建立了人 们对牛顿物理学的尊重！
“如果说我看得远，那是因为 我站在巨人们的肩上”
经典力学
牛顿（1963-1972）
他生前就成为科学界的主宰，几乎被当作 偶像崇拜。他作为英国皇家学会连任24年 的终身会长，法国科学院至尊的外国院士， 还兼任英国造币局局长和国会议员，并前 所未有地被封为贵族，获得爵士称号。他 死后作为自然科学家又第一个获得国葬， 长眠于威斯敏特教堂，还是历代帝王和第 一流名人的墓地。
维恩定律是由经典统计物理导出的半经验公式，在 短波波段与实验符合的很好，而在长波波段有明显的 差异。
经典力学的解释及困难
黑体辐射的瑞利—金斯公式
瑞利—金斯公式是由经典统计物理和经典电动 力学得出的，其在长波波段与实验符合的很好， 而在短波波段有明显的差异，既历史上的 “紫外 灾难”。
经典力学的困难
M λ (T )
瑞利—金斯公(1900年) 试验曲线
维恩公式
(1896年)
普朗克的量子假说
1.组成腔壁的原子、分子可视为带电的一维线性谐 振子，谐振子能够与周围的电磁场交换能量。
2.每个谐振子的能量不是任意的数值, 频率为ν的谐 振子，其能量只能为 hν, 2 hν, …分立值。 h =
6.626×10 –34 js ,为普朗克常数。
经典力学
杨振宁（1922至今）
著名物理学家杨振宁曾赞颂道： “如果一定要举出某个人、某一 天作为近代科学诞生的标志，我 选牛顿《自然哲学的数学原理》 在1687年（7月5日）出版的那 一天。”
经典力学
也正是因为经典力学几乎解决了我们日常生活中 的所有问题，所以……
1900年，物理学家开尔文勋爵在 英国皇家学会发表过一篇后来成为 物理学史上著名笑料的新年致词， 他拍着胸脯，颇有自信地宣称物理 学的大厦已经建成，只剩下一些修 修补补的工作了。
“两朵乌云”
2、黑体辐射
“两朵乌云”
1918年诺贝尔物理学奖授 予德国柏林大学的普郎克以 承认他发现能量级对物理学 的进展所作的贡献。
普郎克 （Max Karl Ernst
Ludwig Plank ,1858-1947）
因发现能量量子而对物理 学的进展做出了重要贡献， 并在1918年获得诺贝尔物 理学奖。作为一个理论物理 学家，普朗克最大的贡献是 首先提出了量子论。
“两朵乌云”
1、迈克耳逊－莫雷实验
由于地球在运动，所以在地面上做实验，向不 同方向发出的光线的传播速度应不同。迈克耳逊 和莫雷在1887年用精确度很高的干涉仪多次测定， 得到的光速大小均相同，从而确立了“光速不变 原理”；并为进一步实验否定以太的存在奠定了 基础。
“两朵乌云”
1、迈克耳逊－莫雷实验
狭义相对论的建立
长度关系
l l0
1 (v)2 c
l :当尺子相对于观察者 以v运动时的长度
l0 :当尺子相对于观察者 静止时的长度
对给定的杆,在相对于它静止的坐标系中，长度最大. 注意：长度的缩短是相对的.
狭义相对论的建立
时间关系
Δt 1 ( v )2 Δt c
t' :当钟相对于观察者以 v运动时的度过的时间
量子物理
1、量子物理的建立向我们表明了经典力学在处 理微观粒子问题的时候是不适用的！
2、但也不能说经典力学是错误的而只能说经典 力学具有一定的适用范围（即：局限性）
3、量子物理如果应用到宏观物体的话就和经典 力学没有任何区别（即：经典力学是量子物理的 一种特殊情况）
广义相对论
1、广义相对论的建立向我们表明了经典力学在 处理弱引力问题的时候是不适用的！
意义：该实验结果成为了狭义相对论一个坚实基 础，为新的时空观理论提供了依据，打破了数百 年来人们对以太从而对于力的作用方式需要介质 的执着。它巧妙地构思成为物理学史上一个杰出 的典范！
“两朵乌云”
1907年诺贝尔物理学 奖授予芝加哥大学的迈 克耳孙以表彰他对光学 精密仪器及用之于光谱 学与计量学研究所作的 贡献。 迈克耳逊（ Albert Abrham Michelson ,1852 -1931）
t :当钟相对于观察者静 止时的度过的时间
即运动的时钟变慢了.
狭义相对论的建立
质量关系
m m0 1 (v)2 c
m :当钟相对于观察者以 v运动时的质量
m0 :当钟相对于观察者静 止时的质量
即运动物体的质量变大了！
狭义相对论的建立
1、狭义相对论的建立向我们表明了经典力学在 处理高速（？）问题的时候是不适用的！
狭义相对论的建立
基本假设 1、光速不变原理 2、相对性原理
对于描述物理定律（包括力学定律）来说，所 有的惯性参考系都是平等的，不存在特殊的绝对 惯性系。
狭义相对论的建立
洛伦兹变换
亨德里克·安东·洛伦兹 （1928-1953），英文名： Hendrik Antoon Lorentz。近代卓越的理 论物理学家、数学家，经 典电子论的创立者。
“第一朵乌云”
狭义相对论的建立
狭义相对论的建立
时空观的转变
经典力学：时间和空间（长度）是独立于运动之 外而存在的，即时间和空间长度与物体处于什么 运动状态无关
狭义相对论（仅适用于惯性参考系）：时间和空 间（长度）与物体的运动状态是密切相关的
狭义相对论的建立
举例说明
设有一列火车在地面上作匀速直线运动，还有两 个结构完全相同的钟和两把完全相同的尺现把其 中的一个钟和一把尺放在火车上（动钟、动尺）， 另一个钟和另一把尺留在地面（静钟、静尺）， 并让这两把尺都沿着火车运动的方向放置。比较 两个钟的时间是否一致？两把尺子长度是否相同？
3.当谐振子从一个能量状态变化到另一个状态时, 辐
射和吸收的能量是hν的整数倍:
nh , n 1, 2 , 3 , hν为能量子。
普朗克的量子假说
7h 6h 5h 4h 3h 2h 1h
一维谐振子的能量 取分立值
M0 (,T )
理论曲线
实验曲线
实验值与理论值符 合的很好
普朗克的量子假说
氢原子能级
量子物理的建立
M 0 (,T )
黑体的实验曲线
可见光
5000
K4000 K
在一定温度下，曲线有一极大值，对应的波长称为
峰值波长λm 。 各种单色辐出度随温度的升高而增加。
经典力学的解释及困难
维恩位移定律 当黑体的热力学温度升高时，峰值波长向短波方向移 动。
mT b
式中 b 2.8971，0为3 m常 K数。
3、经典力学是相对论或者量子物理在某种情况 下的特殊情况
黑体的吸收本领最大，辐射本领也 最大。辐射的电磁波含有各种频率 成分，并随黑体的温度而变化。
黑体辐射
1.单色辐出度
在温度为T 的黑体的单位面积上，在单位时间内，单
位波长范围内所辐射出的电磁波能量，称为单色辐出度
Mλ( T )
2.辐出度
在单位时间内，从温度为T 的黑体的单位面积上所 辐射出的电磁波的总能量, 称为辐出度 M( T )
量子物理的建立
物体辐射电磁波的同时, 也在吸收电磁波。当吸收和 辐射达到平衡时，物体的温度不再变化而处于辐射热 平衡状态。 物体的辐射本领越大, 其吸收本领也越大。
黑体辐射
3.黑体 能够全部吸收各种波长的电磁辐射能而不发生反射
和透射的物体称为绝对黑体。
如果每次反射吸收10%,电磁波在 空腔内反射100次后, 只剩余 0.90100 = 2.656×10- 5 。
经典力学的局限性
经典力学
经典力学的概念
经典力学
运动学：描述物体怎样运动 静力学：研究静止物体的受力 动力学：研究物体为什么这样运动
经典力学
经 典
牛顿
力
笛卡尔、胡
学克、哈雷等金源自字开普勒塔
的
建
伽利略、第谷
立
哥白尼、亚里士多德
经典力学
1、牛顿运动定律是经典力学的 基础；就像经典力学大厦的 “地基”一样！
2、但也不能说经典力学是错误的而只能说经典 力学具有一定的适用范围（即：局限性）
3、狭义相对论如果应用到低速物体的话就和经 典力学没有任何区别（即：经典力学是狭义相对 论的一种特殊情况）
第二朵乌云
第二朵乌云
量子物理的建立
马克斯·普朗克（德语：Max Planck， 1858年4月23日－1947年10月4日）， 德国物理学家，量子力学的创始人，二 十世纪最重要的物理学家之一，因发现 能量量子而对物理学的进展做出了重要 贡献，并在1918年获得诺贝尔物理学 奖。作为一个理论物理学家，普朗克最 大的贡献是首先提出了量子论。这个理 论彻底改变人类对原子与次原子的认识， 正如爱因斯坦的相对论改变人类对时间 和空间的认识，这两个理论一起构成了 20世纪物理学的基础。
量子物理的建立
量子概念最初是普朗克在研究黑体辐射时提出来的。
一、热辐射 任何物体在任何温度下都在不断向周围辐射着电磁
波，且辐射的能量与温度有关。 1、热辐射的电磁波是物体内部微观粒子的热运动状 态改变时激发出来的。 2、只要物体的温度高于“绝对零度”，物体总是不 断地把热能变为辐射能，向外发出热辐射。