人教版必修二物理 6.6-经典力学的局限性 20200416

(一)经典时空观(绝对时空观)
(1)同时的绝对性 (2)时间间隔的绝对性 (3)空间距离的绝对性
时间、长度和质量这三者都与参 考系的运动无关。
(二)相对论时空观
1、两条基本假设
(1)不同惯性参考系,物理规律相同
(2)任何惯性系,光速不变
2、狭义相对论结论 时间、长度和
(1)同时是相对的 (2)动钟变慢 (3)动尺变短 (4)运动的物体质量变大
学
克、哈雷等
金
字
开普勒
塔
的
建
伽利略、第谷
立
万有引力定律
哥白尼、亚里士多德
经典力学的基础是牛顿运动定律, 万有引力定律更确立了牛顿的地位,牛 顿运动定律和万有引力定律在宏观、低 速、弱引力的广阔领域,经受实践检验。
由牛顿力学定律导出的动量守恒定 律、机械能守恒律等是航空航天技术理 论的基础。火箭、人造地球卫星、航天 飞机、宇宙飞船、行星探测器等航天器 的发射,都是牛顿力学规律的应用范 例……
当另一个重要的常数即"普朗克常量" 可以忽略不计时,量子力学和经典力学的 结论没有区别。
互为补充,互不矛盾,互不否定共同支撑起 物理学科的骨架。
高速
狭义相 对论
广义相 对论
宏 观
经典 力学
量子 力学
强引力
低
速
微观世界
七、牛顿的科学方法
"科学足迹"中总结了牛顿的科学方法, 这些科学方法值得我们借鉴。
六、从弱引力到强引力
万有引力定律的发现解释了天体运动的规律，并预 言了海王星的存在。它首次使地面物体的运动规律与天 上星体的运动规律统一起来，把经典力学推上了当时科 学的顶峰。
结论：万有引力属于弱引力。经典力学适用。
但是，按牛顿的万有引力定律推算，行星的
运动应该是一些椭圆，行星沿着这些椭圆做周期 性运动。然而，实际的天文观测告诉我们，行星 的轨道并不是严格闭合的，它们的近日点在不断 地旋进，如图所示。
顿的引力理论不再成立。 另外,根据牛顿的理论,当天体被压缩成半径几乎
为0的一个点时,引力趋于无穷大;而爱因斯坦的理论则 认为,引力趋于无穷大发生在半径接近一个"引力半径" 的时候,这个引力半径的值由天体的质量决定。当天体 的实际半径接近引力半径时,由爱因斯坦和牛顿引力理 论计算出的力的差异急剧增大,在强引力情况下牛顿引 力理论不再适用。
经典力学(牛顿 运动定律)在宏 观世界中成立 (适用),微观世 界不适用。
普朗克创立 量子力学
四、两种不同的时空观
"科学漫步"栏目中提到了牛顿和爱因斯坦的
两种不同的时空观。 牛顿认为:空间是独立于物体及其运动而存在
的,时间也是独立于物体及其运动而存在的,这是 一种经典时空观。
爱因斯坦则认为:在研究物体的高速运动(速度 接近真空中的光速)时,物体的长度即物体占有的空 间,以及物理过程、化学过程,甚至还有生命过程的 持续时间,都与它们的运动状态有关,空间与时间不 再与物体及其运动无关而独立存在。这是一种崭 新的时空观。
牛顿的万有引力定律取得了巨大的成就,但在一 些问题上也遇到了困难。例如:水星的公转轨道在不断
牛顿运动定律只适用于弱 旋进,其实际观察值要比经典力学的预言值多。1915年,
爱因斯坦创立的广义相对论对此则能作出很好的解释,
引力,在强引力的作用下,牛 同时还预言光线经过大质量星体附近时会发生偏转,且
已被观测证实。
重视实验:重视实验,从归纳入手,这是牛 顿科学方法论的基础。
逻辑推论:为了归纳成功,不仅需要大量 的可靠资料与广博的知识,而且要有清晰的 逻辑头脑。
数学归纳:事物之间的本质联系只有通 过数学才能归纳为能够测量、应用和检验的 公式和定律。
Einstein对相对论的解释
当你和一个漂亮 姑娘在一起坐一小 时,你感觉只坐了一 分钟,当你坐在火炉 旁一分钟,就好象坐 了一小时,这就是相 对论。
例题1：对于时空观的认识，下列说法正确的是( B )
A．相对论给出了物体在低速运动时所遵循的规律
B．相对论具有普遍性，经典物理学为它在低速运动 时的特例
C．相对论的出现使经典物理学在自己的适用范围内 不再继续发挥作用
D．经典物理学建立在实验的基础上，它的结论又受 到无数次实验的检验，因此在任何情况下都适用。
经典力学的局限性和适用范围?
一、对牛顿运动定律受参考系限制的认识
经典力学中的空间和时间 力学的目的在于描述物体在空间中的位
置如何随"时间"而改变。 这里,"位置"和"空间"应如何理解是不清
楚的。设一架飞机正在匀速地行驶,从飞机上 投下一枚炸弹。那么,如果不计空气阻力的影 响,飞行员看见炸弹是沿直线落下的。从地面 上观察这一举动的行人则看到炸弹是沿抛物 线落到地面上的。
1905年,出生于德国的美籍物理 学家阿尔伯特·爱因斯坦(1879-1955) 发表了狭义相对论。这个理论指出
在宇宙中唯一不变的是光线在真空 中的速度,其它任何事物──速度、 长度、质量和经
过的时间,都随观 察者的参考系(特 定观察)而变化。
牛顿建立的经典力学已相当完善,爱因斯 坦为什么还要提出相对论。相对论是否 全盘否定了牛顿的经典力学理论?
六、经典力学的适用范围
经典力学有它的适用范围:只适用于低速运动,不 适用于高速运动;只适用于宏观世界,不适用于微观世 界;只适用于弱引力情况,不适用于强引力情况。
对于高速运动(速度接近真空中的光速),需要应用 爱因斯坦的相对论。当物体的运动速度远小于真空中 的光速时,相对论物理学与经典物理学的结论没有区别。
的平方E = mc2 。
相对论的时空观念与人们固有的时空观念差别很大，很难
被普通人所理解。人们都称赞爱因斯坦伟大，但又常常弄不懂
这伟大的内容。这使人们想起英国诗人波谱歌颂牛顿的诗句:
自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中， 上帝说：“让牛顿去吧，”于是一切都成为光明。 后人续写道: 上帝说完多少年之后， 魔鬼说：“让爱因斯坦去吧，”于是一切又回到黑 暗中。
Albert Einstein
世纪伟人
2005
世界物理年
纪念爱因斯坦 狭义相对论诞生 100 周 年 与 爱 因 斯坦逝世50周年。
让物理走近 大众，让世界 拥抱物理
A. 爱 因 斯 坦 —— 20 世纪最伟大的物理学家。1879 年3月14日生于德国乌耳姆， 1900年毕业于瑞士苏黎世联邦 工业大学。1905年，爱因斯坦 在科学史上创造了史无前例的 奇迹—— 建立了狭义相对论， 推动了整个物理学理论的革命。 1955年4月19日在美国逝世。
质量这三者都 与参考系的运
动有关。
爱因斯坦 相对质量
相对时间
狭义相对 论
相对空间
经典时空观与相对论时空观
经典时空观 狭义相对论时空观
光速 相对的，速度可以叠加
绝对的(不变)
同时 绝对的
相对的
时间与 与运动无关, 与运动有关,
空间 绝对的
相对的
质量
与运动无关, 不变的
随速度增加而增大
五、强引力作用下出现的问题
⑶经典力学的建立对自然科学和科技的发展、社会的 进步具有深远的影响。
牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力 的广阔领域（日常生活，天体的运动）经受了实践 的检验，取得了巨大的成就。
著名物理学家杨振宁曾赞颂到：“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年出版的那一天。”
例题2：爱因斯坦的引力理论成就表现在( BC ) A．预言和发现了冥王星和海王星 B. 水星近日点旋进存在每百年43″的附加值 C. 预言了黑洞的存在 D. 天体间的引力与半径的平方成反比
例题3：火箭以0.75c的速度离开地球，从火箭上向地 球发射一个光信号．火箭上测得光离开的速度是c， 根据过去熟悉的速度合成法则，光到达地球时地球 上测得的光速是多少？根据狭义相对性原理呢？
现在问:炸弹所经过的各个"位置"是"的确" 在一条直线上,还是在一条抛物线上的呢?
可见,在非惯性系中,牛顿定律不再成立。
经典力学(牛顿运动定律)在惯 性系中成立(适用)。
借助于这一实例可以清楚地知道不会 有独立存在的轨线("路程——曲线");而 只有相对于特定的参考物体的轨线。
二、经典力学受速度限制的分析
伦琴发现X射线 汤姆生发现电子 贝克勒耳发现 天然放射线
宏观领域
微观世界
经典力学难以解释微观粒子的运动: 科学家们发现,电子、质子、中子等微观粒子
不仅具有粒子性,同时还具有波动性,它们的运动在 很多情况下不能用经典力学来说明。20世纪20 年 代量子力学的出现,才很好地揭示了微观世界的基 本规律。
当一些问题牛顿解释不了时,它就只好用上帝的万能来解 释,为此牛顿花费了后半生的心血,这正是牛顿的悲剧。
不敢相信图中的横线是平行的,不过它就是平行的
两个位于中心的圆哪个大?其实一样大的!
三、经典力学在分析宏观与微观的困难
第二次革命的导火索是物理学史上的三大发现:伦琴发现 X射线、汤姆生发现电子 、贝克勒耳发现天然放射线,使 物理学的研究从宏观领域进入了微观世界。人们发现,微 观粒子所表现出的现象用经典物理理论根本无法解释。
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1905年，除去博士论文外，爱因斯坦连 续发表了4篇重要论文，其中任何一篇，都 够得上拿诺贝尔奖。3月，发表了解释光电 效应的论文，提出光子说；5月，发表关于 布朗运动的论文，间接证明了分子的存在； 6月，发表“论运动媒质的电动力学”的论 文，提出了狭义相对论；9月发表了有关质 能关系式的论文，指出能量等于质量乘光速
6.6经典力学的局限性
一、经典力学 1、模块分类：
静力学（描述静止物体）
运动学（描述物体运动） 动力学（描述物体受力作
用下的运动）
万有引力定律
经典力学
（牛顿力学）
2、经典力学的伟大成就
⑴经典力学的建立把人类对整个自然界的认识推进到 一个新水平，牛顿从力学上证明了自然界的统一。
⑵经典力学的建立，首次明确了一切自然科学理论应 有的基本特征。这标志着近代自然科学理论的诞生， 并成为其它各种自然学科的典范。
0.25C、C
例题4：如果真空中的光速为c＝3.0×108 m/s， 当一个物体的运动速度为v1＝2.4×108 m/s时 ，质量为3 kg。当它的速度为1.8×108 m/s时 ，质量为多少？
m=2,25kg
对于微观世界,需要应用量子力学。当普朗克常数 可以忽略不计时,量子力学和经典力学的结论没有区别。
对于强引力情况,需要应用爱因斯坦引力理论。当 天体的实际半径远大于它们的引力半径时,爱因斯坦引 力理论和牛顿引力理论计算出的力的差异并不很大。
总之
经典力学只适用于低速、宏观、弱 引力的情况。
当物体的速度远小于光速c时,相对论 物理学和经典物理学的结论没有区别。
经典力学(牛顿运动定律)在低速运动的 物体(低速世界)中成立(适用)。
设河流中的水相对于河岸的速度为v水岸, 船相对于水的速度为v船水,则在经典力学中, 船相对于岸的速度为：
v船岸 v船水 v水岸 (矢量和)
这似乎是天经地义的。但是,这个关系式涉及两个 不同的惯性参考系,而速度总是与位移(空间长度) 及时间间隔的测量相联系。相对论认为,同一过程 的位移和时间的测量在不同参考系中是不同的,因 而上式不能成立。
在经典力学中,物体的质量是不随运动状态改 变的。但是,按照20世纪初著名物理学家爱因斯坦 建立的狭义相对论,质量要随物体运动速度的增大 而增大。物体的质量与运动速度的关系:
m
m0
1
v2 c2
式中m0是物体静止时的质量,m是物体速度 为v时的质量,c是真空中的光速 。
m m0 v2
1 c2
可见,当v<<c时,m≈m0;当v趋近于 c时,m趋近于无穷大。因此,当物体 的速度远小于真空中的光速时,经典 力学完全适用;当物体的速度接近光 速时,经典力学就不适用了。
像一切科学一样，经典力学没有也不会穷尽一切真 理，它也有自己的局限性．
6 经典力学的局限性
经典力学模块分类
静力学(描述静止物体)
运动学(描述物体运动) 动力学(描述物体受力作
用下的运动)
经典力学
(牛顿力学)
牛顿所说:"如果说我看得远,那是因为我站在 巨人们的肩上。"
牛顿三大定律
经 牛顿
典
力
笛卡尔、胡