《經(jīng)典力學(xué)局限性》PPT課件.ppt

經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動(dòng)定律，萬有引力定律更是樹立了人們對牛頓物理學(xué)的尊敬。,著名物理學(xué)家楊振寧曾贊頌到：“如果一定要舉出某個(gè)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年出版的那一天?！?像一切科學(xué)一樣，它沒有也不會(huì)窮盡一切真理，它也有自己的局限性它像一切科學(xué)理論一樣，是一部“未完成的交響曲”那么經(jīng)典力學(xué)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(gè)無限大的光滑水平面上，有一質(zhì)量為m的物體，在一個(gè)水平恒力F的作用下，從靜止開始運(yùn)動(dòng)。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(yùn)動(dòng)。,由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式可知：物體的速度v=at,推理：隨著時(shí)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(shí)并非如此。常識(shí)告訴我們，物體運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)超越這個(gè)速度，這是經(jīng)典力學(xué)無法解答的。這是什么原因造成的呢？是否經(jīng)典力學(xué)的錯(cuò)誤？,不敢相信圖中的橫線是平行的,不過它就是平行的,兩個(gè)位于中心的圓哪個(gè)大?其實(shí)一樣大的!,愛因斯坦在狹義相對論中闡述了物體以接近光速運(yùn)動(dòng)所遵循的規(guī)律，得出了一些不同與經(jīng)典力學(xué)的觀念和結(jié)論。,1、在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量是不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的，而狹義相對論認(rèn)為：物體的質(zhì)量要隨物體運(yùn)動(dòng)速度的增大而增大，即,例如：(1)v08c時(shí)，物體的質(zhì)量約增大到靜止質(zhì)量的17倍，這時(shí)經(jīng)典力學(xué)就不再適用了 (2)如地球以v30kms的速度繞太陽公轉(zhuǎn)時(shí)，它的質(zhì)量增大十分微小，可以忽略不計(jì)，經(jīng)典力學(xué)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(shí)的質(zhì)量，c是真空中的光速,2、運(yùn)動(dòng)的物體和靜止的物體相比不僅質(zhì)量變了，而且沿運(yùn)動(dòng)方向的長度和時(shí)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(shí)，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(xùn)練中，視野里竟然出現(xiàn)了數(shù)百只恐龍，飛機(jī)竟然來到史前非洲大陸。 1970年一架272客機(jī)在飛向邁阿密國際機(jī)場的旅途中，也無故“失蹤”了10分鐘，10分鐘后，客機(jī)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(shí)間“靜止”不動(dòng)了,1994年初，一架意大利客機(jī)在非洲海岸上空飛行。突然，客機(jī)從控制室的雷達(dá)屏幕上消失了。正當(dāng)?shù)孛嫔系臋C(jī)場工作人員焦急萬分之際，客機(jī)又在原來的空域出現(xiàn)，雷達(dá)又追蹤到了客機(jī)的訊號(hào)。 最后，這架客機(jī)安全降落在意大利境內(nèi)的機(jī)場。然而，客機(jī)上的機(jī)組人員和315名乘客，并不知道他們曾經(jīng)“失蹤“過。 機(jī)長巴達(dá)里疑惑不解地說：“我們的班機(jī)由馬尼拉起飛后，一直都很平穩(wěn)，沒有任何意外發(fā)生，但控制室竟說失去班機(jī)的蹤影，實(shí)在有點(diǎn)不尋常?！?不過，事實(shí)卻不容爭辨：到達(dá)機(jī)場時(shí)，每個(gè)乘客的手表都慢了20分鐘。,時(shí)間和空間是什么？,時(shí)間和空間是什么？,二、經(jīng)典力學(xué)受速度限制,牛頓力學(xué)的絕對時(shí)空觀: 伽利略和牛頓的絕對時(shí)空觀認(rèn)為,同一物體運(yùn)動(dòng)的時(shí)間和長度(位移)在不同的參考系中,測量結(jié)果是相同的.,牛頓的局限 1)絕對時(shí)空觀 認(rèn)為時(shí)間與空間無關(guān)，時(shí)空與運(yùn)動(dòng)無關(guān)，是絕對的物理量。 2)當(dāng)一些問題牛頓解釋不了時(shí)，它就只好用上帝的萬能來解釋，為此牛頓花費(fèi)了后半生的心血，這正是牛頓的悲劇。,1905年，愛因斯坦（18791955）發(fā)表了狹義相對論: 在宇宙中唯一不變的是光在真空中的速度，其它任何事物速度、長度、質(zhì)量和經(jīng)過的時(shí)間，都隨觀察者的參考系（特定觀察）而變化。,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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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:,二、宏觀到微觀,19世紀(jì)末到20世紀(jì)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(dòng)性，它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不能用經(jīng)典力學(xué)描述 20世紀(jì)20年代，建立了量子力學(xué)，它能夠正確地描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性，并在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮了重要作用 經(jīng)典力學(xué)一般不適用于微觀粒子,普朗克創(chuàng)立量子力學(xué),相對論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，是否表示經(jīng)典力學(xué)失去了意義?,相對論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，說明人類對自然界的認(rèn)識(shí)更加廣泛和深入，而不表示經(jīng)典力學(xué)失去了意義它只是使人們認(rèn)識(shí)到經(jīng)典力學(xué)有它的適用范圍： 只適用于低速運(yùn)動(dòng)，不適用于高速運(yùn)動(dòng)，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(qiáng)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(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)規(guī)律與地面物體的運(yùn)動(dòng)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(dá)1081010kg/m3;中子星的密度更是達(dá)1016 1019kg/m3。這些天體表面的引力比我們常見的引力強(qiáng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，與實(shí)際觀測結(jié)果不符經(jīng)典力學(xué)也能作出一些解釋，但是，水星旋進(jìn)的實(shí)際觀測值比經(jīng)典力學(xué)的預(yù)言值多經(jīng)典力學(xué)的解釋不能令人滿意 愛因斯坦根據(jù)廣義相對論計(jì)算出水星近日點(diǎn)的旋進(jìn)還應(yīng)有43的附加值，同時(shí)還預(yù)言了光線在經(jīng)過大質(zhì)量的星體附近時(shí)，如經(jīng)過太陽附近時(shí)會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象并且都被觀測證實(shí),討論與交流,1、實(shí)際的天文觀測，行星的運(yùn)行軌道并不是嚴(yán)格閉合的，它們的近日點(diǎn)在不斷地旋進(jìn)經(jīng)典力學(xué)的解釋令人滿意嗎?用什么理論來圓滿地進(jìn)行了解釋?,對于這樣的科學(xué)發(fā)展過程，英國劇作家蕭伯納曾詼諧地說： “科學(xué)總是從正確走向錯(cuò)誤” 這種調(diào)侃倒也不失為一種幽默的表述,討論與交流,相對論和量子力學(xué)是哪一種更廣泛的理論的特殊情形呢