《高中物理人教版必修二6.6经典力学的局限性》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高中物理人教版必修二6.6经典力学的局限性（28页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第六章第六章 万有引力与航天万有引力与航天经典力学的局限性经典力学的局限性自然和自然的法自然和自然的法则在黑暗中隐藏；则在黑暗中隐藏；上帝说，让牛顿上帝说，让牛顿去吧！于是一切去吧！于是一切都被照亮。魔鬼都被照亮。魔鬼说，让爱因斯坦说，让爱因斯坦去吧！于是一切去吧！于是一切又回到黑暗中。又回到黑暗中。力学力学热学热学光学光学经典物经典物理理声学声学电磁学电磁学一、经典物理模块分类：一、经典物理模块分类：17世纪前在观察世纪前在观察与哲学的猜测上与哲学的猜测上对天文、力、热、对天文、力、热、声、光有了一定声、光有了一定认识。认识。17世纪初世纪初19世纪末世纪末是经典物理学体系建是经典物理学体系
2、建立的关键时期立的关键时期静力学（描述静止物体）静力学（描述静止物体）运动学（描述物体运动）运动学（描述物体运动）动力学（描述物体受力作动力学（描述物体受力作 用下的运动）用下的运动）经典力学经典力学（牛顿力学）（牛顿力学）二、经典力学模块分类：经典力学模块分类：牛顿牛顿万有引力定律万有引力定律变量数学微积分变量数学微积分牛顿三定律牛顿三定律三、牛顿主要贡献三、牛顿主要贡献亚里士多德亚里士多德亚里士多德亚里士多德伽利略伽利略伽利略伽利略笛卡尔笛卡尔笛卡尔笛卡尔牛顿牛顿牛顿牛顿经验主义：必须有力作用在物体上物体才能运动经验主义：必须有力作用在物体上物体才能运动理想实验（斜面）：物体保持运动不需要
3、力维持理想实验（斜面）：物体保持运动不需要力维持如果运动中物体没受到力。将以同一速度沿以直线运动。如果运动中物体没受到力。将以同一速度沿以直线运动。牛顿定律（惯性定律，加速度定律，作用反作用定律）牛顿定律（惯性定律，加速度定律，作用反作用定律）哥白尼：日心说哥白尼：日心说第谷：第谷：20年精心观测数据年精心观测数据开普勒研究第谷数据得三个定律开普勒研究第谷数据得三个定律胡克、哈雷进一步认识胡克、哈雷进一步认识牛顿解决椭圆并延伸到万物间有力牛顿解决椭圆并延伸到万物间有力万有引力定律万有引力定律万有引力定律万有引力定律万有引力定律万有引力定律牛顿牛顿牛顿牛顿伽利略、第谷伽利略、第谷伽利略、第谷伽利
4、略、第谷哥白尼、亚里士多德哥白尼、亚里士多德笛卡尔、胡笛卡尔、胡笛卡尔、胡笛卡尔、胡克、哈雷等克、哈雷等克、哈雷等克、哈雷等牛顿所说：牛顿所说：“如果说我看得远，那是因为我站在如果说我看得远，那是因为我站在巨人们的肩上。巨人们的肩上。” 经经典典力力学学金金字字塔塔的的建建立立开普勒开普勒开普勒开普勒 经典力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定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，经受力定律在宏观、低速、弱引力的广阔领域，经受实践检验。著名物理学家杨振宁赞颂到：实践检验。著
5、名物理学家杨振宁赞颂到：“如果如果一定要举出某个人、某一天作为近代科学诞生的一定要举出某个人、某一天作为近代科学诞生的标志，我选牛顿标志，我选牛顿自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理在在1687年出版的那天。年出版的那天。” 第一部分包括：第一部分包括：“定义和注释定义和注释”和和“运动的基本定运动的基本定理或定律理或定律”。这部分虽然篇幅不大，却极为重要。这部分虽然篇幅不大，却极为重要。 第二部分是这些基本定律的作用，包括三篇：第一第二部分是这些基本定律的作用，包括三篇：第一篇是研究万有引力的；第二篇是讨论介质对物体运动篇是研究万有引力的；第二篇是讨论介质对物体运动的影响；第三篇是的影响；第
6、三篇是“论宇宙系统论宇宙系统” 。低速世界低速世界(经典力学经典力学)高速世界（相对论）高速世界（相对论）四、经典力学的困境：四、经典力学的困境：在宏观低速的世界：一切都理所当然？在宏观低速的世界：一切都理所当然？宏观物体低速运动（远小于光速），经典力学完全适用。宏观物体低速运动（远小于光速），经典力学完全适用。时间和空间没有联系，相互独立，与物体及其运动状态都没有关系。时间和空间没有联系，相互独立，与物体及其运动状态都没有关系。当一些问题当一些问题(如微观领域的深入如微观领域的深入)牛顿解释不了时，它就只好用上帝的牛顿解释不了时，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
7、牛顿的悲剧。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。物体的相关物理量（位移、质量、大小等）与物体的运动状态都无关。物体的相关物理量（位移、质量、大小等）与物体的运动状态都无关。例如：船在水中流，水速例如：船在水中流，水速2m/s，船相对，船相对于水顺流而下于水顺流而下1m/s，则船相对于岸，则船相对于岸3m/s.例如：空间如大房间，提供运动舞台，但例如：空间如大房间，提供运动舞台，但不干扰演出，独立于物体及其运动存在。不干扰演出，独立于物体及其运动存在。例如：生活经验：时间如长河，均匀流逝，例如：生活经验：时间如长河，均匀流逝，任何都影响不了它，时间也是独立的。任何都影响不了
8、它，时间也是独立的。所以：不管选什么参考系，不管物体怎么运动，物所以：不管选什么参考系，不管物体怎么运动，物体的位移、时间、长度、质量等等的测量结果肯定体的位移、时间、长度、质量等等的测量结果肯定是一样的，这是天经地义的。是一样的，这是天经地义的。静止看光速和与光速一起运动算得的光速不一样静止看光速和与光速一起运动算得的光速不一样,物体的速度甚至可以超过光速物体的速度甚至可以超过光速高速世界（接近光速）高速世界（接近光速）随着物体线性运动速度随着物体线性运动速度的加快，时间会变慢。的加快，时间会变慢。将一个钟表留在地面上，将一个钟表留在地面上，而携带另一个以很快速而携带另一个以很快速度移动，随
9、后进行比较，度移动，随后进行比较，地上的钟表总比快速移地上的钟表总比快速移动的快。动的快。物体以接近光线运行的物体以接近光线运行的火箭所表现出的长度会火箭所表现出的长度会比它静止时更短，尽管比它静止时更短，尽管乘坐火箭的人看来并没乘坐火箭的人看来并没有什么两样。爱因斯坦有什么两样。爱因斯坦指出，任何物体以光速指出，任何物体以光速运动时，其长度将会缩运动时，其长度将会缩短为零。短为零。物体的质量随速度物体的质量随速度的增大而增大的增大而增大1905年，爱因斯坦提出，物体高速时（接近光速），物体所年，爱因斯坦提出，物体高速时（接近光速），物体所占空间（如长度），物理、化学过程，生命持续时间，都与占
10、空间（如长度），物理、化学过程，生命持续时间，都与运动状态有关，时空都与运动相关联了运动状态有关，时空都与运动相关联了-狭义相对论狭义相对论不管你处于什么样的物理状态，不管你处于什么样的物理状态，你手里做实验得到的结果应该都你手里做实验得到的结果应该都是一样的。是一样的。 不管你怎么运动，随便取得一束光来测量速不管你怎么运动，随便取得一束光来测量速度其结果应该都是一样的度其结果应该都是一样的 ，不可能超过光速。，不可能超过光速。无论你坐在飞驰的火车里还是静止的躺椅中，无论你坐在飞驰的火车里还是静止的躺椅中，光速都保持恒定，和你所处的运动状态无关。光速都保持恒定，和你所处的运动状态无关。 四维空
11、间：空间的三维和时间的一维，前后发生的两件四维空间：空间的三维和时间的一维，前后发生的两件事情之间不单有一定的距离、也相差一定的时间。比方：事情之间不单有一定的距离、也相差一定的时间。比方：在某个物体上放个日历，随着物体运动和日历的翻动就在某个物体上放个日历，随着物体运动和日历的翻动就能发现，该物体除了空间位置在变，其时间也是在不断能发现，该物体除了空间位置在变，其时间也是在不断流逝的。流逝的。狭狭义义相相对对论论 自然和自然的法则在黑暗中隐藏；上帝说，让牛顿去吧！于自然和自然的法则在黑暗中隐藏；上帝说，让牛顿去吧！于是一切都被照亮。魔鬼说，让爱因斯坦去吧！于是一切又回到是一切都被照亮。魔鬼说
12、，让爱因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。黑暗中。 趣例：趣例：当你驾驶飞快的汽车通过一个门洞时，从你的角度来看这段距当你驾驶飞快的汽车通过一个门洞时，从你的角度来看这段距离要比实际距离短得多。这种情况在日常生活中经常被忽略不离要比实际距离短得多。这种情况在日常生活中经常被忽略不被注意是因为物体运动速度都很慢，长度收缩现象不明显。被注意是因为物体运动速度都很慢，长度收缩现象不明显。 屋子中有两盏灯，屋子中有两盏灯，A站在两盏灯中间，站在两盏灯中间，B以一定速度踩着滑板以一定速度踩着滑板向一盏灯运动正好到达中间。当两灯同时打开时向一盏灯运动正好到达中间。当两灯同时打开时A看到的现看到的现象是两灯同
13、时亮，而象是两灯同时亮，而B看到的却是面对他的那盏先亮，背对他看到的却是面对他的那盏先亮，背对他的那盏后亮。的那盏后亮。 你现在穿的是你现在穿的是25厘米的鞋，但在宇宙飞船上的人厘米的鞋，但在宇宙飞船上的人测得你穿的鞋的长度可能就只有测得你穿的鞋的长度可能就只有20厘米了。厘米了。 说船上的物体下落，从船上看是自由落体，从岸边说船上的物体下落，从船上看是自由落体，从岸边看就是平抛了看就是平抛了 爱因斯坦火因斯坦火车:ABK系系中点中点ABK系系中点中点先到先到B点点再到再到A点点同时到达同时到达A、B火火车上的上的观测者者说:光源在光源在AB的中点的中点,应同同时到达到达A、B两点两点.地面上
14、的人看地面上的人看见先到达先到达B点，后到点，后到A点。点。K系系DCK系系DC按照狭义相对论，不仅按照狭义相对论，不仅“同时同时”是相对的，有时候，是相对的，有时候，甚至事情的先后也都是相对的。举一个例子，一节长甚至事情的先后也都是相对的。举一个例子，一节长为为10米的列车，米的列车，A在车后部，在车后部，B在车前部。当列车以在车前部。当列车以0.6c的高速度通过一个站台的时候的高速度通过一个站台的时候,突然站台上的人看突然站台上的人看到到A先向先向B开枪开枪,过了过了12.5毫微秒毫微秒,B又向又向A发射。因而站发射。因而站台上的人作证：这场枪战是由台上的人作证：这场枪战是由A挑起的。但是
15、，车上挑起的。但是，车上的乘客却提供相反的情况，他们说，是的乘客却提供相反的情况，他们说，是B先开枪，过先开枪，过了了10毫微秒，毫微秒，A才动手。事件是由才动手。事件是由B发动的。发动的。到底是谁先动手呢？没有绝对的答案。在这个具体事件到底是谁先动手呢？没有绝对的答案。在这个具体事件中，谁先谁后是有相对性的。在列车参考系中，中，谁先谁后是有相对性的。在列车参考系中，B先先A后，后，而在车站参考系中则是而在车站参考系中则是A先先B后。甚至于飞船上的人可能后。甚至于飞船上的人可能会看到你先把苹果吃了，再看到苹果掉在了地上。会看到你先把苹果吃了，再看到苹果掉在了地上。 不敢相信图中的横线是平行的，
16、不过它就是平行的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！两个位于中心的圆哪个大？其实一样大的！ （1）相对时间狭义相对论认为时间不是绝对的（即固定不变的）。爱因斯坦指出，随着物体（观察者所见到的）运动速度的加快，时间会变慢。使用同步原子钟已证实了这个结论的正确性，将一个钟表留在地面上，而携带另一个以很快速度移动（如在喷气式飞机上），随后进行比较，静止的钟表总比另一个稍微快一点。时钟变慢.swf（1）相对时间（2）相）相对长度度 爱尔兰物理学家佛物理学家佛兹杰拉德杰拉德(18511901)提出，物提出，物质会在运会在运动的方的方向上收向上收缩（缩小），
17、小），这意味着根据一意味着根据一个静止个静止观察者的察者的观点，一枚以接近光点，一枚以接近光线运行的火箭所表运行的火箭所表现出的出的长度会比它度会比它静止静止时更短，尽管乘坐火箭的人看来更短，尽管乘坐火箭的人看来并没有什么两并没有什么两样。爱因斯坦指出，任何物体因斯坦指出，任何物体以光速运以光速运动时，其，其长度将会度将会缩短短为零。零。（2）相）相对长度度 （3）相）相对质量量物体运动时的质量与静止质量的关系五、从宏观到微观五、从宏观到微观19世纪末世纪末-20世纪初，深入到微观领域，发现电子、质子、中子等微观粒子世纪初，深入到微观领域，发现电子、质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性，同时还具
18、有波动性，很多情况下经典力学说明不了。不仅具有粒子性，同时还具有波动性，很多情况下经典力学说明不了。爱因斯坦提出的光子的概念，认为光既是电磁爱因斯坦提出的光子的概念，认为光既是电磁波，又是一份一份传播的波，又是一份一份传播的 原子中的电子只能在分立的特定轨道上运动，只原子中的电子只能在分立的特定轨道上运动，只有从一个轨道跳跃到另一个轨道。中间不连续。有从一个轨道跳跃到另一个轨道。中间不连续。 任何物体都具有波动性，你坐在椅子上，你是任何物体都具有波动性，你坐在椅子上，你是波动的，有波长。波动的，有波长。物体的位置是不确定的，只能用几率来反映。物体的位置是不确定的，只能用几率来反映。六，从弱引力
19、到强引力六，从弱引力到强引力物体间的万有引力是弱引力，经典力学适用物体间的万有引力是弱引力，经典力学适用天体半径减小到一定程度时天体半径减小到一定程度时(太阳的引力半径为太阳的引力半径为3 km，地球的引力半径为，地球的引力半径为1 m,如白矮星如白矮星)，天体间的引力就趋于无穷大，天体间的引力就趋于无穷大 ，强引力。黑洞这种极端条件，强引力。黑洞这种极端条件下的宇宙天体。它有极强的吸引力，黑洞本身的巨大质量造成空间弯曲下的宇宙天体。它有极强的吸引力，黑洞本身的巨大质量造成空间弯曲光之所以会被黑洞吸进去光之所以会被黑洞吸进去,是因为黑洞引力大造成空间扭曲是因为黑洞引力大造成空间扭曲,光随著被扭
20、曲的空间走而进去黑洞里光随著被扭曲的空间走而进去黑洞里,大家都知道光只走直大家都知道光只走直线线,所以光并不是被引力吸进去的所以光并不是被引力吸进去的,而是光还是走直线而是光还是走直线,但空间但空间扭曲而进到黑洞扭曲而进到黑洞,打个比方打个比方,在纸上画一条线在纸上画一条线,把那张纸扭曲把那张纸扭曲,但但展开后它还是一条线。这时候，光虽然仍然沿任意两点间的展开后它还是一条线。这时候，光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播，但走的已经不是直线，而是曲线。最短距离传播，但走的已经不是直线，而是曲线。爱因斯坦广义相对论爱因斯坦广义相对论经典力学经典力学狭义相对论狭义相对论狭义相对论狭义相对论广义相对论
21、广义相对论广义相对论广义相对论量子力学量子力学量子力学量子力学互为补充，互不矛盾，互不否定共同支撑起物理学科的骨架。互为补充，互不矛盾，互不否定共同支撑起物理学科的骨架。宏观低速宏观低速高速高速微观世界微观世界强引力强引力（1）对证据的质疑：水星旋进数据）对证据的质疑：水星旋进数据观测值：观测值：43秒秒/百年百年爱因斯坦计算相对论值：爱因斯坦计算相对论值：43.03秒秒/百年百年最新相对论值（太阳非正球体）：最新相对论值（太阳非正球体）：39.6秒秒/百年百年 （2）对共设的质疑：光速不可超越吗？）对共设的质疑：光速不可超越吗？哲学：光速是否只是某一时空层次的极限速度？随哲学：光速是否只是某一时空层次的极限速度？随着目前认识的宇观世界更大结构层次的发现，光速着目前认识的宇观世界更大结构层次的发现，光速是否会被超越？是否会被超越？例如：相对论是一定正确的吗？例如：相对论是一定正确的吗？例如：量子力学就不会错吗？例如：量子力学就不会错吗？ 量子力学证明质子是可分的，其半衰期约为三万亿量子力学证明质子是可分的，其半衰期约为三万亿年，说明其内部是有复杂结构的。一旦进入超微观，年，说明其内部是有复杂结构的。一旦进入超微观，新的时空层次会催生新的理论吗？新的理论会代替量新的时空层次会催生新的理论吗？新的理论会代替量子力学吗？子力学吗？
