万有引力与航天经典力学的局限性课件

6 6 6 6经典力学的局限性经典力学的局限性6经典力学的局限性117:20牛顿牛顿万有引力定律万有引力定律牛顿三大定律牛顿三大定律一一.牛顿主要贡献牛顿主要贡献:19:33牛顿万有引力定律牛顿三大定律一.牛顿主要贡献:2牛顿牛顿牛顿牛顿17:20牛顿所说：牛顿所说：“如果说我看得远，那是因为我站在巨人们的肩上。如果说我看得远，那是因为我站在巨人们的肩上。”经经典典力力学学金金字字塔塔的的建建立立伽利略、第谷伽利略、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、哈雷等开普勒开普勒开普勒开普勒牛顿19:33牛顿所说：经典力学金字塔的建立伽利略、第谷哥白3经经 典典 力力 学学第一次比较完整第一次比较完整表述了惯性定律表述了惯性定律解决了完全弹性解决了完全弹性碰撞问题碰撞问题发现了行星运发现了行星运动规律动规律经 典 力 学第一次比较完整表述了惯性定律解决了4经典力学经典力学力力动量动量能量能量生物力学生物力学热弹性力学热弹性力学磁流体力学磁流体力学化学流体动力学化学流体动力学等离子体动力学等离子体动力学地质力学地质力学天体力学天体力学塑性力学塑性力学流体力学流体力学弹性力学弹性力学刚体力学刚体力学经典力学力动量能量生物力学热弹性力学磁流体力学化学流体动力学517:20 经典力学的基础是经典力学的基础是牛顿运动定律牛顿运动定律，万万有引力定律有引力定律更确立了牛顿的地位，牛顿更确立了牛顿的地位，牛顿运动定律和万有引力定律在运动定律和万有引力定律在宏观、低速、宏观、低速、弱引力弱引力的广阔领域，经受实践检验。的广阔领域，经受实践检验。如：如：18世纪世纪60年代，力学与热力学的发展及其年代，力学与热力学的发展及其与生产的结合，使机器和蒸汽机得到改进和推广，与生产的结合，使机器和蒸汽机得到改进和推广，引发了第一次工业革命。引发了第一次工业革命。如：由牛顿力学定律导出的动量守恒定律、机如：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、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等航天器的发射，都是牛顿力学规律的应用范例19:33 经典力学的基础是牛顿运动定律6二二.物体的质量与运动速度有关物体的质量与运动速度有关:在经典力学中，物体的质量是不随运在经典力学中，物体的质量是不随运动状态改变的。但是，按照动状态改变的。但是，按照20世纪初著名世纪初著名物理学家爱因斯坦建立的狭义相对论，质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。物体量要随物体运动速度的增大而增大。物体的质量与运动的质量与运动速度的关系是速度的关系是，式中式中m0是物体静止时的质量，是物体静止时的质量，m是物是物体速度为体速度为v时的质量，时的质量，c是真空中的光速是真空中的光速。二.物体的质量与运动速度有关:7 可见，当可见，当vc时，时，mm0；当；当v趋趋近于近于c时，时，m趋近于无穷大。因此，当物趋近于无穷大。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。时，经典力学就不适用了。可见，当vc时，mm0；当v趋近于c时8三三.经典力学中速度叠加原理不再成立：典力学中速度叠加原理不再成立：设河流中的水相河流中的水相对于河岸的速度于河岸的速度为 ,船相船相对于水的速度于水的速度为 ,则在在经典力学中，船相典力学中，船相对于岸的速度于岸的速度为 这似乎是天似乎是天经地地义的。但是，的。但是，这个关系式涉及两个关系式涉及两个不同的个不同的惯性参考系，而速度性参考系，而速度总是与位移（空是与位移（空间长度）度）及及时间间隔的隔的测量相量相联系。相系。相对论认为，同一，同一过程的位程的位移和移和时间的的测量在不同参考系中是不同的，因而上式不量在不同参考系中是不同的，因而上式不能成立。能成立。（矢量和）（矢量和）三.经典力学中速度叠加原理不再成立：船相对于水的速度为 9四四.两种不同的时空观：两种不同的时空观：本节教材在本节教材在“科学漫步科学漫步”栏目时间和空间是什栏目时间和空间是什么？一文中提到了牛顿和爱因斯坦的两种不同的时么？一文中提到了牛顿和爱因斯坦的两种不同的时空观。空观。牛顿认为：空间是独立于物体及其运动而存在的，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。典时空观。爱因斯坦则认为：在研究物体的高速运动（速度接爱因斯坦则认为：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，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。及其运动无关而独立存在。这是一种崭新的时空观。四.两种不同的时空观：爱因斯坦则认为：在研究物10（一）、经典时空观（一）、经典时空观（绝对时空观）（绝对时空观）：（1）同时的绝对性）同时的绝对性（2）时间间隔的绝对性）时间间隔的绝对性（3）空间距离的绝对性）空间距离的绝对性超新星爆发的持续时间：超新星爆发的持续时间：实际：实际：2年！？年！？牛顿：牛顿：25年。年。时间、长度和质量这三者都与参考系的运动无关。时间、长度和质量这三者都与参考系的运动无关。（一）、经典时空观（绝对时空观）：（1）同时的绝对性（2）时1117:20爱因斯坦爱因斯坦相对质量相对时间相对空间狭义相对狭义相对论论19:33爱因斯坦相对质量相对时间相对空间狭义相对论12（二）、相对论时空观（二）、相对论时空观:（1）同时是相对的）同时是相对的（3）动尺变短）动尺变短（4）运动的物体质量变大）运动的物体质量变大（1）不同）不同惯性参考系惯性参考系惯性参考系惯性参考系，物理规律相同，物理规律相同1、两条基本假设：、两条基本假设：（2）任何惯性系，光速不变）任何惯性系，光速不变2、狭义相对论结论：、狭义相对论结论：（2）动钟变慢）动钟变慢 时间、长度和质量这三者都与参考系的运动有关。时间、长度和质量这三者都与参考系的运动有关。（二）、相对论时空观:（1）同时是相对的（3）动尺变短（4）13光速光速同时同时时间与空间时间与空间质量质量经典时空观经典时空观狭义相对论时空观狭义相对论时空观相对的相对的绝对的（不变）绝对的（不变）绝对的绝对的与运动无关，绝对的与运动无关，绝对的与运动无关，不变的与运动无关，不变的相对的相对的与运动有关，相对的与运动有关，相对的随速度增加而增大随速度增加而增大经典典时空空观与相与相对论时空空观：练习练习练习练习光速同时时间与空间质量经典时空观狭义相对论时空观相对的绝对的14五五.经典力学难以解释微观粒子的运动：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。们的运动在很多情况下不能用经典力学来说明。20世纪世纪20 年代量子力学的出现，才很好地揭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。示了微观世界的基本规律。五.经典力学难以解释微观粒子的运动：15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宏观领域微观世界微观世界伦琴发现X射线汤姆生发现电子贝克勒耳发现宏观领域微观世界16普朗克 创立量子力学普朗克17 经典物理对物理学思想和科学方法作了重点总结，它只适用于宏观低速的物体；相对论和量子论则适用于微观高速粒子的运动。因此，相对论和量子力学的建立,并不是对经典力学的否定。经典物理对物理学思想和科学方法作了重点总结，它只适用18六六.强引力作用下出现的问题：强引力作用下出现的问题：牛顿的万有引力定律取得了巨大的成就，但在一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些问题上也遇到了困难。例如：水星的公转轨道在不断旋进（参见教材图断旋进（参见教材图7.6-1），其实际观察值要比经），其实际观察值要比经典力学的预言值多。典力学的预言值多。1915年，爱因斯坦创立的广义年，爱因斯坦创立的广义相对论对此则能作出很好的解释，同时还预言光线经相对论对此则能作出很好的解释，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。过大质量星体附近时会发生偏转，且已被观测证实。另外，根据牛顿的理论，当天体被压缩成半径几乎另外，根据牛顿的理论，当天体被压缩成半径几乎为为0的一个点时，引力趋于无穷大；而爱因斯坦的理的一个点时，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论则认为，引力趋于无穷大发生在半径接近一个“引引力半径力半径”的时候，这个引力半径的值由天体的质量决的时候，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。力情况下牛顿引力理论不再适用。六.强引力作用下出现的问题：19七七.经典力学的适用范围：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，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。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。没有区别。对于微观世界，需要应用量子力学。当普朗克常对于微观世界，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数可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别。区别。对于强引力情况，需要应用爱因斯坦引力理论。当天对于强引力情况，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。力理论和牛顿引力理论计算出的力的差异并不很大。七.经典力学的适用范围：20八八.牛顿的科学方法：牛顿的科学方法：本节教材在本节教材在“科学足迹科学足迹”栏目牛顿的科学生栏目牛顿的科学生涯一文中总结了牛顿的科学方法，这些科学方法涯一文中总结了牛顿的科学方法，这些科学方法值得我们借鉴：值得我们借鉴：重视实验重视实验：重视实验，从归纳入手，这：重视实验，从归纳入手，这是牛顿科学方法论的基础。是牛顿科学方法论的基础。逻辑推论逻辑推论：为了归纳成功，不仅需要大：为了归纳成功，不仅需要大量的可靠资料与广博的知识，而且要有清量的可靠资料与广博的知识，而且要有清晰的逻辑头脑。晰的逻辑头脑。数学归纳数学归纳：事物之间的本质联系只有通：事物之间的本质联系只有通过数学才能归纳为能够测量、应用和检验过数学才能归纳为能够测量、应用和检验的公式和定律。的公式和定律。八.牛顿的科学方法：21