高中物理 6.6 经典力学的局限性课件 新人教版必修2.ppt

经典力学的基础是牛顿运动定律 万有引力定律更是树立了人们对牛顿物理学的尊敬 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 像一切科学一样 它没有也不会穷尽一切真理 它也有自己的局限性 它像一切科学理论一样 是一部 未完成的交响曲 那么经典力学在什么范围内适用呢 有怎样的局限性呢 一 从低速到高速 例如 在一个无限大的光滑水平面上 有一质量为m的物体 在一个水平恒力F的作用下 从静止开始运动 根据牛顿第二定律可知物体将以加速度a F m做匀加速直线运动 由运动学公式可知 物体的速度v at 推理 随着时间的推移 物体的速度不断增大 最终可使物体获得任意速度 但事实并非如此 常识告诉我们 物体运动速度是有极限的 现在已知的最大速度是光速 且现在也无法使物体运动超越这个速度 这是经典力学无法解答的 这是什么原因造成的呢 是否经典力学的错误 爱因斯坦在狭义相对论中阐述了物体以接近光速运动所遵循的规律 得出了一些不同与经典力学的观念和结论 1 在经典力学中 物体的质量是不随运动状态改变的 而狭义相对论认为 物体的质量要随物体运动速度的增大而增大 即 例如 1 v 0 8c时 物体的质量约增大到静止质量的1 7倍 这时经典力学就不再适用了 2 如地球以v 30km s的速度绕太阳公转时 它的质量增大十分微小 可以忽略不计 经典力学完全适用 质速关系 说明 m0为静止质量 m是物体速度为v时的质量 c是真空中的光速 2 运动的物体和静止的物体相比不仅质量变了 而且沿运动方向的长度和时间都要变化 都具有相对性 下面的事例可以帮助我们理解相对论 1971年8月的一天 一名前苏联飞行员例行飞行时 无意中 闯入 古埃及 他看到一座座金字塔刚刚奠起塔基 1982年一位北约飞行员在一次飞行训练中 视野里竟然出现了数百只恐龙 飞机竟然来到史前非洲大陆 1970年一架272客机在飞向迈阿密国际机场的旅途中 也无故 失踪 了10分钟 10分钟后 客机又在原来的地方出现 失踪的一刹那 专家们的惟一的解释是时间 静止 不动了 时间和空间是什么 时间和空间是什么 二 宏观到微观 19世纪末到20世纪初 人们相继发现了电子 质子 中子等微观粒子 发现它们不仅具有粒子性 面且具有波动性 它们的运动规律不能用经典力学描述 20世纪20年代 建立了量子力学 它能够正确地描述微观粒子运动的规律性 并在现代科学技术中发挥了重要作用 经典力学一般不适用于微观粒子 普朗克创立量子力学 相对论和量子力学的出现 是否表示经典力学失去了意义 相对论和量子力学的出现 说明人类对自然界的认识更加广泛和深入 而不表示经典力学失去了意义 它只是使人们认识到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 讨论与交流 三 从弱引力到强引力 万有引力属于弱引力 利用万有引力定律可以解释天体的运动 并预言和发现了海王星和冥王星 首次把天上的星体运动规律与地面物体的运动规律统一起来 但是宇宙中有一些天体 例如白矮星 他们的质量接近太阳 半径却与地球差不多 因此密度高达108 1010kg m3 中子星的密度更是达1016 1019kg m3 这些天体表面的引力比我们常见的引力强的多 牛顿的引力理论已经不适用了 按牛顿的万有引力定律推算 行星的运动应该是一些椭圆或圆 行星沿着这些椭圆或圆做周期性运动 与实际观测结果不符 经典力学也能作出一些解释 但是 水星旋进的实际观测值比经典力学的预言值多 经典力学的解释不能令人满意 爱因斯坦根据广义相对论计算出水星近日点的旋进还应有43 的附加值 同时还预言了光线在经过大质量的星体附近时 如经过太阳附近时会发生偏转现象 并且都被观测证实 讨论与交流 1 实际的天文观测 行星的运行轨道并不是严格闭合的 它们的近日点在不断地旋进 经典力学的解释令人满意吗 用什么理论来圆满地进行了解释 假定一个球形天体的质量不变 并通过压缩减小它的半径 天体表面上的引力将会增加 半径减少到原来的二分之一 引力增加到原来的4倍 这就是平常说的 反平方 规律 爱因斯坦引力理论表明 这个力实际上增加的更快些 天体半径越小 这种差别越大 当引力趋于无穷大时 被压缩天体半径接近的值 引力半径 在太阳或行星的引力场中 由爱因斯坦和牛顿的理论计算出的力的差异并不很大 但当天体的实际半径接近引力半径时 这种差异将急剧增大 这就是说 在强引力的情况下 牛顿的万有引力理论将不再适用 讨论与交流 2 何为天体的引力半径 对于这样的科学发展过程 英国剧作家萧伯纳曾诙谐地说 科学总是从正确走向错误 这种调侃倒也不失为一种幽默的表述 讨论与交流 讨论与交流 3 历史上的科学成就与新的科学成就的关系是什么 历史上的科学成就不会被新的科学成就所否定 而是作为某些条件下的局部情形 被包括在新的科学成就之中 如 当物体的速度远小于光速c 3X108m s 时 相对论与经典理论的结论没有区别 当另一个重要常数即 普朗克常数 h 6 63X10 34J s 可以忽略不计时 量子力学和经典力学的结论没有区别 相对论和量子力学都没有否定过去的科学 而只认为过去的科学是自己在一定条件下的特殊情形 相对论和量子力学是哪一种更广泛的理论的特殊情形呢 我们现在还不知道 讨论与交流 以牛顿运动定律为基础的经典力学的适用范围是什么 总结 经典力学只适用于解决低速运动问题 不能用来处理高速运动问题 经典力学只适用于宏观物体 一般不适用于微观粒子 经典力学只适用于解决弱引力问题 不能用来处理强引力问题