6.6经典力学局限性

6 6经典力学局限性 经典力学体系 经典物理学体系 经典力学 热学 声学 光学 电磁学等 1 伽利略发现 惯性定律 自由落体规律 力学相对性原理 2 第一次比较完整表述了惯性定律 3 解决了完全弹性碰撞问题 4 发现了行星运动规律 5 牛顿创立了完整的经典力学 一 经典力学的发展过程及伟大成就 自从17世纪以来 以牛顿运动定律为基础的经典力学不断发展和完善 在科学研究和生产技术中有了广泛的应用 如 在宏观 低速 弱引力的广阔领域 包括天体力学的研究中取得了巨大的成就 如 从地面物体的运动到天体的运动 从大气的流动到地壳的变动 从拦河筑坝 修建桥梁到设计各种输送机械 从自行车到汽车 火车 飞机等各种交通工其 从投出的篮球到发射火箭 人造卫星 宇宙飞船 从而证明了牛顿运动定律的正确性 但是 经典力学也不是万能的 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 这节课我们就来了解这方面的知识 阿尔伯特 爱因斯坦 直到爱因斯坦创立狭义相对论 才发现经典物理存在局限性 二 从低速到高速 这就需要有人创立新的理论 1 牛顿的经典时空观 绝对时空观 认为 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 例 超新星爆发的持续时间 而实际是 2年 时间t 长度L和质量m这三者都与参考系选取及物体运动速度v无关 牛顿 2 爱因斯坦相对论时空观认为 时间t 长度L和质量m这三者都与参考系选取及物体运动速度v有关 a 不同惯性参考系 物理规律相同 1 两条基本假设 b 任何惯性系 光速不变 a 同时是相对的 c 运动尺变短 d 运动的物体质量会变大 2 狭义相对论结论 在物体速度大小接近光速时 会出现 b 运动钟变慢 质量要随物体运动速度的增大而增大 尺子要随物体运动速度的增大而变短 式中m0 l0 t0是物体静止时的量 m l t是物体速度为v时的量 c是真空中的光速 相对的 绝对的 不变 绝对的 与运动无关 绝对的 与运动无关 不变的 相对的 与运动有关 相对的 随速度增加而增大 经典时空观与相对论时空观对比 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 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 结论1 经典力学的适用范围 1 只适用于宏观 低速运动物体 不适用于微观高速 接近光速 运动的物体 2 只适用于弱引力情况 不适用于强引力情况 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 三 从宏观到微观 宏观领域 微观世界 直到普朗克创立量子力学 量子力学之父普朗克 理解 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 结论2 1 对于高速运动 速度接近真空中的光速 需要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 2 对于微观世界 需要用量子力学 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 四 从弱引力到强引力 1 按牛顿的万有引力定律推算 行星的运动轨道应该是一些椭圆或圆 而实际的天文观测 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 牛顿的万有引力定律不能完全解释 2 宇宙中有一些天体 例如白矮星 密度极大 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 理解 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 结论3 对于强引力情况 需要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 理解 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 1 经典力学的适用范围 只适用于宏观 低速运动的物体 不适用于微观高速运动物体 只适用于弱引力情况 不适用于强引力情况 2 对于高速运动 速度接近真空中的光速 需要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 3 对于微观世界 需要用量子力学 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 4 对于强引力情况 需要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 课堂小结 检测题 1 有关科学家和涉及的事实 正确的说法是A 哥白尼创立了日心说B 伽利略发现了行星运动规律C 惠更斯解决了弹性碰撞问题D 爱因斯坦提出了量子论 AC 2 一列火车以速度v相对地面运动 如果地面上的人测得 某光源发出的闪光同时到达车厢的前壁和后壁 以下说法中正确的是A 火车上的人测得 闪光先到达前壁B 火车上的人测得 闪光先到达后壁C 火车上的人测得 闪光同时到达车厢的前壁和后壁D 条件不足 无法确定 检测题 A 爱因斯坦火车 同时到达A B 火车上的观测者说 光源在AB的中点 应同时到达A B两点 地面上的人看见先到达B点 后到A点 注 灯泡位置是发光位置 检测题 3 有三个完全相同的时钟 时钟A放在地面上 时钟B C分别放在两个火箭上 以速度vB和vC朝同一方向飞行 vB vC 对于地面上的观察者来说 则以下说法中正确的是A 时钟A走得最慢B 时钟B走得最慢C 时钟C走得最慢D 时钟C走得最快 C 检测题 4 如果有一支静止时长30m的火箭 以光速的二分之一的速度从观察者的身边掠过 以下说法中正确的是A 地面上的观察者测得的火箭长为30mB 地面上的观察者测得的火箭长小于30mC 地面上的观察者测得的火箭长大于30mD 火箭上的观察者测得的火箭长为30m BD 检测题 5 有关物体的质量与速度的关系的说法 正确的是A 物体的质量与物体的运动速度无关B 物体的质量随物体的运动速度增大而增大C 物体的质量随物体的运动速度增大而减少D 当物体的运动速度接近光速时 质量趋于零 B 按照狭义相对论 不仅 同时 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 一节长为10米的列车 A在车后部 B在车前部 当列车以0 6c的高速度通过一个站台的时候 突然站台上的人看到A先向B开枪 过了12 5毫微秒 B又向A发射 因而站台上的人作证 这场枪战是由A挑起的 但是 车上的乘客却提供相反的情况 他们说 是B先开枪 过了10毫微秒 A才动手 事件是由B发动的 到底是谁先动手呢 没有绝对的答案 在这个具体事件中 谁先谁后是有相对性的 在列车参考系中 B先A后 而在车站参考系中则是A先B后 总结 经典力学的局限性一 从低速到高速 经典力学只适用于低速运动物体 二 从宏观到微观 经典力学只适用于宏观物体 三 从弱引力到强引力 万有引力定律只适用于弱引力 一 高速物体 要用相对论力学处理 二 微观世界物体 要用量子力学解决 三 强引力 要用广义相对论力学处理 一 经典力学的广泛应用 二 经典力学与狭义相对论1 物体的质量随物体的运行速度而变化2 物体运动的位移与时间与参考系的选择有关3 当物体的速度远小于光速C 3 108 时两者结论是一致的 三 经典力学与量子力学微观粒子运动的波动性不能用经典力学来解释 但量子力学能正确地描述微观粒子的运动规律 四 经典力学与广义相对论牛顿引力理论在强引力作用下不适用 只能用广义相对论的引力场理论来解释强引力作用 五 经典力学的适用范围宏观 低速 弱力情况下适用 再见