必修二67经典力学的局限性

1、2022年3月20日星期日回忆上一节所学内容回忆上一节所学内容回答下列问题回答下列问题2022年3月20日星期日 1.你对宇宙速度是怎样理解的？你对宇宙速度是怎样理解的？ 3.何为经典物理学与经典力学？何为经典物理学与经典力学？ 2.人造卫星按轨道可分为哪些？人造卫星按轨道可分为哪些？ 1.第一宇宙速度（环绕速度）第一宇宙速度（环绕速度） v1=7.9km/s 2.第二宇宙速度（脱离速度）第二宇宙速度（脱离速度） v2=11.2km/s 3.第三宇宙速度（逃逸速度）第三宇宙速度（逃逸速度） v3=16.7km/s一、宇宙速度一、宇宙速度赤道轨道赤道轨道极地轨道极地轨道倾斜倾斜轨道轨道同步同步轨

2、道轨道自转轴自转轴二、人造卫星二、人造卫星三、经典物理学模块三、经典物理学模块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电磁学学17世纪初世纪初19世纪世纪末是经典物理学体末是经典物理学体系建立的关键时期系建立的关键时期17世纪前在观察与世纪前在观察与哲学的猜测上对天哲学的猜测上对天文、力、热、声、文、力、热、声、光有了一定认识。光有了一定认识。2022年3月20日星期日静力学（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）1.经典力学模块分

3、类经典力学模块分类四、经典力学及发展四、经典力学及发展2022年3月20日星期日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运动三定律牛顿运动三定律2.2.牛顿的主要贡献牛顿的主要贡献四、经典力学及发展四、经典力学及发展2022年3月20日星期日四、经典力学及发展四、经典力学及发展3.2022年3月20日星期日经验主义：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，将以同一速度沿直线运动。如果运动中物体没受到力，将以同一速度沿直线运动。牛顿

4、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）四、经典力学及发展四、经典力学及发展2022年3月20日星期日哥白尼：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四、经典力学及发展四、经典力学及发展2022年3月20日星期日哥白尼、亚里士多德哥白尼、亚里士多德牛顿所说：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

5、典力力学学金金字字塔塔的的建建立立四、经典力学及发展四、经典力学及发展 5. 经典力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律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力定律更确立了牛顿的地位，牛顿运动定律和万有引力定律在在宏观、低速、弱引力宏观、低速、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。著名物理学家杨振宁赞颂著名物理学家杨振宁赞颂到：到：“如果一定要举出某个如果一定要举出某个人、某一天作为近代科学人、某一天作为近代科学诞生的标志，我选牛顿诞生的标志，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。”四

6、、经典力学及发展四、经典力学及发展2022年3月20日星期日引引 言言 像一切科学一样，经典力学没有也不会像一切科学一样，经典力学没有也不会穷尽一切真理，它也有自己的局限性，像一穷尽一切真理，它也有自己的局限性，像一切科学理论一样，是一部切科学理论一样，是一部“未完成的交响未完成的交响曲。曲。” ” 今天，我们就来了解和学习今天，我们就来了解和学习经典力学经典力学的局限性。的局限性。2022年3月20日星期日2022年3月20日星期日1. 了解经典力学的发展历程和伟大成就，了解经典力学的发展历程和伟大成就， 认识经典力学的局限性和适用范围。认识经典力学的局限性和适用范围。2. 初步了解微观和高

7、速世界中的奇妙现象。初步了解微观和高速世界中的奇妙现象。 激情投入，展示自我，享受合作学习的激情投入，展示自我，享受合作学习的 快乐。快乐。2022年3月20日星期日第第7 7节节 经典力学的局限性经典力学的局限性1. 1.速度有无极限？速度有无极限？2. 2.微观粒子的行为与宏观物体是否遵微观粒子的行为与宏观物体是否遵循相同的规律？循相同的规律？3.3.时间和空间是否是绝对一成不变的？时间和空间是否是绝对一成不变的？4. 4.牛顿建立的经典力学已相当完善，爱牛顿建立的经典力学已相当完善，爱因斯坦为什么还要提出相对论？相对论因斯坦为什么还要提出相对论？相对论是否全盘否定了牛顿的经典力学理论？是

8、否全盘否定了牛顿的经典力学理论？第第7 7节节 经典力学的局限性经典力学的局限性低速世界低速世界(经典力学经典力学)高速世界（相对论）高速世界（相对论）一、从低速到高速一、从低速到高速一、从低速到高速一、从低速到高速阅读课本阅读课本p4849页内容，并思考下列问题。页内容，并思考下列问题。在经典力学和狭义相对论中，物体的质量在经典力学和狭义相对论中，物体的质量有何不同？有何不同？2. 狭义相对论中物体的质量表达式是怎样的？狭义相对论中物体的质量表达式是怎样的？3. 经典力学中和狭义相对论对位移和时间在经典力学中和狭义相对论对位移和时间在 不同的参考系中的测量有何不同的看法？不同的参考系中的测量

9、有何不同的看法？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，只好用上帝的万能来解释，为此牛顿花费了后半生的心血，这正是牛顿的悲剧。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

10、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。1.1.宏观低速世界宏观低速世界例如：船在水中流，水速例如：船在水中流，水速2m/s，船相对于水顺流而，船相对于水顺流而下下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，但不干扰演出，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。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，任何都影例如：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。响不了它，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，物体所以：不管选什么参考系，

11、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是一样的位移、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。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静止看光速和与光速一起运动算得的光速不一样速不一样,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1.宏观低速世界宏观低速世界随着物体线性运动速随着物体线性运动速度的加快，时间会变度的加快，时间会变慢。将一个钟表留在慢。将一个钟表留在地面上，而携带另一地面上，而携带另一个以很快速度移动，个以很快速度移动，随后进行比较，地上随后进行比较，地上的钟表总比快速移动的钟表总比快速移动的快。的快。物体以接近光

12、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

13、都与运动相关联了-狭义相对论。狭义相对论。2.2.高速世界高速世界（接近光速）（接近光速） （1）狭义相对论的创立。）狭义相对论的创立。到了到了19世纪末，面对高世纪末，面对高速运动的微观粒子发生的现象，经典力学遇到了困速运动的微观粒子发生的现象，经典力学遇到了困难难.在新事物面前，爱因斯坦打破了传统的时空观，在新事物面前，爱因斯坦打破了传统的时空观，于于1905年发表了题为年发表了题为论运动物体的电动力学论运动物体的电动力学的的论文，提出了狭义相对性原理和光速不变原理，创论文，提出了狭义相对性原理和光速不变原理，创建了狭义相对论建了狭义相对论.狭义相对论一深奥难懂著称，并且狭义相对论一深奥难

14、懂著称，并且他的出现，使整个世界都处于震惊和争论之中。他的出现，使整个世界都处于震惊和争论之中。 长度、时间和质量都是随物体的运动长度、时间和质量都是随物体的运动速度而速度而变化变化的（的（都与参考系的运动都与参考系的运动有有关）关） 长度、时间和质量随速度的变化关系长度、时间和质量随速度的变化关系可以用下列方程表达式：可以用下列方程表达式：3.3.狭义相对论狭义相对论（2）经典力学和狭义相对论对物体质量认识的不同。）经典力学和狭义相对论对物体质量认识的不同。 在经典力学中，物体的质量是不变的，但爱因斯坦的狭在经典力学中，物体的质量是不变的，但爱因斯坦的狭义相对论指出，物体的质量随速度的增大而

15、增大义相对论指出，物体的质量随速度的增大而增大（3）在狭义相对论中物体的质量表达式）在狭义相对论中物体的质量表达式021mmvc m0为静止质量，为静止质量，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3.3.狭义相对论狭义相对论（4）经典力学中和狭义相对论对位移和时间再不）经典力学中和狭义相对论对位移和时间再不同的参考系中测量的不同看法。同的参考系中测量的不同看法。 在经典力学中位移和时间的测量再不同的参考系中是相在经典力学中位移和时间的测量再不同的参考系中是相同的，相对论认为，同一过程的位移和时间的测量在不同同的，相对论认为，同一过程的位移和时间的测量在不

16、同的参考系中是不同的。的参考系中是不同的。 相对时间（钟慢效应）021ttvc v都是物体的运动速度，都是物体的运动速度，c是真是真空中的光速，空中的光速，t和和t0分别为在相对分别为在相对静止和运动的系统中测得的时间静止和运动的系统中测得的时间 3.3.狭义相对论狭义相对论相对长度（尺缩效应） 201vLLc v都是物体的运动速度；都是物体的运动速度；c是真是真空中的光速；空中的光速；L0和和L分别为在分别为在相对静止和运动系统中沿速度相对静止和运动系统中沿速度方向测得的物体的长度。方向测得的物体的长度。 当宏观物体的运动速度远小于光速时（当宏观物体的运动速度远小于光速时（vc），则上面），

17、则上面的一些结果就变为的一些结果就变为LL0，tt0，mm0，因而对于，因而对于宏观低速宏观低速运动运动的物体，使用牛顿定律来处理问题，还是足够精确的的物体，使用牛顿定律来处理问题，还是足够精确的.不敢相信图中的横线是平行的，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 3.3.狭义相对论狭义相对论两个位于中心的圆哪个大？两个位于中心的圆哪个大？3.3.狭义相对论狭义相对论其实一样大的！其实一样大的！ 阅读课文阅读课文p p5050从宏观到微观从宏观到微观并思考：相对论和量并思考：相对论和量子力学的出现，是否表示经典力学失去了意义子力学的出现，是否表示经典力学失去了意义? ?

18、相对论和量子力学的出现，说明人类对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：典力学有它的适用范围：只适用于低速运动，只适用于低速运动，不适用于高速运动，只适用于宏观世界，不不适用于高速运动，只适用于宏观世界，不适用于微观世界。适用于微观世界。二、从宏观到微观二、从宏观到微观五、五、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，同时还具有

19、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，认为光既是电磁波，又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，只有从一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。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，你是波动的，任何物体都具有波动性，你坐在椅子上，你是波动的，有波长。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。二、从宏观到微

20、观二、从宏观到微观阅读课文并思考：阅读课文并思考：1、经典力学与行星轨道的矛盾是什么？、经典力学与行星轨道的矛盾是什么？2、归纳万有引力定律与爱因斯坦引力理论、归纳万有引力定律与爱因斯坦引力理论 主要有哪些差异主要有哪些差异?3、经典力学和相对论量子力学的关系如何？、经典力学和相对论量子力学的关系如何？三、从弱引力到强引力三、从弱引力到强引力1、经典力学与行星轨道的矛盾、经典力学与行星轨道的矛盾 牛顿的万有引力定律推算，行星的运动应该是一些椭圆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

21、不符，行星的轨道并不是严格闭合的，它们的近日点结果不符，行星的轨道并不是严格闭合的，它们的近日点在不断旋进在不断旋进2、万有引力定律与爱因斯坦引力理论、万有引力定律与爱因斯坦引力理论 的主要差异的主要差异（1 1）牛顿的万有引力定律认为：物体的半径减小，其表）牛顿的万有引力定律认为：物体的半径减小，其表面的万有引力与半径的二次方成反比的增大，对于半径面的万有引力与半径的二次方成反比的增大，对于半径接近于零的物体。其表面上的万有引力接近于无穷大。接近于零的物体。其表面上的万有引力接近于无穷大。三、从弱引力到强引力三、从弱引力到强引力何为天体的引力半径何为天体的引力半径? ? 假定一个球形天体的质

22、量不变，并通过压缩减小它的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，当引力趋于无穷大时，半径，天体表面上的引力将会增加，当引力趋于无穷大时，被压缩天体半径接近的值被压缩天体半径接近的值“引力半径引力半径” （2 2）爱因斯坦理论认为：物体的半径减小时，其表面的）爱因斯坦理论认为：物体的半径减小时，其表面的万有引力比二次方成反比规律增大得多，引力趋于无穷大，万有引力比二次方成反比规律增大得多，引力趋于无穷大，发生在接近一个发生在接近一个“引力半径引力半径”的时候。的时候。2、万有引力定律与爱因斯坦引力理论、万有引力定律与爱因斯坦引力理论 的主要差异的主要差异三

23、、从弱引力到强引力三、从弱引力到强引力 只要天体的实际半径远大于它们的引力半径，那么爱因只要天体的实际半径远大于它们的引力半径，那么爱因斯坦和牛顿的理论计算出的力的差异并不很大但当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天体的实际半径接近引力半径实际半径接近引力半径时，这种差异将急剧增大这就是说，时，这种差异将急剧增大这就是说，在强引力的情况，牛顿的万有引力理论将不再适用在强引力的情况，牛顿的万有引力理论将不再适用 三、从弱引力到强引力三、从弱引力到强引力 历史上的科学成就不会被新的科学成就所否定，而是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作为某些条件下的局部情形，被包括在新的科学成就之局部情形，被包括在新的科学成就之中中如：当物体的速度远小于光速如：当物体的速度远小于光速c(3X108mc(3X108ms)s