经典力学的成就及其局限性

经典力学的成就及其局限性演示文稿目前一页\总数四十八页\编于十三点（优选）经典力学的成就及其局限性目前二页\总数四十八页\编于十三点亚里士多德伽利略笛卡儿惠更斯牛顿国别生活年代古希腊,约公元前384～公元前322年意大利,1564～1642年法国,1596～1650年荷兰,1629～1695年英国,1642～1727年主要的科学研究方法观察、思维、推理观察实验、假设、数学推理三者相结合实验观察、数学推理实验、数学推理归纳与演绎、综合与分析、实验观察等力学方面的主要成就两个反面的结论:①力是维持物体运动的原因。②重的物体比轻的物体下落得快。①自由落体运动规律。②力学相对性原理惯性定律①制成了世界上第一架计时摆钟。②测量出重力加速度的值。①三大运动定律、②万有引力定律。科学家对经典力学的贡献目前三页\总数四十八页\编于十三点牛顿伽利略、第谷哥白尼、亚里士多德笛卡尔、胡克、哈雷等牛顿所说:"如果说我看得远,那是因为我站在巨人们的肩上。"经典力学金字塔的建立开普勒万有引力定律牛顿三大定律目前四页\总数四十八页\编于十三点牛顿的科学方法"科学足迹"中总结了牛顿的科学方法,这些科学方法值得我们借鉴。

重视实验:重视实验,从归纳入手,这是牛顿科学方法论的基础。

逻辑推论:为了归纳成功,不仅需要大量的可靠资料与广博的知识,而且要有清晰的逻辑头脑。

数学归纳:事物之间的本质联系只有通过数学才能归纳为能够测量、应用和检验的公式和定律。目前五页\总数四十八页\编于十三点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在宏观、低速、弱引力的广阔领域,经受实践检验。目前六页\总数四十八页\编于十三点19世纪末，牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成功：在机械运动方面不用说，在分子物理方面，成功地解释了温度、压强、气体的内能。在电磁学方面，建立了一个能推断一切电磁现象的Maxwell方程。另外还找到了力、电、光、声…等都遵循的规律—能量转化与守恒定律。当时许多物理学家都沉醉于这些成绩和胜利之中。他们认为物理学已经发展到头了。目前七页\总数四十八页\编于十三点也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一辈只要把做过的实验再做一做，在实验数据的小数点后面再加几位罢了！

但开尔文毕尽是一位重视现实和有眼力的科学家，就在上面提到的文章中他还讲到：“但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云……”正如1900年英国物理学家开尔文在展望20世纪物理学的发展的文章中说到：“在已经基本建成的科学大厦中，后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。”--开尔文--目前八页\总数四十八页\编于十三点两朵乌云1、迈克尔逊莫雷实验测得光速是不变的。经典力学不能解决高速运动问题（接近光速）2、黑体辐射出的能量不是连续的经典力学不能解释微观领域中物质结构和能量不连续的现象目前九页\总数四十八页\编于十三点热辐射实验迈克尔逊-莫雷实验后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一场革命性的风暴，乌云落地化作春雨，浇灌着两朵鲜花。目前十页\总数四十八页\编于十三点经典力学量子力学相对论微观领域高速领域目前十一页\总数四十八页\编于十三点物体运动的轨迹依赖于观察者所处的参考系14-1力学相对性原理伽利略变换目前十二页\总数四十八页\编于十三点绝对运动：物体相对基本参考系（S系）的运动.1、几个概念相对运动：物体相对运动参考系（S’系）的运动.牵连运动：S’系相对S系的运动.

一.伽利略坐标变换牵连速度

绝对速度相对速度目前十三页\总数四十八页\编于十三点*目前十四页\总数四十八页\编于十三点*速度变换公式同时具有绝对性.时间具有绝对性.空间具有绝对性.目前十五页\总数四十八页\编于十三点加速度变换

在两相互作匀速直线运动的惯性系中,物体运动所遵循的力学规律具有相同的形式.---伽利略相对性原理（力学相对性原理）*目前十六页\总数四十八页\编于十三点 某航空母舰上的战斗机起飞过程中最大加速度是a＝4.5m/s2，飞机速度要达到v0＝60m/s才能起飞，航空母舰甲板长为L＝289m，为使飞机安全起飞，航空母舰应以一定速度航行以保证起飞安全，求航空母舰最小速度v是多少？(设飞机起飞对航母的状态没有影响，飞机的运动可以看作匀加速运动)．目前十七页\总数四十八页\编于十三点vt2－v02=2ax由得如果航空母舰静止不动，飞机正常起飞航空母舰长度至少为L=602/2*4.5=400m航空母舰的长度为289m，飞机正常起飞吗？289m400m航空母舰的长度不够长怎么办？不能正常起飞目前十八页\总数四十八页\编于十三点答案：该同学解法是错误的．目前十九页\总数四十八页\编于十三点以岸为参考系，v＝9m/s.目前二十页\总数四十八页\编于十三点以船为参考系目前二十一页\总数四十八页\编于十三点绝对空间:空间与运动无关,空间绝对静止.空间的度量与惯性系无关,绝对不变．绝对时间:时间均匀流逝,与物质运动无关,所有惯性系有统一的时间.牛顿的绝对时空观注意牛顿力学的相对性原理,宏观、低速的范围内,是与实验结果相一致的.但在高速运动情况下则不适用.

目前二十二页\总数四十八页\编于十三点到了19世纪末，面对高速运动的微观粒子发生的现象，经典力学遇到了困难.在新事物面前，爱因斯坦打破了传统的时空观，于1905年发表了题为《论运动物体的电动力学》的论文，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.狭义相对论一深奥难懂著称，并且他的出现，使整个世界都处于震惊和争论之中，继狭义相对论之后，1915年爱因斯坦又建立了广义相对论，指出空间——时间不可能离开物质而独立存在，空间的结构和性质取决于物质的分布，使人类对于时间、空间和引力现象的认识大大深化了。爱因斯坦（1879-1955）目前二十三页\总数四十八页\编于十三点相对论有狭义相对论、广义相对论之分：关于惯性系时空观的理论狭义相对论（1905）广义相对论（1915）关于一般参照系及引力的理论目前二十四页\总数四十八页\编于十三点真空中的光速是常量，沿各个方向都等于c，与光源或观测者的运动状态无关.1狭义相对性原理

物理规律在所有惯性系中都具有相同的表达形式.2光速不变原理一狭义相对论的基本假设目前二十五页\总数四十八页\编于十三点洛伦兹变换式符合相对论理论的时空变换关系．设时，重合;事件P的时空坐标如图所示.*目前二十六页\总数四十八页\编于十三点1、洛伦兹坐标变换式逆变换正变换目前二十七页\总数四十八页\编于十三点2洛伦兹速度变换式正变换逆变换目前二十八页\总数四十八页\编于十三点狭义相对论的结论目前二十九页\总数四十八页\编于十三点两种不同的时空观(一)经典时空观(绝对时空观)(1)同时的绝对性(2)时间间隔的绝对性(3)空间距离的绝对性时间、长度和质量这三者都与参考系的运动无关。(1)同时是相对的(3)动尺变短(4)运动的物体质量变大（二）相对论时空观(2)动钟变慢时间、长度和质量这三者都与参考系的运动有关。目前三十页\总数四十八页\编于十三点基本公式归纳静止能量能量相对论因子动能质量动量静止质量

力狭义相对论动力学基本公式归纳目前三十一页\总数四十八页\编于十三点从弱引力到强引力

目前三十二页\总数四十八页\编于十三点阅读课本第50页，归纳万有引力定律与爱因斯坦引力理论的主要差异：1）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，对于半径接近于零的物体。其表面上的万有引力接近于无穷大。目前三十三页\总数四十八页\编于十三点2）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，发生在接近一个“引力半径”的时候。何为天体的引力半径?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，被压缩天体半径接近的值——“引力半径”．目前三十四页\总数四十八页\编于十三点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，牛顿的万有引力理论将不再适用．目前三十五页\总数四十八页\编于十三点水星旋进目前三十六页\总数四十八页\编于十三点1广义相对性原理所有物理学规律对所有的参照系都成立2等效原理二广义相对论一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价。目前三十七页\总数四十八页\编于十三点

如果飞船做匀加速运动，在光向右传播的同时，飞船的速度也在不断增大，因此飞船上观察者记录下的光的径迹是一条抛物线。广义相对论的几个结论1、物质的引力使光线发生弯曲

如果飞船做匀速直线运动，船上观察者记录下的光的径迹是一条直线（虚线）飞船外观察者看到这束光是直线传播的（水平向右）目前三十八页\总数四十八页\编于十三点通常物体的引力场都太弱，20世纪只能观测到太阳引力场引起的光线弯曲．太阳由于太阳引力场的作用，我们有可能观测到太阳后面的恒星，最好的观测时间是发生日全食的时候．1919年5月29日，发生日全食，英国考察队分赴几内亚湾和巴西进行观测，证实了爱因斯坦的预言，这是对广义相对论的最早证实．目前三十九页\总数四十八页\编于十三点各类星体对比

宇宙中有一类恒星，体积很小，质量却很大，叫做矮星，引力势比地球低的多，矮星表面的时间进程比较慢，哪里的发光的频率比同种的原子在地球上发光频率低，看起来偏红，这个现象叫做引力红移．2、引力红移目前四十页\总数四十八页\编于十三点

由于物质的存在，实际空间并不是均匀的，空间发生了“弯曲”：目前四十一页\总数四十八页\编于十三点狭义、广义相对论比较狭义相对论广义相对论不同的惯性参考系中一切物理规律都是相同的

任何参考系（包括非惯性系）中物理规律都是相同的真空中的光速在不同惯性参考系中都是相等的

一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价更进一步等效原理光速恒定爱因斯坦相对性原理广义相对性原理目前四十二页\总数四十八页\编于十三点三、经典力学在分析微观的困难第二次革命的导火索是物理学史上的三大发现: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,使物理学的研究从宏观领域进入了微观世界。人们发现,微观粒子所表现出的现象用经典物理理论根本无法解释。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微观世界目前四十三页\总数四十八页\编于十三点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。20世纪20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。经典力学(牛顿运动定律)在宏观世界中成立(适用),微观世界不适用。普朗克创立量子力学目前四十四页\总数四十八页\编于十三点电子云电子有波粒二象性，它不像宏观物体的运动那样有确定的轨道，因此画不出它的运动轨迹。我们不能预言它在某一时刻究竟出现在核外空间的哪个地方，只能知道它在某处出现的机会有多少。为此，就以单位体积内电子出现几率，即几率密度大小，用小白点的疏密来表示。小白点密处表示电子出现的几率密度大，小白点疏处几率密度小，看上去好像一片带负电的云状物笼罩在原子核周围，因此叫电子云。目前四十五页\总数四十八页\编于十三点20世纪20年代,海森堡、薛定谔、玻尔、玻恩、狄拉克等物理学家建立了量子力学。开始,海森堡和薛定谔互相独立地提出了数学表达形式不同的理论,后来薛定谔很快就证明了这两种理论是完全等价的,是对同一事物的两种描述方式。薛定谔的理论更接近德布罗意的物质波的观念,也常常称为波动力学。薛定谔力图用数学形式来描述物质的波粒二象性,他从麦克斯韦的光