专题一近代物理简介

问题引入牛顿运动定律的适用范围狭义相对论简介量子力学简介专题一近代物理简介经典力学与相对论的关系问题引入17世纪以来，以牛顿运动定律为基础的经典力学逐渐发展完善，在自然科学研究和工程技术得到了极为广泛的应用，并获得了辉煌的成就。实验事实还表明，经典力学也不适用于微观粒子（电子、原子等）的运动。那么，牛顿定律的适用范围是什么呢？但是到了19世纪末、20世纪初，人们发现有些物理现象是跟经典力学相矛盾的。例如，经典力学认为物体的质量是固定不变的，可是实验发现，高速电子的质量随其速度的增大而增大。矛盾促进了物理学的发展，20世纪初，爱因斯坦创立了狭义相对论和广义相对论。一、牛顿运动定律的适用范围1.牛顿运动定律适用于低速宏观物体的运动通常所见及所用的物体，都属于宏观物体，如汽车、飞机、卫星等，这些物体的质量可以有很大的差别，但它们都可以被人们所看见，它们的速度也有很大的差别，但与光速相比，它们的运动又属于低速。当我们乘坐的交通工具（如火车、汽车、轮船、飞机等）在加速、减速和转弯时，需要施加力才能使人保持对车的相对静止。如果以相对于地球运动的火车或汽车为参考系，能否用牛顿定律解释？2.牛顿运动定律不是对任何参考系都适用分析：当我们乘坐的火车、汽车在加速、减速和转弯时，需要施加力才能使人保持对车的相对静止。如果以地球为参考系，我们很容易用牛顿运动定律来解释。但是，如果以相对于地球运动的火车或汽车为参考系，就不能用牛顿定律解释。因为人在火车、汽车在加速、减速和转弯时，施加了力，但人相对于火车、汽车来说又是静止的，没有加速度，这显然不能用牛顿运动定律解释清楚。二、狭义相对论简介在经典力学中，物体的质量是固定不变的，与运动状态无关。20世纪初，著名物理学家爱因斯担提出了狭义相对论，建立了相对论力学。狭义相对论（单击播放视频）(1)时空的相对性相对论摒弃了绝对时空观，认为时间、空间都是相对的，都与物体的运动有关。在一个惯性系里同时发生的两个事件，在另一个惯性系里则可能不是同时发生的。1.狭义相对论的基础是相对性原理和光速不变原理。(1)相对性原理物理定律在所有惯性系中都是相同的。(2)光速不变原理在所有的惯性系中，光在真空中传播速度c都是相同的。2.狭义相对论几个重要结论(2)长度收缩一个待测物体，它相对于观察者静止时的长度为l0，当它相对于观察者高速运动时，发现它的长度l变短了。设想有一列l0=100m长的火车，如果以v=的速度做直线运动，我们以地球为参考系，长了。(3)时间膨胀当时钟以高速运动时，静止的观察者用自己的相同时钟与之对比，将会发现，运动的时钟走得慢了。根据相对论，可以做以下设想：甲和乙是孪生兄弟，在他们20岁生日时，甲乘高速火箭(v=0.9998c)去作星际旅行，甲在火箭上生活了1年，于21岁生日时回到地球。在这段时间内，乙在地球上已经过了50年，正以70岁高龄去迎接他21岁的兄弟。这很像中国古代神话中传说的“天上一日，地上一年”。（4）物体的质量m要随物体的速度v的增大而增大。式中m0是物体静止质量，c是光速。当物体的速度接近光速时，其质量增大很多，例如，当v=0.8c时，m≈1.7m0。显然，这时经典力学不再适用。（5）质能关系式E=mc2按照质能关系式，相对于能量的改变量DE，必定伴随着质量的改变量Dm，ΔE=Δmc2。核能的发现已经为质能关系提供了有力的验证，而且也支持了整个相对论理论。相对论的质能关系为核能时代的到来提供了理论依据。狭义相对论的意义狭义相对论给出了物体在高速运动下的运动规律；揭示了质量与能量的关系。这两项科学成果，虽然对低速运动的宏观物体效应不明显，但是在研究微观粒子的运动时，却显示出了极端的重要性和丰富的内容。相对论的结论已为许多高能物理、核物理实验所证实。(1)自17世纪以来，以牛顿定律为基础，经过世界各国科学家的共同努力，已经建立起了完整的力学知识体系，在科学研究与生产技术中有广泛的应用．经典力学与天文学相结合产生天体力学（研究卫星及天体的运动）；经典力学与工程实际相结合产生应用力学（研究陆地上的交通工具及空中的飞机和导弹等）．说明人类认识自然界更加深入，它是科学的进步，并不表示经典力学失去意义。3.经典力学与相对论的关系(2)不同的物理规律有不同的适用范围，在各自的适用范围内，我们可以充分发挥物理规律的作用。19世纪末到20世纪初，人们深入研究了微观粒子的运动，如电子、质子、中子等微观粒子，发现这些微观粒子同时具有粒子性和波动性，在这个领域，经典力学不再适用。因此，通过深入研究，创立了量子力学。三、量子力