人教版高一物理必修二6.6 经典力学的局限性 课件(共36张PPT).ppt

,还有很多奥秘是经典力学解释不了的,爱因斯坦创立了相对论,知识回顾,上节课我们学习了三个宇宙速度，请同学们回忆第一宇宙速度的推导过程。,在地面附近绕地球运行，轨道半径即为地球半径。由万有引力提供向心力,导入新课,由伽利略、牛顿等科学家创立的经典力学，在18、19世纪得到全面、迅速的发展，经典物理学的各个分支如研究热现象、光现象、电磁现象的理论相继进入鼎盛时期，至19世纪末达到了完整、成熟的阶段，似乎人类对自然的认识已达到完美的境地，但在19、20世纪之交，却发现了许多经典物理学无法解释的实验事实。,经典力学是一部“未完成的交响曲”？,第六节经典力学的局限性,本节导航,1.经典力学的成就2.从低速到高速3.从宏观到微观4.从弱引力到强引力,教学目标,知识与能力,肯定经典力学的伟大成就。了解经典力学的适用范围和局限性。,过程与方法,通过阅读课文体会一切科学都有自己的局限性，新的理论会不断完善和补充旧的理论，人类对科学的认识是无止境的。,通过对牛顿力学适用范围的讨论，使学生知道物理中的结论和规律一般都有其适用范围，认识知识的变化性和无穷性，培养献身于科学的时代精神。,情感态度与价值观,教学重难点,重点牛顿运动定律的适用范围难点高速运动的物体速度和质量之间的关系,内容解析,一.经典力学的成就,牛顿三定律和万有引力定律把天体的运动与地上物体的运动统一起来，是人类认识史上的第一次重大飞跃。经典力学和以经典力学为基础发展起来的天体力学、材料力学和结构力学等得到了广泛应用，并取得了巨大成就。,18世纪60年代，力学和热力学的发展及其与生产的结合，使机器和蒸汽机得到改进和推广，引发了第一次工业革命。由牛顿力学导出的动量守恒定律、机械能守恒定律等，是航空航天技术的理论基础。火箭、人造卫星、航天飞机、宇宙飞船、行星探测器等航天器的发射，都是牛顿力学规律的应用范例。,经典力学的建立对自然科学和科技的发展、社会进步具有深远影响。一是科学的研究方法推广应用到物理学的各个分支学科上，对经典物理学的建立意义重大；二是经典力学与其他基础科学相结合产生了许多交叉学科，促进了自然科学的进一步发展。三是经典力学在科学技术上有广泛的应用，促进了社会文明的发展。,二.从低速到高速,低速指什么样的速度？高速又指的是什么样的速度？通常所见的物体的运动皆为低速运动，如行驶的汽车，发射的导弹、人造卫星及宇宙飞船等有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近，这样的速度称为高速。,经典力学:物体的质量不随运动状态改变。狭义相对论：质量要随着物体运动速度的增大而增大。爱因斯坦的狭义相对论中质量与速度的关系满足其中m0是物体静止时的质量，m是物体速度为v时的质量，c是真空中的光速。,质速关系,一条河流中的水以相对河岸的速度v水岸流动，河中的船以相对于河水的速度v船水顺流而下在经典力学中，船相对于岸的速度即为v船岸=v船水+v水岸这个关系式涉及两个不同的惯性参考系，而速度总是与位移(空间长度)及时间间隔的测量相联系在牛顿看来，位移和时间的测量与参考系无关，正是在这种时空的观念下，上式,速度合成,才成立然而，相对论认为，同一过程的位移和时间的测量在不同的参考系中是不同的，因而上式不能成立，经典力学也就不再适用了。经典力学适用于低速运动的物体而不适用于高速运动的物体。,三.从宏观到微观,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,经典力学适用于宏观运动的物体而不适用于微观运动的物体。,四.从弱引力到强引力,什么是弱引力？什么是强引力？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爱因斯坦引力理论表明，当天体半径减小到一定程度时(太阳的引力半径为3km，地球的引力半径为1m)，天体间的引力就趋于无穷大。,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，但实际观测行星的近日点在不断地旋进。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每百年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。,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称为“引力半径”。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。例如白矮星、中子星等高密度星体表面的引力非常强，牛顿的万有引力理论将不再适用。,经典力学适用于弱引力条件下的物体而不适用于强引力条件下的物体。,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(3X108ms)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(6.63X10-34Js)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，而是认为过去的科学是自己在一定条件下的特殊情形。,课堂小结,1.经典力学的成就经典力学在宏观、低速、弱引力的广阔领域，包括天体力学的研究中，经受了实践的检验，取得了巨大的成就。2.从低速到高速经典力学不适用于高速运动的物体。,3.从宏观到微观经典力学只适用于宏观世界，不适用于微观世界。4.从弱引力到强引力经典力学不适用于强引力环境下的运动问题。,课堂练习,1、20世纪初，著名物理学家爱因斯坦提出了，改变了经典力学的一些结论在经典力学中，物体的质量是的，而相对论指出质量随着速度变化而。,狭义相对论,固定不变,变化,2、20世纪初期，建立了，它能够正确的描述微观粒子的运动规律。,量子力学,3、以牛顿运动定律为基础的经典力学的适用范围是什么?答：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。,4、相对论和量子力学的出现，是否表示经典力学失去了意义?答：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。,白矮星(WhiteDwarf)是一种低光度、高密度、高温度的恒星。因为它的颜色呈白色、体积比较矮小，因此被命名为白矮星。白矮星是一种很特殊的天体，它,课外阅读,白矮星中子星黑洞,的体积小、亮度低，但质量大、密度极高。,比如天狼星伴星（它是最早被发现的白矮星），体积比地球大不了多少，但质量却和太阳差不多！也就是说，它的密度在1000万吨/立方米左右。,根据白矮星的半径和质量，可以算出它的表面重力等于地球表面的1000万10亿倍。在这样高的压力下，任何物体都已不复存在，连原子都被压碎了：电子脱离了原子轨道变为自由电子。白矮星是一种晚期的恒星。根据现代恒星演化理论，白矮星是在红巨星的中心形成的。1892年，AlvanGrahamClark发现了天狼星的伴星。根据对恒星数据的分析，这个伴星的质量约一个太阳质量，表面温度大约25000K，但是其光度大约是天狼星的万分之一，所以根据光度和表面积的关系，推断出其大小与地球相当。这样的密度是地球上的物质达不到的。1917年，AdriaanVanMaanen发现了目前已知离太阳最近的白矮星VanMaanen星。,中子星，又名波霎、脉冲星，是恒星演化到末期，经由重力崩溃发生超新星爆炸之后，可能成为的少数终点之一。中子星的密度为10的11次方千克/立方厘米，也就是每立方厘米的质量竟为一亿吨之巨。中子星是除黑洞外密度最大的星体。中子星的表面温度约为一百十万度，辐射射线、射线和和可见光。中子星有极强的磁场，它使中子星沿着磁极方向发射束状无线电波（射电波）。中子星自转非常快，能达到每秒几百转。中子星的磁极与两极通常不吻合，所以如果中子星的磁极恰好朝向地球，那么随着自转，中子星发出的射电波束就会象一座旋转的灯塔那样一次次扫过地球，形成射电脉冲。人们又称这样的天体为“脉冲星”。,中子星具有许多非常独特的性质，这些性质使我们大开眼界。因为，它们都是在地球实验室中永远也无法达到的，从而使我们更加深入地认识到恒星的一些本质。概括起来说，这些性质是：（1）无例外地都是很小的，小得出奇。（2）密度大得惊人。（3）温度高得惊人。（4）压力大得惊人。（5）特别强的磁场。,1967年，天文学家偶然接收到一种奇怪的电波。这种电波每隔12秒发射一次，就像人的脉搏跳动一样。人们曾一度把它当成是宇宙人的呼叫，轰动一时。后来，英国科学家休伊什终于弄清了这种奇怪的电波，原来来自一种前所未知的特殊恒星，即脉冲星。这一新发现使休伊什获得了1974年的诺贝尔奖。到目前为止，已发现的脉冲星已超过300个,它们都在银河系内。脉冲星就是快速自转的中子星。中子星很小，一般半径只有10千米，质量却和太阳差不多，质量下限是0.1个太阳的质量,上限是3.2个(据爱因斯坦的广义相对论,可以达到这个水平)。是一种密度比白矮星还高的超密度恒星。,黑洞是广义相对论预言的一种特别致密的暗天体。大质量恒星在其演化末期发生塌缩，其物质特别致密，它有一个称为“视界”的封闭边界，黑洞中隐匿着巨大的引力场，因引力场特别强以至于包括光子在内的任何物质只能进去而无法逃脱。形成黑洞的星核质量下限约3倍太阳质量，当然，这是最后的星核质量，,而不是恒星在主序时期的质量。除了这种恒星级黑洞，也有其他来源的黑洞所谓微型黑洞可能形成于宇宙早期，而所谓超大质量黑洞可能存在于星系中央。,我们就可以这样来想:可能有这么一种天体,它的质量很大，而半径又很小,使得从它上面逃脱的速度达到了光的速度那么大。也就是说,这个天体的引力强极了,连每秒钟三十万公里的光都被它的引力拉住，跑不出来了。既然这个天体的光跑不出来,我们然谈就看不见它,所以它就是黑的了。光是宇宙中跑得最快的，任何物质运动的速度都不可能超过光速。既然光不能从这种天体上跑出来,当然任何别的物质也就休想跑出来。一切东西只要被吸了进去，就不能再出来，就象掉进了无底洞,这样一种天体，人们就把它叫做黑洞。现在,白矮星已经找到了，中子星也,找到了，黑洞找到没有?也应该找到的。主要因为黑洞是黑的，要找到它们实在是很困难。特别是那些单个的黑洞，我们现在简直毫无办法。有一种情况下的黑洞比较有希望找到，那就是双星里的黑洞。在天鹅星座，有一对双星，名叫天鹅座X-1。这对双星中，一颗是看的见的亮星,另一颗却看不见。根据那可亮星的运动路线。可以算出来它的同伴的质量很大,至少有太阳质量的五倍。这么大的质量是任何中子星都不可能有的。当然，除这些以外还有别的证据。所以,基本上可以肯定，天鹅座X-1中那个看不见的天体就是一个黑洞。这是人类找到的第一个黑洞。,