66 经典力学局限性2.ppt

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1、教教 学目标学目标 v知识与技能v 1知道牛顿运动定律的适用范围v 2了解经典力学在科学研究和生产技术中的广泛应用v 3.知道质量与速度的关系，知道高速运动中必须考虑速度随时v过程与方法v 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v情感、态度与价值观v 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 v教学重点教学重点v 牛顿运动定律的适用范围v教学难点教学难点v 高速运动的物体，速度和质量之间的关系v教学方法教学方法v探究、讲授、讨论、练习 自从自从

2、17世纪以来，以牛顿定律为基础的世纪以来，以牛顿定律为基础的经典力学不断发展，取得了巨大的成就，经典力学不断发展，取得了巨大的成就，经典力学在科学研究和生产技术中有了经典力学在科学研究和生产技术中有了广泛的应用，从而证明了牛顿运动定律广泛的应用，从而证明了牛顿运动定律的正确性。的正确性。但是，经典力学也不是万能的，向其它但是，经典力学也不是万能的，向其它科学一样，它也有一定的适用范围，有科学一样，它也有一定的适用范围，有自己的局限性。那么经典力学在什么范自己的局限性。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。课我们就来了

3、解这方面的知识。请同学们阅读课文，阅读时考虑下列问请同学们阅读课文，阅读时考虑下列问题题 （小组讨论，代表展示，点拨总结）（小组讨论，代表展示，点拨总结）1、经典力学取得了哪些辉煌的成就？举例说、经典力学取得了哪些辉煌的成就？举例说明。明。2、经典力学在哪些领域不能适用？能说出为、经典力学在哪些领域不能适用？能说出为什么吗？举例说明。什么吗？举例说明。3、经典力学的适用范围是什么？自己概括一、经典力学的适用范围是什么？自己概括一下。下。4、相对论和量子力学的出现是否否定了牛顿、相对论和量子力学的出现是否否定了牛顿的经典力学？应该怎样认识？的经典力学？应该怎样认识？5、怎样理解英国剧作家萧伯纳的

4、话、怎样理解英国剧作家萧伯纳的话“科学总科学总是从正确走向错误是从正确走向错误”？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学电磁学 经典物理模块分类：经典物理模块分类：17世纪前在观察世纪前在观察与哲学的猜测上与哲学的猜测上对天文、力、热、对天文、力、热、声、光有了一定声、光有了一定认识。认识。17世纪初世纪初19世纪末世纪末是经典物理学体系建是经典物理学体系建立的关键时期立的关键时期静力学（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）经

5、典力学模块分类：经典力学模块分类：牛顿牛顿牛顿牛顿伽利略、第谷伽利略、第谷伽利略、第谷伽利略、第谷哥白尼、亚里士多德哥白尼、亚里士多德笛卡尔、胡笛卡尔、胡笛卡尔、胡笛卡尔、胡克、哈雷等克、哈雷等克、哈雷等克、哈雷等牛顿所说：牛顿所说：“如果说我看得远，那是因为我站在如果说我看得远，那是因为我站在巨人们的肩上。巨人们的肩上。”经经典典力力学学金金字字塔塔的的建建立立开普勒开普勒开普勒开普勒 经典力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定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，经受力

6、定律在宏观、低速、弱引力的广阔领域，经受实践检验。著名物理学家杨振宁赞颂到：实践检验。著名物理学家杨振宁赞颂到：“如果如果一定要举出某个人、某一天作为近代科学诞生的一定要举出某个人、某一天作为近代科学诞生的标志，我选牛顿标志，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。”第一部分包括：第一部分包括：“定义和注释定义和注释”和和“运动的基本定理或运动的基本定理或定律定律”。这部分虽然篇幅不大，却极为重要。这部分虽然篇幅不大，却极为重要。第二部分是这些基本定律的作用，包括三篇：第一篇是第二部分是这些基本定律的作用，包括三篇：第一篇是研究万有引力的；第二篇是讨

7、论介质对物体运动的影响；研究万有引力的；第二篇是讨论介质对物体运动的影响；第三篇是第三篇是“论宇宙系统论宇宙系统”。一、从低速到高速一、从低速到高速 例如：在一个无限大的光滑水平例如：在一个无限大的光滑水平面上，有一质量为面上，有一质量为m的物体，在一个水的物体，在一个水平恒力平恒力F的作用下，从静止开始运动。的作用下，从静止开始运动。根据牛顿第二定律可知物体将以加速根据牛顿第二定律可知物体将以加速度度a=F/m做匀加速直线运动。做匀加速直线运动。由运动学公式可知：物体的速度v=at 推理：随着时间的推移，物体的速度不断增大，最终可推理：随着时间的推移，物体的速度不断增大，最终可使物体获得任意

8、速度。但事实并非如此。常识告诉我们，使物体获得任意速度。但事实并非如此。常识告诉我们，物体运动速度是有极限的，现在已知的最大速度是光速，物体运动速度是有极限的，现在已知的最大速度是光速，且现在也无法使物体运动超越这个速度，这是经典力学无且现在也无法使物体运动超越这个速度，这是经典力学无法解答的。这是什么原因造成的呢？是否经典力学的错误法解答的。这是什么原因造成的呢？是否经典力学的错误？Fm 爱因斯坦在狭义相对论中阐述爱因斯坦在狭义相对论中阐述了物体以接近光速运动所遵循的了物体以接近光速运动所遵循的规律，得出了一些不同与经典力规律，得出了一些不同与经典力学的观念和结论。学的观念和结论。在经典力学

9、中，物体的质量在经典力学中，物体的质量是不随运动状态改变的，是不随运动状态改变的，而狭义相对论认为：而狭义相对论认为：物体的物体的质量要随物体运动速度的增质量要随物体运动速度的增大而增大，大而增大，即即1.相对质量相对质量 2 相对时间 狭义相对论认为时间不是绝对的（即固定不变的）狭义相对论认为时间不是绝对的（即固定不变的）。爱因斯坦指出，随着物体（观察者所见到的）。爱因斯坦指出，随着物体（观察者所见到的）运动速度的加快，时间会变慢。运动速度的加快，时间会变慢。使用同步原子钟已证实使用同步原子钟已证实了这个结论的正确性，了这个结论的正确性，将一个钟表留在地面上，将一个钟表留在地面上，而携带另一

10、个以很快速而携带另一个以很快速度移动（如在喷气式飞度移动（如在喷气式飞机上），随后进行比较，机上），随后进行比较，静止的钟表总比另一个静止的钟表总比另一个稍微快一点。稍微快一点。3 相对长度相对长度 爱尔兰物理学家佛兹杰拉德爱尔兰物理学家佛兹杰拉德(18511901)提出，提出，物质会在运动的方向上收缩（缩小），这意味着物质会在运动的方向上收缩（缩小），这意味着根据一个静止观察者的观点，一枚以接近光线运根据一个静止观察者的观点，一枚以接近光线运行的火箭所表现出的长度会比它静止时更短，尽行的火箭所表现出的长度会比它静止时更短，尽管乘坐火箭的人看来并没有什么两样。管乘坐火箭的人看来并没有什么两样。

11、爱因斯坦指出，爱因斯坦指出，任何物体任何物体以光速运动时，以光速运动时，其长度将会缩短其长度将会缩短为零。为零。高速世界（接近光速）高速世界（接近光速）随着物体线性运动随着物体线性运动速度的加快，时间速度的加快，时间会变慢。将一个钟会变慢。将一个钟表留在地面上，而表留在地面上，而携带另一个以很快携带另一个以很快速度移动，随后进速度移动，随后进行比较，地上的钟行比较，地上的钟表总比快速移动的表总比快速移动的快。快。物体以接近光线运行物体以接近光线运行的火箭所表现出的长的火箭所表现出的长度会比它静止时更短，度会比它静止时更短，尽管乘坐火箭的人看尽管乘坐火箭的人看来并没有什么两样。来并没有什么两样。

12、爱因斯坦指出，任何爱因斯坦指出，任何物体以光速运动时，物体以光速运动时，其长度将会缩短为零。其长度将会缩短为零。物体的质量随速物体的质量随速度的增大而增大度的增大而增大1905年，爱因斯坦提出，物体高速时（接近光速），物年，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，生命持续时体所占空间（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间，都与运动状态有关，时空都与运动相关联了-狭义相对论狭义相对论1.经典时空观经典时空观（绝对时空观）：同时同时的绝对性，时间间隔时间间隔的绝对性 空间距离空间距离的绝对性超新星爆发的持续时间：超新

13、星爆发的持续时间：二 经典时空观与相对论时空观实际：实际：2年年！？！？牛顿：牛顿：25年。年。时间、长度和质量这三者都与参考系的运动时间、长度和质量这三者都与参考系的运动无无关。关。经典力学局限性：经典力学局限性：1、不能解决、不能解决高速运动高速运动高速运动高速运动问题（接近光速）问题（接近光速）2、不适用于微观领域中微观领域中物质结构物质结构和能量不连续能量不连续的现象2、相对论时空观、相对论时空观:同时是相对的相对的 动尺变短短 运动的物体质量变大大（1）不同惯性参考系惯性参考系惯性参考系惯性参考系，物理规律相同规律相同（1）、两条基本假设：）、两条基本假设：（2）任何惯性系，光速不变

14、光速不变（2）、狭义相对论结论：）、狭义相对论结论：动钟变慢慢 时间、长度和质量这三者时间、长度和质量这三者都与参考系的运动都与参考系的运动有有关。关。三、宏观到微观三、宏观到微观 19世纪末到世纪末到20世纪初，人们世纪初，人们相继发现了电子、质子、中子等相继发现了电子、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运动规律不能用经典力学描述 20世纪世纪20年代，建立了量子年代，建立了量子力学，它能够正确地描述微观粒力学，它能够正确地描述微观粒子运动的规律性，并在现代科学子运动的规律性，

15、并在现代科学技术中发挥了重要作用技术中发挥了重要作用 经典力学一般不适用于微观经典力学一般不适用于微观粒子粒子 普朗克创立量子力学普朗克创立量子力学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 两个位于中心的圆哪个大？其实一样大的！两个位于中心的圆哪个大？其实一样大的！相对论和量子力学的出现，是否表示经典力学相对论和量子力学的出现，是否表示经典力学失去了意义失去了意义?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

16、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，不适用于高速运动，只适用于低速运动，不适用于高速运动，只适用于宏观世界，不适用于微观世界。只适用于宏观世界，不适用于微观世界。讨论与交流讨论与交流 三、从弱引力到强引力三、从弱引力到强引力 万有引力属于弱引力利用万有引力定律可以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，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统一起来 但是宇宙中有一些天体，例如白矮星，他们的质

17、量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，因此密度高达接近太阳，半径却与地球差不多，因此密度高达1081010kg/m3;中子星的密度更是达中子星的密度更是达1016 1019kg/m3。这。这些天体表面的引力比我们常见的引力强的多，牛顿的引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。力理论已经不适用了。对于这样的科学发展过程，英国剧作对于这样的科学发展过程，英国剧作家萧伯纳曾诙谐地说：家萧伯纳曾诙谐地说：“科学总是从正确走向错误科学总是从正确走向错误”这种调侃倒也不失为一种幽默的表述讨论与交流讨论与交流 以牛顿运动定律为基础的经典力学的适用以牛顿运动定律为基础的经典力学的适用范围是什么范围是什么?总结总结 经典力学只适用于经典力学只适用于解决低速运动问题解决低速运动问题，不能，不能用来处理高速运动问题，经典力学只适用于用来处理高速运动问题，经典力学只适用于宏观宏观物体，物体，一般不适用于微观粒子：经典力学只适用一般不适用于微观粒子：经典力学只适用于于解决弱引力问题解决弱引力问题，不能用来处理强引力问题，不能用来处理强引力问题 光速不变原理光速不变原理对任何惯性系对任何惯性系,在真空中沿任意方向传播的在真空中沿任意方向传播的 光光速都相同速都相同,且与光源的运动状态无关。且与光源的运动状态无关。