《经典力学局限性》ch.ppt

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1、第六节 经典力学局限性课后认真阅读课本课后认真阅读课本 在相对论物理学的教科书中，通在相对论物理学的教科书中，通常描写着一个使人难以能理解的故事，常描写着一个使人难以能理解的故事，一对年轻的孪生兄弟，哥哥乘坐一艘接一对年轻的孪生兄弟，哥哥乘坐一艘接近光速运动的宇宙飞船，从地球出发，近光速运动的宇宙飞船，从地球出发，在太空遨游一圈之后返回地球，使人瞠在太空遨游一圈之后返回地球，使人瞠目结舌的事发生了，他的弟弟早已是两目结舌的事发生了，他的弟弟早已是两鬓斑白，满脸皱纹的古稀老人，而他自鬓斑白，满脸皱纹的古稀老人，而他自己却还是一个十七八岁的英俊少年。己却还是一个十七八岁的英俊少年。一、经典力学的适

2、用范围：一、经典力学的适用范围：宏观、低速、弱引力宏观、低速、弱引力二、经典力学局限性：二、经典力学局限性：1、不能解决、不能解决高速运动高速运动问题（问题（接近光速）接近光速）2、不适用于、不适用于微观领域中微观领域中物质结构物质结构和和能量能量不连续不连续的现象的现象三、从低速到高速三、从低速到高速阅读课本阅读课本“从低速到高速从低速到高速”部分，回部分，回答：答：1、在经典力学和狭义相对论中，物体、在经典力学和狭义相对论中，物体的质量有何不同？的质量有何不同？2.狭义相对论中物体的质量表达式是狭义相对论中物体的质量表达式是怎样的？怎样的？3.经典力学中和狭义相对论对位移和经典力学中和狭义

3、相对论对位移和时间在不同的参考系中的测量有何不时间在不同的参考系中的测量有何不同的看法？同的看法？什么是低速，什么是高速？什么是低速，什么是高速？通常所见的物体的运动皆为低通常所见的物体的运动皆为低速运动，如行驶的汽车，发射的导速运动，如行驶的汽车，发射的导弹、人造卫星及宇宙飞船等弹、人造卫星及宇宙飞船等与光与光速相接近的速度称为高速速相接近的速度称为高速，有些微，有些微观粒子在一定条件下其速度可以与观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近。光速相接近。1、在经典力学和狭义相对论中，对物体、在经典力学和狭义相对论中，对物体质量的认识有何不同呢？质量的认识有何不同呢？在经典力学中，物体的质量是不

4、变在经典力学中，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增大体的质量随速度的增大而增大2.狭义相对论中物体的质量表达式是怎狭义相对论中物体的质量表达式是怎样的？样的？m0为静止质为静止质量，量，m是物体是物体速度为速度为v时的时的质量，质量，c是真是真空中的光速空中的光速3.经典力学中和狭义相对论对位移和时间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的测量有何不同的看法再不同的参考系中的测量有何不同的看法？在经典力学中位移和时间的测量再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，不同的参考系中是相同的，相对论认

5、为，同一过程的位移和时相对论认为，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。间的测量在不同的参考系中是不同的。一、经典时空观一、经典时空观（绝对时空观）：（1）同时同时的绝对性（2）时间间隔时间间隔的绝对性（3）空间距离空间距离的绝对性超新星爆发的持续时间：超新星爆发的持续时间：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时间、长度和质量这三者都与参考系的运动无关。的运动无关。以牛顿运动定律为基础的经典力以牛顿运动定律为基础的经典力学中，空间间隔（长度）学中，空间间隔（长度）s、时间、时间t和和质量质量m这三个物理量都与物

6、体的运动这三个物理量都与物体的运动速度无关速度无关.一根尺子静止时这样长，当它运一根尺子静止时这样长，当它运动时还是这样长；一分钟不论处于静动时还是这样长；一分钟不论处于静止状态还是处于运动状态，其快慢保止状态还是处于运动状态，其快慢保持不变；一个物体静止时的质量和运持不变；一个物体静止时的质量和运动时的质量一样动时的质量一样.-.这就是经典力学的绝对时空这就是经典力学的绝对时空观观.到了到了19世纪末，面对高速运动的微观世纪末，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粒子发生的现象，经典力学遇到了困难.在在新事物面前，爱因斯坦打破了传统的时空新事物面前，爱因斯坦打破了传统的时空观

7、，于观，于1905年发表了题为年发表了题为论运动物体的论运动物体的电动力学电动力学的论文，提出了狭义相对性原的论文，提出了狭义相对性原理和光速不变原理，创建了狭义相对论理和光速不变原理，创建了狭义相对论.狭狭义相对论一深奥难懂著称，并且他的出现，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，使整个世界都处于震惊和争论之中，二、相对论时空观二、相对论时空观:长度、时间和质量都是随物体长度、时间和质量都是随物体的运动速度而的运动速度而变化变化的（的（都与参都与参考系的运动考系的运动有有关）。关）。长度、时间和质量随速度的变长度、时间和质量随速度的变化关系可以用下列方程表达式

8、：化关系可以用下列方程表达式：相对时间（钟慢效应）v都是物体的运动速度，都是物体的运动速度，c是真空中的光是真空中的光速，速，t和和t0分别为在相对静止和运动的系分别为在相对静止和运动的系统中测得的时间统中测得的时间 相对长度（尺缩效应）v都是物体的运动速度，都是物体的运动速度，c是真空中的光速，是真空中的光速，L0和和L分别为在相对静止和运动系统中分别为在相对静止和运动系统中沿速度方向测得的物体的长度；沿速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当宏观物体的运动速度远小于光速时（速时（vc），则上面的一些结果），则上面的一些结果就变为就变为LL0，tt0，mm0，因而对，因而对于

9、于宏观低速运动宏观低速运动的物体，使用牛顿的物体，使用牛顿定律来处理问题，还是足够精确的定律来处理问题，还是足够精确的.继狭义相对论之后，继狭义相对论之后，1915年爱因斯坦年爱因斯坦又建立了广义相对论，指出空间又建立了广义相对论，指出空间时间时间不可能离开物质而独立存在，空间的结构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间、空间和引力现象的认识大大深化了.“狭义相对论狭义相对论”和和“广义相对论广义相对论”统称为相统称为相对论对论.时至今日，相对论的所有结论和预言时至今日，相对论的所有结论和

10、预言都被大量的事实和观测所证实，并且都被大量的事实和观测所证实，并且在微在微观粒子和宇宙的结构和演化观粒子和宇宙的结构和演化等许多方面发等许多方面发挥着重要作用，以普遍被人们接受。关于挥着重要作用，以普遍被人们接受。关于相对论的知识我们会在以后的学习中学习相对论的知识我们会在以后的学习中学习到到.四、从宏观到微观四、从宏观到微观阅读课文并思考：相对论和量子力学的阅读课文并思考：相对论和量子力学的出现，是否表示经典力学失去了意义出现，是否表示经典力学失去了意义?相对论和量子力学的出现，说明人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，而类对自然界的认识更加广泛和深入，而不表示经

11、典力学失去了意义它只是使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：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。五、从弱引力到强引力五、从弱引力到强引力阅读课文并思考：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 的主要差异，的主要差异，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？1、经典力学与

12、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？牛顿的万有引力定律推算，行星的运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，与实际观测结果不圆或圆做周期性运动，与实际观测结果不符，行星的轨道并不是严格闭合的，它们符，行星的轨道并不是严格闭合的，它们的近日点在不断旋进的近日点在不断旋进2、归纳万有引力定律与爱因斯坦引力、归纳万有引力定律与爱因斯坦引力理论理论 的主要差异：的主要差异：1）牛顿的万有引力定律认为：物体）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的半径减小，其表面的万有引力与半径

13、的二次方成反比的增大，对于半径径的二次方成反比的增大，对于半径接近于零的物体。其表面上的万有引接近于零的物体。其表面上的万有引力接近于无穷大。力接近于无穷大。2）爱因斯坦理论认为：物体的半径减）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，发比规律增大得多，引力趋于无穷大，发生在接近一个生在接近一个“引力半径引力半径”的时候。的时候。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量不变，并通假定一个球形天体的质量不变，并通过压缩减小它的半径，天体表面上的引过压缩减小它的半径，天体表面上的引力将会增加

14、，当引力趋于无穷大时，被力将会增加，当引力趋于无穷大时，被压缩天体半径接近的值压缩天体半径接近的值“引力半径引力半径”只要天体的实际半径远大于它们的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天体的实际半径接近引力半径时，这时，这种差异将急剧增大这就是说，在强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引力的情况，牛顿的万有引力理论将不再适用不再适用 3、经典力学和相对论量子力学的关系、经典力学和相对论量子力学的关系如何？如何？历史上的科学成

15、就不会被新的科学成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就所否定，而是作为某些条件下的局部情局部情形，被包括在新的科学成就之中形，被包括在新的科学成就之中如：当如：当物体的速度远小于光速物体的速度远小于光速c(3X108ms)时，时，相对论与经典理论的结论没有区别；当另相对论与经典理论的结论没有区别；当另一个重要常数即一个重要常数即“普朗克常数普朗克常数”h(663X10-34Js)可以忽略不计时量子力学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。子力学都没有否定过去的科学。检测题 有关科学家和涉

16、及的事实，正确的说法是 A哥白尼创立了日心说 B伽利略发现了行星运动规律 C.惠更斯解决了弹性碰撞问题 D爱因斯坦提出了量子论(A C )检测题检测题 一列火车以速度v相对地面运动如果地面上的人测得，某光源发出的闪光同时到达车厢的前壁和后壁，以下说法中正确的是 A火车上的人测得，闪光先到达前壁B火车上的人测得，闪光先到达后壁C火车上的人测得，闪光同时到达车厢 的前壁 和后壁D条件不足，无法确定(A)检测题检测题 有三个完全相同的时钟，时钟A放在地面上，时钟B、C分别放在两个火箭上，以速度vB和vC朝同一方向飞行，vBvC 对于地面上的观察者来说，则以下说法中正确的是 A时钟A走得最慢 B时钟B

17、走得最慢 C时钟C走得最慢 D时钟C走得最快(C)检测题如果有一支静止时长30 m的火箭，以光速的二分之一的速度从观察者的身边掠过，以下说法中正确的是A地面上的观察者测得的火箭长为30 mB地面上的观察者测得的火箭长小于30 mC地面上的观察者测得的火箭长大于30 mD火箭上的观察者测得的火箭长为30 m(BD)检测题检测题 有关物体的质量与速度的关系的说法,正确的是 A物体的质量与物体的运动速度无关 B物体的质量随物体的运动速度增大而增大 C物体的质量随物体的运动速度增大而减少 D当物体的运动速度接近光速时，质量趋于零(B)按照狭义相对论，不仅“同时”是相对的，有时候，甚至事情的先后也都是相

18、对的。举一个例子，一节长为10米的列车，A在车后部，B在车前部。当列车以0.6c的高速度通过一个站台的时候,突然站台上的人看到A先向B开枪,过了12.5毫微秒,B又向A发射。因而站台上的人作证：这场枪战是由A挑起的。但是，车上的乘客却提供相反的情况，他们说，是B先开枪，过了10毫微秒，A才动手。事件是由B发动的。到底是谁先动手呢？没有绝对的答案。在这个具体事件中，谁先谁后是有相对性的。在列车参考系中，B先A后，而在车站参考系中则是A先B后。选择的参考系不同，对运动的描述就不同：选择的参考系不同，对运动的描述就不同：例如：让两小球从同一高度同时自由下落。例如：让两小球从同一高度同时自由下落。符合牛顿运动定律符合牛顿运动定律不符合牛顿运动定律不符合牛顿运动定律惯性系惯性系非非惯性系惯性系Return