物理经典力学局限性(公开课)ppt课件.ppt

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1、6.6经典力学局限性高一、物理组高一、物理组一、经典力学一、经典力学 经典力学又称古典力学或牛顿力学，经典力学又称古典力学或牛顿力学，以牛顿运动定律为基础，是组成经典物以牛顿运动定律为基础，是组成经典物理学的的一部分，主要研究宏观物体在理学的的一部分，主要研究宏观物体在低速状态下的运动。低速状态下的运动。例如：例如：1.从地面上物体的运动到天体的运动，从地面上物体的运动到天体的运动，2.从大气的流动到地壳的变动从大气的流动到地壳的变动3.从自行车到火车、飞机等现代交通工具的从自行车到火车、飞机等现代交通工具的运动运动4.从投篮到发射导弹、人造卫星以及天体的从投篮到发射导弹、人造卫星以及天体的运

2、动运动1、经典力学发展的三个阶段、经典力学发展的三个阶段第一阶段：第一阶段：第一阶段：第一阶段：伽伽利利略略、牛牛顿顿时时代代之之前前。人人们们对对力力学学现现象象的的研研究究大大多多直直接接反反映映在在技技术术之之中中或或完完全全融融合合在在哲哲学学之之内内，物物理理学学就就整整体体而而言言还还没没有有成成为为独独立立的的科科学学。这这个个阶阶段段对对力力学学作作出出突突出出贡贡献献的的是是阿阿基基米德。米德。第二阶段：第二阶段：第二阶段：第二阶段：从从伽伽利利略略到到牛牛顿顿。是是经经典典力力学学从从基基本本要要领领、基基本本定定律律到到建建成成理理论论体体系系的的阶阶段段，在在这这一一阶

3、阶段段有有一一系系列列的的科科学学家家为为经经典典力力学学打下重要基础。打下重要基础。第三阶段：第三阶段：第三阶段：第三阶段：牛牛顿顿之之后后。经经典典力力学学又又有有新新的的发发展展，这这一一阶阶段段主主要要是是后后人人对经典力学的表述形式和应用对象进行了拓展和完善。对经典力学的表述形式和应用对象进行了拓展和完善。亚里士多德亚里士多德亚里士多德亚里士多德伽利略伽利略伽利略伽利略笛卡儿笛卡儿笛卡儿笛卡儿惠更斯惠更斯惠更斯惠更斯牛顿牛顿牛顿牛顿国别国别生活年生活年代代古希腊，约公古希腊，约公元前元前384公元公元前前322年年意大利，意大利，15641642年年法国，法国，15961650年年荷

4、兰，荷兰，16291695年年英国，英国，16421727年年主要的主要的科学研科学研究方法究方法观察、思维、观察、思维、推理推理观察实验、假观察实验、假设、数学推理设、数学推理三者相结合三者相结合实验观察、实验观察、数学推理数学推理实验、数实验、数学推理学推理归纳与演归纳与演绎、综合绎、综合与分析、与分析、实验观察实验观察等等力学方力学方面的主面的主要成就要成就两个反面的结两个反面的结论：论：力是维持物力是维持物体运动的原因。体运动的原因。重的物体比重的物体比轻的物体下落轻的物体下落得快。得快。自由落体运自由落体运动规律动规律力学相对性力学相对性原理原理惯性定律惯性定律制成了制成了世界上第世

5、界上第一架计时一架计时摆钟。摆钟。测量出测量出重力加速重力加速度的值。度的值。三大运三大运动定律、动定律、万有引万有引力定律。力定律。2、科学家对经典力学的贡献、科学家对经典力学的贡献2、经典力学的伟大成就、经典力学的伟大成就把把人人类类对对整整个个自自然然界界的的认认识识推推进进到到一一个个新新水水平平，牛牛顿顿从从力力学上证明了自然界的统一；学上证明了自然界的统一；经经典典力力学学的的建建立立首首次次明明确确了了一一切切自自然然科科学学理理论论应应有有的的基基本本特特征征，这这标标志志着着近近代代理理论论自自然然科科学学的的诞诞生生，也也成成为为其其他他各各门自然科学的典范；门自然科学的典

6、范；经经典典力力学学的的建建立立对对自自然然科科学学和和科科技技的的发发展展、社社会会的的进进步步具具有深远影响：有深远影响：经典力学形成的科学研究方法的推广应用；经典力学形成的科学研究方法的推广应用；经经典典力力学学与与其其他他基基础础科科学学相相结结合合产产生生了了许许多多交交叉叉学学科科，促促进了自然科学的进一步发展；进了自然科学的进一步发展；经经典典力力学学在在科科学学技技术术上上有有广广泛泛的的应应用用，促促进进了了社社会会文文明明的的发展。发展。1905年，出生于德国的美籍物理学家阿尔伯特爱因斯坦（18791955）发表了狭义相对论。二、经典力学的局限性二、经典力学的局限性狭义相对

7、论指出在宇宙中唯一不变的是光线在真空中的速度(光速)，其它任何事物速度、长度、质量和经过的时间，都随观察者的参考系（特定观察）而变化。经经典典力学：物力学：物体的质量是不随运动状态改体的质量是不随运动状态改变的变的狭狭义相义相对论：质对论：质量要随物体运动速度的增量要随物体运动速度的增大而增大大而增大式中：式中：m0 是物体静止时的质量是物体静止时的质量 m 是物体速度为是物体速度为v时的质量（称为相对质量）时的质量（称为相对质量）c 是真空中的光速是真空中的光速1、物体的质量与运动速度有关、物体的质量与运动速度有关物体的质量与运动速度的关系是：物体的质量与运动速度的关系是：1、当、当 v 远

8、小于远小于 c 时时，mm0；2、当、当 v 趋近于趋近于 c 时，时，m 趋趋近于无穷近于无穷大。大。因此，当物体的速度远小于真空中的光速时，经典力因此，当物体的速度远小于真空中的光速时，经典力学完全适用；当物体的速度接近光速时，经典力学就学完全适用；当物体的速度接近光速时，经典力学就不适用了。不适用了。结论：经典力学适用于低速运动的物体结论：经典力学适用于低速运动的物体2.2.经经典力学中速度叠加原理不再成立典力学中速度叠加原理不再成立 设设河流中的水相河流中的水相对对于河岸的速度于河岸的速度为为 ,船相船相对对于水的速度于水的速度为为 ,则则在在经经典力学中，船相典力学中，船相对对于岸的

9、速度于岸的速度为为 这这似乎是天似乎是天经经地地义义的。但是，的。但是，这这个关系式涉及两个关系式涉及两个不同的个不同的惯惯性参考系，而速度性参考系，而速度总总是与位移（空是与位移（空间间长长度）及度）及时间间时间间隔的隔的测测量相量相联联系。相系。相对论认为对论认为，同一同一过过程的位移和程的位移和时间时间的的测测量在不同参考系中是量在不同参考系中是不同的，因而上式不能成立。不同的，因而上式不能成立。（矢量和）（矢量和）惯性参考系：惯性参考系：凡是牛顿定律成立的参考系，称为惯凡是牛顿定律成立的参考系，称为惯性参考系，简称惯性系。性参考系，简称惯性系。所有相对于惯性系作匀速直线运动所有相对于惯

10、性系作匀速直线运动的参考系都是惯性系。的参考系都是惯性系。所有相对于惯性系作变速运动的参所有相对于惯性系作变速运动的参考系都是非惯性系。考系都是非惯性系。3.两种不同的时空观两种不同的时空观 本节教材在本节教材在“科学漫步科学漫步”栏目栏目时间和空时间和空间是什么？间是什么？一文中提到了牛顿和爱因斯坦的一文中提到了牛顿和爱因斯坦的两种不同的时空观。两种不同的时空观。牛顿认为牛顿认为：空间是独立于物体及其运动而存在的，：空间是独立于物体及其运动而存在的，时间也是独立于物体及其运动而存在的，这是一种经时间也是独立于物体及其运动而存在的，这是一种经典时空观。典时空观。爱爱因斯坦因斯坦则认为：在研究物

11、体的高速运动（速度接则认为：在研究物体的高速运动（速度接近真近真空中光空中光速）时，物体的长度即物体占有的空间，以速）时，物体的长度即物体占有的空间，以及物理过程、化学过程，甚至还有生命过程的持续时间，及物理过程、化学过程，甚至还有生命过程的持续时间，都与它们的运动状态有关，空间与时间不再与物体及其都与它们的运动状态有关，空间与时间不再与物体及其运动无关而独立存在。这是一种崭新的时空观。运动无关而独立存在。这是一种崭新的时空观。科学家们发现，电子、质子、中子等微观粒科学家们发现，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，它们子不仅具有粒子性，同时还具有波动性，它们的运动在很多

12、情况下不能用经典力学来说的运动在很多情况下不能用经典力学来说明明。微观粒子具有波粒二象性20世纪世纪20 年代普朗克年代普朗克发现了量子力学，才很发现了量子力学，才很好地揭示了微观世界的好地揭示了微观世界的基本规律。基本规律。4.经典力学难以解释微观粒子的运动经典力学难以解释微观粒子的运动5.强引力作用下出现的问题强引力作用下出现的问题 牛牛顿的万有引力定律取得了巨大的成就，但在顿的万有引力定律取得了巨大的成就，但在一些问题上也遇到了困难。例如：水星的公转轨道一些问题上也遇到了困难。例如：水星的公转轨道在不断在不断旋进旋进(参参见教材见教材图图6.6-1)，实，实际观察值要比经际观察值要比经典

13、力学的预言值多。典力学的预言值多。1915年，爱因斯坦创立的广义年，爱因斯坦创立的广义相对论对此则能作出很好的解释，同时还预言光线相对论对此则能作出很好的解释，同时还预言光线经过大质量星体附近时会发生偏转，且已被观测证经过大质量星体附近时会发生偏转，且已被观测证实。实。另另外，根据牛顿的理论，当天外，根据牛顿的理论，当天体总质量不变，体总质量不变，被被压压缩它的半径，缩它的半径，引引力将会增大，满足力将会增大，满足“反比关系反比关系”；而爱因斯坦的理论则认为而爱因斯坦的理论则认为，这个力实际上增加，这个力实际上增加的更快，当天体的半径越小，由的更快，当天体的半径越小，由爱因斯坦和牛顿引爱因斯坦

14、和牛顿引力理论计算出的力的差异急剧增大力理论计算出的力的差异急剧增大，因此在，因此在强引力强引力情况下牛顿引力理论不再适用。情况下牛顿引力理论不再适用。经典力经典力学的学的适用范适用范围：围：只只适用于适用于低速运动低速运动，不适用于高速，不适用于高速运运动；动；只只适用于适用于宏观世界宏观世界，不适用于微观，不适用于微观世世界；界；只只适用于适用于弱引力情况弱引力情况，不适用于强，不适用于强引力情况引力情况。6.经典力学的适用范围经典力学的适用范围 对于对于高速运动高速运动（速度接近真空中的光速），（速度接近真空中的光速），需要应用爱因斯坦的相对论。当物体的运需要应用爱因斯坦的相对论。当物体

15、的运动速度远小于真空中的光速时，相对论物理学动速度远小于真空中的光速时，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别。与经典物理学的结论没有区别。对于对于微观世界微观世界，需要应用量子力学。，需要应用量子力学。当当普朗克常数可以忽略不计时，量子力学和经典普朗克常数可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别。力学的结论没有区别。对于对于强引力情况强引力情况，需要应用爱因斯坦引力，需要应用爱因斯坦引力理论。当天体的实际半径远大于它们的引力半理论。当天体的实际半径远大于它们的引力半径时，爱径时，爱 因斯坦引力理论和牛顿引力理论计因斯坦引力理论和牛顿引力理论计算出的力的差异并不很大。算出的力的差异并不很大。【例题例题例题例题】牛顿定律能适用于下列哪些情况？牛顿定律能适用于下列哪些情况？A.研究原子中电子的运动研究原子中电子的运动 B.研究研究“神州神州”五号的高速发射五号的高速发射 C.研究地球绕太阳的运动研究地球绕太阳的运动 D.研究飞机从深圳飞往北京的航线研究飞机从深圳飞往北京的航线【答案答案】BCD【提示提示提示提示】经典力学只适用于处理经典力学只适用于处理经典力学只适用于处理经典力学只适用于处理宏观宏观宏观宏观物体的物体的物体的物体的低速低速低速低速运动运动运动运动。