1、6、經(jīng)典力學(xué)的成就及其局限性,科學(xué)家對經(jīng)典力學(xué)的貢獻(xiàn),伽利略、第谷,哥白尼、亞里士多德,笛卡爾、胡克、哈雷等,牛頓所說:如果說我看得遠(yuǎn),那是因為我站在巨人們的肩上。,經(jīng)典力學(xué)金字塔的建立,開普勒,牛頓的科學(xué)方法 科學(xué)足跡中總結(jié)了牛頓的科學(xué)方法,這些科學(xué)方法值得我們借鑒。 重視實驗:重視實驗,從歸納入手,這是牛頓科學(xué)方法論的基礎(chǔ)。 邏輯推論:為了歸納成功,不僅需要大量的可靠資料與廣博的知識,而且要有清晰的邏輯頭腦。 數(shù)學(xué)歸納:事物之間的本質(zhì)聯(lián)系只有通過數(shù)學(xué)才能歸納為能夠測量、應(yīng)用和檢驗的公式和定律。,經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運動定律，萬有引力定律更確立了牛頓的地位,牛頓運動定律和萬有引力定律在宏觀、

2、低速、弱引力的廣闊領(lǐng)域,經(jīng)受實踐檢驗。,飛鷗 ,19世紀(jì)末，牛頓定律在各個領(lǐng)域里都取得了很大的成功： 在機(jī)械運動方面不用說，在分子物理方面，成功地解釋了溫度、壓強(qiáng)、氣體的內(nèi)能。 在電磁學(xué)方面，建立了一個能推斷一切電磁現(xiàn)象的 Maxwell方程。 另外還找到了力、電、光、聲等都遵循的規(guī)律能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。 當(dāng)時許多物理學(xué)家都沉醉于這些成績和勝利之中。他們認(rèn)為物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到頭了。,也就是說：物理學(xué)已經(jīng)沒有什么新東西了，后一輩只要把做過的實驗再做一做，在實驗數(shù)據(jù)的小數(shù)點后面再加幾位罷了！,兩朵烏云,1、邁克爾遜莫雷實驗測得光速是不變的。 經(jīng)典力學(xué)不能解決高速運動問題（接近光速）,2、黑體輻射出的

3、能量不是連續(xù)的 經(jīng)典力學(xué)不能解釋微觀領(lǐng)域中物質(zhì)結(jié)構(gòu)和能量不連續(xù)的現(xiàn)象,后來的事實證明，正是這兩朵烏云發(fā)展成為一場革命性的風(fēng)暴，烏云落地化作春雨，澆灌著兩朵鮮花。,經(jīng)典力學(xué),量子力學(xué),相對論,微觀領(lǐng)域,高速領(lǐng)域,飛鷗 ,物體運動的軌跡依賴于觀察者所處的參考系,14-1力學(xué)相對性原理 伽利略變換,絕對運動： 物體相對基本參考系（S系）的運動.,1、幾個概念,相對運動： 物體相對運動參考系（S系） 的運動.,牽連運動： S系相對S系的運動.,一.伽利略坐標(biāo)變換,牽連速度,絕對速度,相對速度,飛鷗 ,速度變換公式,同時具有絕對性.,時間具有絕對性.,空間具有絕對性.,加速度變換,在兩相互作勻速直線運動

4、的慣性系中,物體運動所遵循的力學(xué)規(guī)律具有相同的形式.-伽利略相對性原理（力學(xué)相對性原理）,某航空母艦上的戰(zhàn)斗機(jī)起飛過程中最大加速度是a4.5m/s2，飛機(jī)速度要達(dá)到v060m/s才能起飛，航空母艦甲板長為L289m，為使飛機(jī)安全起飛，航空母艦應(yīng)以一定速度航行以保證起飛安全，求航空母艦最小速度v是多少？(設(shè)飛機(jī)起飛對航母的狀態(tài)沒有影響，飛機(jī)的運動可以看作勻加速運動),飛鷗 ,vt2v02=2ax,由,得如果航空母艦靜止不動，飛機(jī)正常起飛航空母艦長度至少 為L=602/2*4.5=400m,航空母艦的長度為289m，飛機(jī)正常起飛嗎？,289m,400m,航空母艦的長度不夠長怎么辦？,不能正常起飛,

5、答案：該同學(xué)解法是錯誤的,以岸為參考系，,v9m/s.,以船為參考系,絕對空間:空間與運動無關(guān),空間絕對靜止. 空間的度量與慣性系無關(guān),絕對不變,絕對時間: 時間均勻流逝,與物質(zhì)運動無關(guān),所有慣性系有統(tǒng)一的時間.,牛頓的絕對時空觀,牛頓力學(xué)的相對性原理, 宏觀、低速的范圍內(nèi),是與實驗結(jié)果相一致的.但在高速運動情況下則不適用.,到了19世紀(jì)末，面對高速運動的微觀粒子發(fā)生的現(xiàn)象，經(jīng)典力學(xué)遇到了困難.在新事物面前，愛因斯坦打破了傳統(tǒng)的時空觀，于1905年發(fā)表了題為論運動物體的電動力學(xué)的論文，提出了狹義相對性原理和光速不變原理，創(chuàng)建了狹義相對論.狹義相對論一深奧難懂著稱，并且他的出現(xiàn)，使整個世界都處于

6、震驚和爭論之中， 繼狹義相對論之后，1915年愛因斯坦又建立了廣義相對論，指出空間時間不可能離開物質(zhì)而獨立存在，空間的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)取決于物質(zhì)的分布，使人類對于時間、空間和引力現(xiàn)象的認(rèn)識大大深化了。,愛因斯坦,（1879-1955）,相對論有狹義相對論、廣義相對論之分：,關(guān)于慣性系時空觀的理論,狹義相對論（1905）,廣義相對論（1915）,關(guān)于一般參照系及引力的理論,飛鷗 ,真空中的光速是常量，沿各個方向都等于c ，與光源或觀測者的運動狀態(tài)無關(guān).,1 狹義相對性原理,物理規(guī)律在所有慣性系中都具有相同的表達(dá)形式.,2 光速不變原理,一狹義相對論的基本假設(shè),洛倫茲變換式,符合相對論理論的時空變換關(guān)系

7、,設(shè) 時， 重合 ; 事件 P 的時空坐標(biāo)如圖所示.,1、洛倫茲坐標(biāo)變換式,逆變換,正變換,2 洛倫茲速度變換式,正變換,逆變換,狹義相對論的結(jié)論,兩種不同的時空觀,(一)經(jīng)典時空觀(絕對時空觀),(1)同時的絕對性,(2)時間間隔的絕對性,(3)空間距離的絕對性,時間、長度和質(zhì)量這三者都與參考系的運動無關(guān)。,(1)同時是相對的,(3)動尺變短,(4)運動的物體質(zhì)量變大,（二）相對論時空觀,(2)動鐘變慢,時間、長度和質(zhì)量這三者都與參考系的運動有關(guān)。,基本公式歸納,從弱引力到強(qiáng)引力,飛鷗 ,閱讀課本第50頁，歸納萬有引力定律與愛因斯坦引力理論的主要差異：,1）牛頓的萬有引力定律認(rèn)為：物體的半徑

8、減小，其表面的萬有引力與半徑的二次方成反比的增大，對于半徑接近于零的物體。其表面上的萬有引力接近于無窮大。,2）愛因斯坦理論認(rèn)為：物體的半徑減小時，其表面的萬有引力比二次方成反比規(guī)律增大得多，引力趨于無窮大，發(fā)生在接近一個“引力半徑”的時候。,何為天體的引力半徑? 假定一個球形天體的質(zhì)量不變，并通過壓縮減小它的半徑，天體表面上的引力將會增加，當(dāng)引力趨于無窮大時，被壓縮天體半徑接近的值“引力半徑”,飛鷗 ,只要天體的實際半徑遠(yuǎn)大于它們的引力半徑，那么愛因斯坦和牛頓的理論計算出的力的差異并不很大但當(dāng)天體的實際半徑接近引力半徑時，這種差異將急劇增大這就是說，在強(qiáng)引力的情況，牛頓的萬有引力理論將不再適

9、用,水星旋進(jìn),1廣義相對性原理,所有物理學(xué)規(guī)律對所有的參照系都成立,2等效原理,二廣義相對論,一個均勻的引力場與一個做勻加速運動的參考系等價。,如果飛船做勻加速運動，在光向右傳播的同時，飛船的速度也在不斷增大，因此飛船上觀察者記錄下的光的徑跡是一條拋物線。,廣義相對論的幾個結(jié)論,1、物質(zhì)的引力使光線發(fā)生彎曲,如果飛船做勻速直線運動，船上觀察者記錄下的光的徑跡是一條直線（虛線）,飛船外觀察者看到這束光是直線傳播的（水平向右）,通常物體的引力場都太弱，20世紀(jì)只能觀測到太陽引力場引起的光線彎曲,太陽,由于太陽引力場的作用，我們有可能觀測到太陽后面的恒星，最好的觀測時間是發(fā)生日全食的時候,1919年

10、5月29日，發(fā)生日全食，英國考察隊分赴幾內(nèi)亞灣和巴西進(jìn)行觀測，證實了愛因斯坦的預(yù)言，這是對廣義相對論的最早證實,各類星體對比,宇宙中有一類恒星，體積很小，質(zhì)量卻很大，叫做矮星，引力勢比地球低的多，矮星表面的時間進(jìn)程比較慢，哪里的發(fā)光的頻率比同種的原子在地球上發(fā)光頻率低，看起來偏紅，這個現(xiàn)象叫做引力紅移,2、引力紅移,由于物質(zhì)的存在，實際空間并不是均勻的，空間發(fā)生了“彎曲”：,狹義、廣義相對論比較,狹義相對論,廣義相對論,不同的慣性參考系中一切物理規(guī)律都是相同的,任何參考系（包括非慣性系）中物理規(guī)律都是相同的,真空中的光速在不同慣性參考系中都是相等的,一個均勻的引力場與一個做勻加速運動的參考系等

11、價,更進(jìn)一步,等效原理,光速恒定,愛因斯坦相對性原理,廣義相對性原理,三、經(jīng)典力學(xué)在分析微觀的困難,第二次革命的導(dǎo)火索是物理學(xué)史上的三大發(fā)現(xiàn):倫琴發(fā)現(xiàn)X射線、湯姆生發(fā)現(xiàn)電子 、貝克勒耳發(fā)現(xiàn)天然放射線,使物理學(xué)的研究從宏觀領(lǐng)域進(jìn)入了微觀世界。人們發(fā)現(xiàn),微觀粒子所表現(xiàn)出的現(xiàn)象用經(jīng)典物理理論根本無法解釋。,經(jīng)典力學(xué)難以解釋微觀粒子的運動: 科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子不僅具有粒子性,同時還具有波動性,它們的運動在很多情況下不能用經(jīng)典力學(xué)來說明。20世紀(jì)20 年代量子力學(xué)的出現(xiàn),才很好地揭示了微觀世界的基本規(guī)律。,經(jīng)典力學(xué)(牛頓運動定律)在宏觀世界中成立(適用),微觀世界不適用。,普朗克創(chuàng)

12、立量子力學(xué),電子云 電子有波粒二象性，它不像宏觀物體的運動那樣有確定的軌道，因此畫不出它的運動軌跡。我們不能預(yù)言它在某一時刻究竟出現(xiàn)在核外空間的哪個地方，只能知道它在某處出現(xiàn)的機(jī)會有多少。為此，就以單位體積內(nèi)電子出現(xiàn)幾率，即幾率密度大小，用小白點的疏密來表示。小白點密處表示電子出現(xiàn)的幾率密度大，小白點疏處幾率密度小，看上去好像一片帶負(fù)電的云狀物籠罩在原子核周圍，因此叫電子云。,20世紀(jì)20年代,海森堡、薛定諤、玻爾、玻恩、狄拉克等物理學(xué)家建立了量子力學(xué)。開始,海森堡和薛定諤互相獨立地提出了數(shù)學(xué)表達(dá)形式不同的理論,后來薛定諤很快就證明了這兩種理論是完全等價的,是對同一事物的兩種描述方式。薛定諤的

13、理論更接近德布羅意的物質(zhì)波的觀念,也常常稱為波動力學(xué)。薛定諤力圖用數(shù)學(xué)形式來描述物質(zhì)的波粒二象性,他從麥克斯韋的光的電磁學(xué)說得到啟發(fā),認(rèn)為電子的德布羅意波也可以用類似于光波的方式來描述,于是寫出了描述物質(zhì)波的方程,這就是,關(guān)于量子力學(xué),著名的薛定諤方程。這個方程既描述了電子的物質(zhì)波的行為,又含有電子的粒子性的特征。 量子力學(xué)出現(xiàn)以后,在說明原子結(jié)構(gòu)方面迅速取得了巨大的成功,很快地被物理學(xué)家所接受。現(xiàn)在它的應(yīng)用已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出原子結(jié)構(gòu)的范圍,成為物理學(xué)家研究微觀世界的基本理論工具。 本節(jié)知識的應(yīng)用主要涉及經(jīng)典力學(xué)的局限性,以及對相對論與量子力學(xué)的初步了解。,相對論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，是否表示經(jīng)典力學(xué)失去

14、了意義?,相對論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，說明人類對自然界的認(rèn)識更加廣泛和深入，而不表示經(jīng)典力學(xué)失去了意義它只是使人們認(rèn)識到經(jīng)典力學(xué)有它的適用范圍：只適用于低速運動，不適用于高速運動，只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界。,經(jīng)典力學(xué),狹義相對論,廣義相對論,量子力學(xué),互為補(bǔ)充,互不矛盾,互不否定共同支撐起物理學(xué)科的骨架。,宏觀低速,高速,微觀世界,強(qiáng)引力,歷史上的科學(xué)成就不會被新的科學(xué)成就所否定，而是作為某些條件下的局部情形，被包括在新的科學(xué)成就之中如：當(dāng)物體的速度遠(yuǎn)小于光速c(3108m/s)時，相對論與經(jīng)典理論的結(jié)論沒有區(qū)別；當(dāng)另一個重要常數(shù)即“普朗克常數(shù)”h(6.6310-34Js)可以忽略不計時量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別相對論和量子力學(xué)都沒有否定過去的科學(xué)。,六、經(jīng)典力學(xué)的適用范圍 經(jīng)典力學(xué)有它的適用范圍:只適用于低速運動,不適用于高速運動;只適用于宏觀世界,不適用于微觀世界;只適用于弱引力情況,不適用于強(qiáng)引力情況。 對于高速運動(速度接近真空中的光速),需要應(yīng)用愛因斯坦的相對論。當(dāng)物體的運動速度遠(yuǎn)小于真空中的光速時,相對論物理學(xué)與經(jīng)典物