1、E 從牛頓到愛(ài)因斯坦,自然和自然的法則在黑暗中隱藏；上帝說(shuō)，讓牛頓去吧！于是一切都被照亮。魔鬼說(shuō)，讓愛(ài)因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。,1,一、經(jīng)典物理模塊分類：,17世紀(jì)前在觀察與哲學(xué)的猜測(cè)上對(duì)天文、力、熱、聲、光有了一定認(rèn)識(shí)。,17世紀(jì)初19世紀(jì)末是經(jīng)典物理學(xué)體系建立的關(guān)鍵時(shí)期,2,靜力學(xué)（描述靜止物體）,運(yùn)動(dòng)學(xué)（描述物體運(yùn)動(dòng)）,動(dòng)力學(xué)（描述物體受力作 用下的運(yùn)動(dòng)）,經(jīng)典力學(xué) （牛頓力學(xué)）,二、經(jīng)典力學(xué)模塊分類：,3,牛頓,三、牛頓主要貢獻(xiàn),4,5,6,哥白尼：日心說(shuō),第谷：20年精心觀測(cè)數(shù)據(jù),開(kāi)普勒研究第谷數(shù)據(jù)得三個(gè)定律,胡克、哈雷進(jìn)一步認(rèn)識(shí),牛頓解決橢圓并延伸到萬(wàn)物間有力,萬(wàn)有引力定

2、律,7,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(shuō)：“如果說(shuō)我看得遠(yuǎn)，那是因?yàn)槲艺驹诰奕藗兊募缟?。?經(jīng)典力學(xué)金字塔的建立,開(kāi)普勒,8,經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動(dòng)定律，萬(wàn)有引力定律更確立了牛頓的地位，牛頓運(yùn)動(dòng)定律和萬(wàn)有引力定律在宏觀、低速、弱引力的廣闊領(lǐng)域，經(jīng)受實(shí)踐檢驗(yàn)。著名物理學(xué)家楊振寧贊頌到：“如果一定要舉出某個(gè)人、某一天作為近代科學(xué)誕生的標(biāo)志，我選牛頓自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理在1687年出版的那天。”,第一部分包括：“定義和注釋”和“運(yùn)動(dòng)的基本定理或定律”。這部分雖然篇幅不大，卻極為重要。 第二部分是這些基本定律的作用，包括三篇：第一篇是研究萬(wàn)有引力的；第二篇是討論介質(zhì)對(duì)物

3、體運(yùn)動(dòng)的影響；第三篇是“論宇宙系統(tǒng)” 。,9,經(jīng)典力學(xué)的困境,低速世界(經(jīng)典力學(xué)),高速世界（相對(duì)論）,四、經(jīng)典力學(xué)的困境：,10,在宏觀低速的世界：一切都理所當(dāng)然？,當(dāng)一些問(wèn)題(如微觀領(lǐng)域的深入)牛頓解釋不了時(shí)，它就只好用上帝的萬(wàn)能來(lái)解釋，為此牛頓花費(fèi)了后半生的心血，這正是牛頓的悲劇。,11,所以：不管選什么參考系，不管物體怎么運(yùn)動(dòng)，物體的位移、時(shí)間、長(zhǎng)度、質(zhì)量等等的測(cè)量結(jié)果肯定是一樣的，這是天經(jīng)地義的。,靜止看光速和與光速一起運(yùn)動(dòng)算得的光速不一樣,物體的速度甚至可以超過(guò)光速,12,高速世界（接近光速）,1905年，愛(ài)因斯坦提出，物體高速時(shí)（接近光速），物體所占空間（如長(zhǎng)度），物理、化學(xué)過(guò)程

4、，生命持續(xù)時(shí)間，都與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，時(shí)空都與運(yùn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)了-狹義相對(duì)論,13,狹義相對(duì)論,自然和自然的法則在黑暗中隱藏；上帝說(shuō)，讓牛頓去吧！于是一切都被照亮。魔鬼說(shuō)，讓愛(ài)因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。,14,趣例：,15,愛(ài)因斯坦火車(chē):,同時(shí)到達(dá)A、B,火車(chē)上的觀測(cè)者說(shuō):光源在AB的中點(diǎn),應(yīng)同時(shí)到達(dá)A、B兩點(diǎn).地面上的人看見(jiàn)先到達(dá)B點(diǎn)，后到A點(diǎn)。,16,按照狹義相對(duì)論，不僅“同時(shí)”是相對(duì)的，有時(shí)候，甚至事情的先后也都是相對(duì)的。舉一個(gè)例子，一節(jié)長(zhǎng)為10米的列車(chē)，A在車(chē)后部，B在車(chē)前部。當(dāng)列車(chē)以0.6c的高速度通過(guò)一個(gè)站臺(tái)的時(shí)候,突然站臺(tái)上的人看到A先向B開(kāi)槍,過(guò)了12.5毫微秒,B又向A發(fā)射。因

5、而站臺(tái)上的人作證：這場(chǎng)槍?xiě)?zhàn)是由A挑起的。但是，車(chē)上的乘客卻提供相反的情況，他們說(shuō)，是B先開(kāi)槍，過(guò)了10毫微秒，A才動(dòng)手。事件是由B發(fā)動(dòng)的。,到底是誰(shuí)先動(dòng)手呢？沒(méi)有絕對(duì)的答案。在這個(gè)具體事件中，誰(shuí)先誰(shuí)后是有相對(duì)性的。在列車(chē)參考系中，B先A后，而在車(chē)站參考系中則是A先B后。甚至于飛船上的人可能會(huì)看到你先把蘋(píng)果吃了，再看到蘋(píng)果掉在了地上。,17,不敢相信圖中的橫線是平行的，不過(guò)它就是平行的,18,兩個(gè)位于中心的圓哪個(gè)大？其實(shí)一樣大的！,19,（1）相對(duì)時(shí)間 狹義相對(duì)論認(rèn)為時(shí)間不是絕對(duì)的（即固定不變的）。愛(ài)因斯坦指出，隨著物體（觀察者所見(jiàn)到的）運(yùn)動(dòng)速度的加快，時(shí)間會(huì)變慢。 使用同步原子鐘已證實(shí)了這個(gè)結(jié)

6、論的正確性，將一個(gè)鐘表留在地面上，而攜帶另一個(gè)以很快速度移動(dòng)（如在噴氣式飛機(jī)上），隨后進(jìn)行比較，靜止的鐘表總比另一個(gè)稍微快一點(diǎn)。,時(shí)鐘變慢.swf,20,21,22,（1）相對(duì)時(shí)間,23,（2）相對(duì)長(zhǎng)度 愛(ài)爾蘭物理學(xué)家佛茲杰拉德(18511901)提出，物質(zhì)會(huì)在運(yùn)動(dòng)的方向上收縮（縮?。?，這意味著根據(jù)一個(gè)靜止觀察者的觀點(diǎn)，一枚以接近光線運(yùn)行的火箭所表現(xiàn)出的長(zhǎng)度會(huì)比它靜止時(shí)更短，盡管乘坐火箭的人看來(lái)并沒(méi)有什么兩樣。 愛(ài)因斯坦指出，任何物體 以光速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其長(zhǎng)度將會(huì)縮短為零。,24,（2）相對(duì)長(zhǎng)度,25,（3）相對(duì)質(zhì)量,物體運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量與靜止質(zhì)量的關(guān)系,26,五、從宏觀到微觀,19世紀(jì)末-20世紀(jì)初

7、，深入到微觀領(lǐng)域，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(shí)還具有波動(dòng)性，很多情況下經(jīng)典力學(xué)說(shuō)明不了。,27,六，從弱引力到強(qiáng)引力,光之所以會(huì)被黑洞吸進(jìn)去,是因?yàn)楹诙匆Υ笤斐煽臻g扭曲,光隨著被扭曲的空間走而進(jìn)去黑洞里,大家都知道光只走直線,所以光并不是被引力吸進(jìn)去的,而是光還是走直線,但空間扭曲而進(jìn)到黑洞,打個(gè)比方,在紙上畫(huà)一條線,把那張紙扭曲,但展開(kāi)后它還是一條線。這時(shí)候，光雖然仍然沿任意兩點(diǎn)間的最短距離傳播，但走的已經(jīng)不是直線，而是曲線。,28,經(jīng)典力學(xué),狹義相對(duì)論,廣義相對(duì)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,2

8、9,經(jīng)典力學(xué)的成就和局限性,一、經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展過(guò)程及偉大成就,二、經(jīng)典力學(xué)局限性：,1、不能解決高速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題（接近光速）,2、不適用于微觀領(lǐng)域中物質(zhì)結(jié)構(gòu)和能量不連續(xù)的現(xiàn)象,30,一、經(jīng)典時(shí)空觀（絕對(duì)時(shí)空觀）：,（1）同時(shí)的絕對(duì)性,（2）時(shí)間間隔的絕對(duì)性,（3）空間距離的絕對(duì)性,超新星爆發(fā)的持續(xù)時(shí)間：,經(jīng)典時(shí)空觀與相對(duì)論時(shí)空觀,實(shí)際：2年??？,時(shí)間、長(zhǎng)度和質(zhì)量這三者都與參考系的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。,31,經(jīng)典時(shí)空觀與相對(duì)論時(shí)空觀,二、相對(duì)論時(shí)空觀:,（1）同時(shí)是相對(duì)的,（3）動(dòng)尺變短,（4）運(yùn)動(dòng)的物體質(zhì)量變大,（1）不同慣性參考系，物理規(guī)律相同,2、狹義相對(duì)論結(jié)論：,（2）動(dòng)鐘變慢,時(shí)間、長(zhǎng)度和質(zhì)量這三者

9、都與參考系的運(yùn)動(dòng)有關(guān)。,32,相對(duì)的,絕對(duì)的（不變）,絕對(duì)的,與運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)，絕對(duì)的,與運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)，絕對(duì)的，不變的,相對(duì)的,與運(yùn)動(dòng)有關(guān)，相對(duì)的,隨速度增加而增大,經(jīng)典時(shí)空觀與相對(duì)論時(shí)空觀,33,1632年,Galileo在“薩爾瓦阿蒂”大船上做過(guò)的實(shí)驗(yàn)：,34,1905年，出生于德國(guó)的美籍物理學(xué)家阿爾伯特愛(ài)因斯坦（18791955）發(fā)表了狹義相對(duì)論。這個(gè)理論指出在宇宙中唯一不變的是光線在真空中的速度，其它任何事物速度、長(zhǎng)度、質(zhì)量和經(jīng)過(guò)的時(shí)間，都隨觀察者的參考系（特定觀察）而變化。,牛頓的局限 1)絕對(duì)時(shí)空觀 認(rèn)為時(shí)間與空間無(wú)關(guān)，時(shí)空與運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)，是絕對(duì)的物理量。 2)當(dāng)一些問(wèn)題牛頓解釋不了時(shí)，它就只好

10、用上帝的萬(wàn)能來(lái)解釋，為此牛頓花費(fèi)了后半生的心血，這正是牛頓的悲劇。,35,三.狹義相對(duì)論的基本原理,36,1、相對(duì)性原理,這意味著絕對(duì)時(shí)間、絕對(duì)空間等都是錯(cuò)誤的。,不論用什么方法都找不到絕對(duì)參照系, 即根本不存在絕對(duì)參照系,一切慣性系都是平權(quán)的。,同時(shí)的相對(duì)性1.swf,同時(shí)的相對(duì)性2.swf,一切彼此作勻速直線運(yùn)動(dòng)的慣性系,對(duì)于描述物理規(guī)律都是等價(jià)的?；蛟谒袘T性系中,物理規(guī)律都具有相同的形式。,37,愛(ài)因斯坦火車(chē):,同時(shí)到達(dá)A、B,火車(chē)上的觀測(cè)者說(shuō):光源在AB的中點(diǎn),應(yīng)同時(shí)到達(dá)A、B兩點(diǎn),地面上的人看見(jiàn)先到達(dá)B點(diǎn)，后到A點(diǎn)。,38,1、相對(duì)時(shí)間 狹義相對(duì)論認(rèn)為時(shí)間不是絕對(duì)的（即固定不變的）

11、。愛(ài)因斯坦指出，隨著物體（觀察者所見(jiàn)到的）線性運(yùn)動(dòng)速度的加快，時(shí)間會(huì)變慢。使用同步原子鐘已證實(shí)了這個(gè)結(jié)論的正確性，將一個(gè)鐘表留在地面上，而攜帶另一個(gè)以很快速度移動(dòng)（如在噴氣式飛機(jī)上），隨后進(jìn)行比較，靜止的鐘表總比另一個(gè)稍微快一點(diǎn)。,時(shí)鐘變慢1.swf,39,相對(duì)長(zhǎng)度 愛(ài)爾蘭物理學(xué)家喬治佛茲杰拉德（18511901）提出，物質(zhì)會(huì)在運(yùn)動(dòng)的方向上收縮（縮小），這意味著根據(jù)一個(gè)靜止觀察者的觀點(diǎn)，一枚以接近光線運(yùn)行的火箭所表現(xiàn)出的長(zhǎng)度會(huì)比它靜止時(shí)更短，盡管乘坐火箭的人看來(lái)并沒(méi)有什么兩樣。愛(ài)因斯坦指出，任何物體以光速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其長(zhǎng)度將會(huì)縮短為零。,長(zhǎng)度收縮1.swf,長(zhǎng)度收縮2.swf,40,相對(duì)質(zhì)量,物體

12、運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量與靜止質(zhì)量的關(guān)系,41,2、光速不變?cè)?對(duì)任何慣性系,在真空中沿任意方向傳播的光速都相同,且與光源的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)。,即誰(shuí)測(cè)真空中的光速都是c ,與慣性系的選擇及光源無(wú)關(guān)。,例：宇宙飛船以20萬(wàn) km/s的速度飛行, 人在飛船上向前發(fā)一束 光, 光在飛船中以光速 c 傳播, 地球上的人測(cè)得光速多大？,Km/s,按運(yùn)動(dòng)合成得:,1)愛(ài)因斯坦理論是牛頓理論的發(fā)展,2)光速不變?cè)磉m用的條件:,42,“照亮我的道路,并不斷給我新的勇氣去愉快地正視生活理想的是善、是美、是真”。,“人只有獻(xiàn)身社會(huì),才能找出那實(shí)際上是短暫而又有風(fēng)險(xiǎn)的生命的意義”!,他剖析自己的科學(xué)感受時(shí)說(shuō)：,Einstein

13、 對(duì)相對(duì)論的解釋:,當(dāng)你和一個(gè)漂亮姑娘在一起坐一小時(shí),你感覺(jué)只坐了一分鐘,當(dāng)你坐在火爐旁一分鐘,就好象坐了一小時(shí),這就是相對(duì)論。,“ 科學(xué)的頭腦就是去懷疑,去證實(shí),去發(fā)現(xiàn)的精神! ”,43,力學(xué)單位制,44,物理學(xué)的關(guān)系式,物理學(xué)的關(guān)系式確定了物理量之間的關(guān)系，也指它確定了物理量的單位間的關(guān)系。,例如,m/s,m/s2,Fma,1N=1kgm/s2,45,基本單位和導(dǎo)出單位,這些被選定的物理量叫做基本量，它們的單位叫基本單位；,只要選定幾個(gè)物理量的單位，就能夠利用物理量之間的關(guān)系推導(dǎo)出其他物理量的單位。,由基本量根據(jù)物理關(guān)系推導(dǎo)出來(lái)的其他物理量的單位叫做導(dǎo)出單位。,46,單位制,由基本單位和導(dǎo)

14、出單位一起組成單位制。,47,國(guó)際單位制,1960年第11屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)制定了一種國(guó)際通用的、包括一切計(jì)量領(lǐng)域的單位制，叫做國(guó)際單位制，簡(jiǎn)稱SI。,在力學(xué)范圍內(nèi)，國(guó)際單位制規(guī)定長(zhǎng)度、質(zhì)量、時(shí)間為三個(gè)基本單位，它們的單位是米（m）、千克（kg）、秒（s）為基本單位。,在整個(gè)物理學(xué)中，國(guó)際單位制規(guī)定了七個(gè)基本單位。見(jiàn)下頁(yè),48,一、SI基本單位,單位制,49,單位制,常用的力學(xué)量的SI單位（導(dǎo)出單位）,50,例1 ：一個(gè)靜止在光滑水平面上的物體，質(zhì)量是7kg，在14N的恒力作用下，5s末的速度是多大？ 5s內(nèi)通過(guò)的路程是多大？,單位制在物理學(xué)中的應(yīng)用,在解題計(jì)算時(shí)，已知量均采用國(guó)際單位制，計(jì)算過(guò)程中不用寫(xiě)出各個(gè)量的單位，只要在式子末尾寫(xiě)出所求量的單位即可,1、簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程的單位表達(dá),物理情景,v0=0,物體在上述過(guò)程作勻變速直線運(yùn)動(dòng)嗎？為什么？,51,解：,統(tǒng)一單位制,有的同學(xué)，解題時(shí)，單位弄錯(cuò)，常常說(shuō)自己粗心。其實(shí)是單位制沒(méi)有掌握好。代入數(shù)據(jù)前應(yīng)統(tǒng)一單位制這點(diǎn)要形成習(xí)慣08,單位制在物理學(xué)中的應(yīng)用,52,結(jié)果對(duì)嗎？ 單位對(duì)，結(jié)果不一定對(duì)，但對(duì)結(jié)果可以“放心”一點(diǎn) 單位不對(duì)，結(jié)果則肯定不對(duì),物理公式既反映了各物理量間的數(shù)量關(guān)系，同時(shí)也確定了各物理量的單位關(guān)系因此，在解題中可用單位制來(lái)粗略判斷結(jié)果是否正確，如單位制不對(duì)，結(jié)