经典力学的局限性.ppt

,静力学(描述静止物体),运动学(描述物体运动),动力学(描述物体受力作 用下的运动),经典力学 (牛顿力学),经典力学模块分类,科学家对经典力学的贡献,由牛顿力学定律导出的动量守恒定律、机械能守恒律等是航空航天技术理论的基础。火箭、人造地球卫星、航天飞机、宇宙飞船、行星探测器等航天器的发射,都是牛顿力学规律的应用范例,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力定律在宏观、低速、弱引力的广阔领域,经受实践检验。,一、从宏观到微观,19世纪末到20世纪初，人们相继发现了电子、质子、中子等微观粒子，发现它们不仅具有粒子性，而且具有波动性，它们的运动规律不能用经典力学描述 20世纪20年代，建立了量子力学，它能够正确地描述微观粒子运动的规律性，并在现代科学技术中发挥了重要作用。,物理学史上的三大发现:伦琴发现X射线、汤姆生发现电子 、贝克勒耳发现天然放射线,使物理学的研究从宏观领域进入了微观世界。人们发现,微观粒子所表现出的现象用经典物理理论根本无法解释。,相对论和量子力学的出现，是否表示经典力学失去了意义? 相对论和量子力学的出现，说明人类对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，只适用于宏观世界，不适用于微观世界。,20世纪20年代，海森堡、薛定谔、玻尔、玻恩、狄拉克等物理学家建立了量子力学。薛定谔力图用数学形式来描述物质的波粒二象性，他从麦克斯韦的光的电磁学说得到启发,找到了描述物质波的方程，这就是著名的薛定谔方程。这个方程既描述了电子的物质波的行为，又含有电子的粒子性的特征。,关于量子力学,量子力学出现以后，在说明原子结构方面迅速取得了巨大的成功，很快地被物理学家所接受。现在它的应用已远远超出原子结构的范围，成为物理学家研究微观世界的基本理论工具。,二、从低速到高速,1、质速关系 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，物体的质量随速度的增大而增大，即 其中m0为静止质量，m是物体速度为v时的质量，c是真空中的光速。,例如： (1)v0.8c时，物体的质量约增大到静止质量的1.7倍，这时经典力学就不再适用了。 (2)如地球以v30kms的速度绕太阳公转时，m=1.000000005mo，它的质量增大十分微小，可以忽略不计。,狭义相对论：这个理论指出在宇宙中唯一不变的是光线在真空中的速度,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。,爱因斯坦,狭义相对论,(一)经典时空观(绝对时空观),(1)同时的绝对性,(2)时间间隔的绝对性,(3)空间距离的绝对性,时间、长度和质量这三者都与参考系的运动无关。,(二)相对论时空观,(1)同时是相对的,(3)动尺变短,(4)运动的物体质量变大,(1)不同惯性参考系,物理规律相同,1、两条基本假设,(2)任何惯性系,光速不变,2、狭义相对论结论,(2)动钟变慢,时间、长度和质量这三者都与参考系的运动有关。,三、强引力作用与弱相互作用 牛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:水星的公转轨道在不断旋进,其实际观察值要比经典力学的预言值大。1915年,爱因斯坦创立的广义相对论对此则能作出很好的解释,同时还预言光线经过大质量星体附近时会发生偏转,且已被观测证实。 另外,根据牛顿的理论,当天体被压缩成半径几乎为0的一个点时,引力趋于无穷大;而爱因斯坦的理论则认为,引力趋于无穷大发生在半径接近一个“引力半径“的时候,这个引力半径的值由天体的质量决定。当天体的实际半径接近引力半径时,由爱因斯坦和牛顿引力理论计算出的力的差异急剧增大,在强引力情况下牛顿引力理论不再适用。,牛顿运动定律只适用于弱引力,在强引力的作用下,牛顿的引力理论不再成立。,经典力学只适用于低速、宏观、弱引力的情况。 当物体的速度远小于光速c时,相对论物理学和经典物理学的结论没有区别。 当另一个重要的常数即“普朗克常量“可以忽略不计时,量子力学和经典力学的结论没有区别。,经典力学,狭义相对论,广义相对论,量子力学,互为补充,互不矛盾,互不否定共同支撑起物理学科的骨架。,宏观低速,高速,微观世界,强引力,牛顿的科学方法 “科学足迹“中总结了牛顿的科学方法,这些科学方法值得我们借鉴。 重视实验:重视实验,从归纳入手,这是牛顿科学方法论的基础。 逻辑推论:为了归纳成功,不仅需要大量的可靠资料与广博的知识,而且要有清晰的逻辑头脑。 数学归纳:事物之间的本质联系只有通过数学才能归纳为能够测量、应用和检验的公式和定律。,Einstein对相对论的解释,当你和一个漂亮姑娘在一起坐一小时,你感觉只坐了一分钟,当你坐在火炉旁一分钟,就好象坐了一小时,这就是相对论。,补充内容,1.狭义相对论的两个基本假设 狭义相对论的整套理论是基于以下两个基本假设之上的： a.爱因斯坦相对性原理:在不同的参考系中,一切物理规律都是相同的。 b.光速不变原理:真空中的光速在不同的参考系中都是相同的。,2.时间的相对性钟慢效应,式中v是运动物体的速度,c是真空中的光速,t是运动体中的观察者观察到的时间间隔,t是地面上的观察者观察到的时间间隔。,由于 t,即运动体中的观察者观察到的时间间隔变短了,从地面上观察运动物体的时间变慢了。这就是所谓的“钟慢效应“ 。,时间的相对性符合以下规律:,3.空间的相对性尺缩效应,式中v是运动物体的速度,c是真空中的光速,L是运动体中的观察者测得的长度,L是地面上的观察者测得的长度。,1,所以LL,即地面上的观察者,观察到运动体的长度变短了,这就是所谓的“尺缩效应“ 。,由于,空间的相对性符合以下规律:,4.相对论