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1、第 六 章 萬(wàn) 有 引 力 與 航 天 一、經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展歷程 1 . 伽 利 略 笛 卡 兒2 . 開(kāi) 普 勒3 .胡 克 哈 雷4 .牛 頓 1 、 “ 天 ” “ 地 ” 統(tǒng) 一2 、 學(xué) 科 交 叉3 、 對(duì) 自 然 科 學(xué) 和 科 技 的 發(fā) 展 、 社會(huì) 進(jìn) 步 具 有 深 遠(yuǎn) 影 響二、經(jīng)典力學(xué)的偉大成就 像 一 切 科 學(xué) 一 樣 ， 它 沒(méi) 有 也不 會(huì) 窮 盡 一 切 真 理 ， 它 也 有 自 己的 局 限 性 那 么 經(jīng) 典 力 學(xué) 在 什 么范 圍 內(nèi) 適 用 呢 ?有 怎 樣 的 局 限 性呢 ? 三、從低速到高速 例 如 ： 在 一 個(gè) 無(wú) 限大 的 光 滑 水
2、平 面 上 ，有 一 質(zhì) 量 為 m的 物 體 ，在 一 個(gè) 水 平 恒 力 F的作 用 下 ， 從 靜 止 開(kāi) 始運(yùn) 動(dòng) 。 Fm 愛(ài) 因 斯 坦 在 狹 義 相 對(duì) 論 中闡 述 了 物 體 以 接 近 光 速 運(yùn) 動(dòng)所 遵 循 的 規(guī) 律 ， 得 出 了 一 些不 同 與 經(jīng) 典 力 學(xué) 的 觀 念 和 結(jié)論 。1 、 在 經(jīng) 典 力 學(xué) 中 ， 物 體的 質(zhì) 量 是 不 隨 運(yùn) 動(dòng) 狀 態(tài) 改變 的 ， 而 狹 義 相 對(duì) 論 認(rèn) 為 ,物 體 的 質(zhì) 量 要 隨 物 體 運(yùn) 動(dòng)速 度 的 增 大 而 增 大 ， 即 0 221mm c= - v 質(zhì) 速 關(guān) 系 說(shuō) 明 0 221mm
3、 c= - vm0 為 靜 止 質(zhì) 量 ， m是 物 體 速 度 為 v時(shí) 的 質(zhì) 量 ，c是 真 空 中 的 光 速 特 別 提 醒 ：物 體 的 質(zhì) 量 是 它 的 固 有 屬性 ， 是 相 對(duì) 不 變 的 這 一結(jié) 論 成 立 的 前 提 是 物 體 做低 速 運(yùn) 動(dòng) ， 在 高 速 運(yùn) 動(dòng) 中物 體 的 質(zhì) 量 要 隨 運(yùn) 動(dòng) 速 度的 增 大 而 增 大 v水 岸船 水v 水 岸船 水船 岸 vvv 2.經(jīng) 典 力 學(xué) 中 速 度 疊 加 原 理 不 再 成 立 設(shè) 河 流 中 的 水 相 對(duì) 于 河 岸 的 速 度 為 ,船 相 對(duì) 于 水 的 速 度 為 ,則 在 經(jīng) 典 力 學(xué)
4、 中 ， 船 相 對(duì) 于 岸 的 速 度 為 愛(ài) 因 斯 坦 火 車(chē) : AB K 系中 點(diǎn) AB K 系中 點(diǎn)先 到 B點(diǎn)再 到 A點(diǎn) 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) 。 K 系DC K 系DC 經(jīng)典時(shí)空觀與相對(duì)論時(shí)空觀一、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) 。 經(jīng)典時(shí)空觀與相對(duì)論時(shí)空觀二、相對(duì)論時(shí)空觀時(shí)
5、 間 、 長(zhǎng) 度 和 質(zhì) 量 這 三 者 都 與 參 考 系 的 運(yùn) 動(dòng) 有 關(guān) 。1. 兩 條 基 本 假 設(shè) ：（1）不同慣性參考系，物理規(guī)律相同（2）光速不變.2. 狹 義 相 對(duì) 論 結(jié) 論 ：（1）同時(shí)是相對(duì)的（2）動(dòng)鐘變慢（3）動(dòng)尺變短（4）運(yùn)動(dòng)的物體質(zhì)量變大 不 敢 相 信 圖 中 的 橫 線 是 平 行 的 ? 兩 個(gè) 位 于 中 心 的 圓 哪 個(gè) 大 ？ Einstein 對(duì) 相 對(duì) 論 的 解 釋 : Albert Einstein世 紀(jì) 偉 人 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)天然放射線宏觀領(lǐng)域微觀世界 四、從宏觀到微觀 1 9 世 紀(jì) 末 到 2 0 世 紀(jì)
6、初 ， 人們 相 繼 發(fā) 現(xiàn) 了 電 子 、 質(zhì) 子 、 中子 等 微 觀 粒 子 ， 它 們 的 運(yùn) 動(dòng) 規(guī)律 不 能 用 經(jīng) 典 力 學(xué) 描 述 2 0 世 紀(jì) 2 0 年 代 ， 普 朗 克 建立 了 量 子 力 學(xué) 。 量 子 力 學(xué) 是 研究 微 觀 粒 子 的 運(yùn) 動(dòng) 規(guī) 律 的 物 理學(xué) 分 支 學(xué) 科 。 經(jīng) 典 力 學(xué) 不 適 用 于微 觀 粒 子 相 對(duì) 論 和 量 子 力 學(xué) 的 出 現(xiàn) ， 是 否 表示 經(jīng) 典 力 學(xué) 失 去 了 意 義 ? 相 對(duì) 論 和 量 子 力 學(xué) 的 出 現(xiàn) ， 說(shuō) 明 人類(lèi) 對(duì) 自 然 界 的 認(rèn) 識(shí) 更 加 廣 泛 和 深 入 ， 而不
7、表 示 經(jīng) 典 力 學(xué) 失 去 了 意 義 它 只 是 使人 們 認(rèn) 識(shí) 到 經(jīng) 典 力 學(xué) 有 它 的 適 用 范 圍 ：只 適 用 于 低 速 運(yùn) 動(dòng) ， 不 適 用 于 高 速 運(yùn) 動(dòng) ，只 適 用 于 宏 觀 世 界 ， 不 適 用 于 微 觀 世 界 。 五 、 從 弱 引 力 到 強(qiáng) 引 力 但 是 宇 宙 中 有 一 些 天 體 ， 例 如 白 矮 星 ，他 們 的 質(zhì) 量 接 近 太 陽(yáng) ， 半 徑 卻 與 地 球 差 不多 ， 因 此 密 度 高 達(dá) 1 0 8 1 0 1 0 kg/m3 ;中 子 星的 密 度 更 是 達(dá) 1 0 1 6 1 0 1 9 kg/m3 。 這
8、 些 天 體表 面 的 引 力 比 我 們 常 見(jiàn) 的 引 力 強(qiáng) 的 多 ， 牛頓 的 引 力 理 論 已 經(jīng) 不 適 用 了 。 1 、 實(shí) 際 的 天 文 觀 測(cè) ，行 星 的 運(yùn) 行 軌 道 并 不是 嚴(yán) 格 閉 合 的 ， 它 們的 近 日 點(diǎn) 在 不 斷 地 旋進(jìn) 經(jīng) 典 力 學(xué) 的 解 釋令 人 滿(mǎn) 意 嗎 ?用 什 么理 論 來(lái) 圓 滿(mǎn) 地 進(jìn) 行 了解 釋 ? 當(dāng) 引 力 趨 于 無(wú) 窮 大 時(shí) ， 被 壓 縮 天 體 半徑 接 近 的 值 “引 力 半 徑 ” 在 太 陽(yáng) 或 行 星 的 引 力 場(chǎng) 中 ， 由 愛(ài) 因 斯坦 和 牛 頓 的 理 論 計(jì) 算 出 的 力 的
9、差 異 并 不很 大 但 當(dāng) 天 體 的 實(shí) 際 半 徑 接 近 引 力 半徑 時(shí) ， 這 種 差 異 將 急 劇 增 大 這 就 是 說(shuō) ，在 強(qiáng) 引 力 的 情 況 下 ， 牛 頓 的 萬(wàn) 有 引 力 理論 將 不 再 適 用 2 、 何 為 天 體 的 引 力 半 徑 ? 歷 史 上 的 科 學(xué) 成 就 與 新 的 科 學(xué) 成 就 的 關(guān) 系 是 什 么 ? 歷 史 上 的 科 學(xué) 成 就 不 會(huì) 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 中 相對(duì) 論 和 量 子 力 學(xué) 都 沒(méi) 有 否 定 過(guò) 去 的 科 學(xué) ，而 只 認(rèn) 為 過(guò) 去 的 科 學(xué) 是 自 己 在 一 定 條 件下 的 特 殊 情 形 . 以 牛 頓 運(yùn) 動(dòng) 定 律 為 基 礎(chǔ) 的 經(jīng) 典 力 學(xué) 的 適 用 范 圍 是 什 么 ? 總 結(jié)經(jīng) 典 力 學(xué) 只 適 用 于 解 決 低 速 運(yùn) 動(dòng) 問(wèn) 題 ，不 能 用 來(lái) 處 理 高 速 運(yùn) 動(dòng) 問(wèn) 題 ， 經(jīng) 典 力學(xué) 只 適 用 于 宏 觀 物 體 ， 不 適 用 于 微 觀粒 子 ： 經(jīng) 典 力 學(xué) 只 適 用 于 解 決 弱 引 力問(wèn) 題 ， 不 能 用 來(lái) 處 理 強(qiáng) 引 力 問(wèn) 題
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