《經(jīng)典力學(xué)的局限性》云2課件1

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1、6.6經(jīng) 典 力 學(xué) 的 局 限 性 1905年 ， 出 生 于 德 國 的 美籍 物 理 學(xué) 家 阿 爾 伯 特 愛因 斯 坦 （ 1879 1955）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 度 、 質(zhì) 量 和 經(jīng) 過 的時(shí) 間 ， 都 隨 觀 察 者 的 參 考系 （ 特 定 觀 察 ） 而 變 化 。 1.物 體 的 質(zhì) 量 與 運(yùn) 動(dòng) 速 度 有 關(guān) 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 。 但 是 ， 按

2、照 20世 紀(jì) 初 著 名 物 理 學(xué) 家愛 因 斯 坦 建 立 的 狹 義 相 對(duì) 論 ， 質(zhì) 量 要 隨 物 體運(yùn) 動(dòng) 速 度 的 增 大 而 增 大 。 物 體 的 質(zhì) 量 與 運(yùn) 動(dòng)速 度 的 關(guān) 系 是 ，式 中 m0是 物 體 靜 止 時(shí) 的 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 。 2201 cvmm 可 見 ， 當(dāng) v c時(shí) ， mm0； 當(dāng) v趨 近 于 c時(shí) ，m趨 近 于 無 窮 大 。 因 此 ， 當(dāng) 物 體 的 速 度 遠(yuǎn) 小于 真 空 中 的 光 速 時(shí) ， 經(jīng) 典 力 學(xué) 完 全 適 用 ；當(dāng) 物 體 的 速 度

3、 接 近 光 速 時(shí) ， 經(jīng) 典 力 學(xué) 就 不適 用 了 。 4.經(jīng) 典 力 學(xué) 難 以 解 釋 微 觀 粒 子 的 運(yùn) 動(dòng) 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(shí) 還 具 有 波 動(dòng) 性 ， 它 們的 運(yùn) 動(dòng) 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 。 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

4、 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) 中 ， 船 相 對(duì) 于 岸 的 速 度 為 這 似 乎 是 天 經(jīng) 地 義 的 。 但 是 ， 這 個(gè) 關(guān) 系 式 涉 及 兩個(gè) 不 同 的 慣 性 參 考 系 ， 而 速 度 總 是 與 位 移 （ 空 間長 度 ） 及 時(shí) 間 間 隔 的 測(cè) 量 相 聯(lián) 系 。 相 對(duì) 論 認(rèn) 為 ，同 一 過 程 的 位 移 和 時(shí) 間 的 測(cè) 量 在 不 同 參 考 系 中 是不 同 的 ， 因 而 上 式 不 能 成 立 。（ 矢 量 和 ） 3.兩 種 不 同 的 時(shí) 空 觀 本 節(jié)

5、教 材 在 “ 科 學(xué) 漫 步 ” 欄 目 時(shí) 間 和 空間 是 什 么 ？ 一 文 中 提 到 了 牛 頓 和 愛 因 斯 坦 的兩 種 不 同 的 時(shí) 空 觀 。 牛 頓 認(rèn) 為 ： 空 間 是 獨(dú) 立 于 物 體 及 其 運(yùn) 動(dòng) 而存 在 的 ， 時(shí) 間 也 是 獨(dú) 立 于 物 體 及 其 運(yùn) 動(dòng) 而 存 在的 ， 這 是 一 種 經(jīng) 典 時(shí) 空 觀 。 愛 因 斯 坦 則 認(rèn) 為 ： 在 研 究 物 體 的 高 速 運(yùn) 動(dòng) （ 速度 接 近 真 空 中 的 光 速 ） 時(shí) ， 物 體 的 長 度 即 物 體 占有 的 空 間 ， 以 及 物 理 過 程 、 化 學(xué) 過 程 ， 甚 至

6、還 有生 命 過 程 的 持 續(xù) 時(shí) 間 ， 都 與 它 們 的 運(yùn) 動(dòng) 狀 態(tài) 有 關(guān) ，空 間 與 時(shí) 間 不 再 與 物 體 及 其 運(yùn) 動(dòng) 無 關(guān) 而 獨(dú) 立 存 在 。這 是 一 種 嶄 新 的 時(shí) 空 觀 。 5.強(qiáng) 引 力 作 用 下 出 現(xiàn) 的 問 題 牛 頓 的 萬 有 引 力 定 律 取 得 了 巨 大 的 成 就 ， 但 在 一 些問 題 上 也 遇 到 了 困 難 。 例 如 ： 水 星 的 公 轉(zhuǎn) 軌 道 在 不 斷旋 進(jìn) （ 參 見 教 材 圖 7.6-1） ， 其 實(shí) 際 觀 察 值 要 比 經(jīng) 典力 學(xué) 的 預(yù) 言 值 多 。 1915年 ， 愛 因 斯 坦 創(chuàng)

7、 立 的 廣 義 相對(duì) 論 對(duì) 此 則 能 作 出 很 好 的 解 釋 ， 同 時(shí) 還 預(yù) 言 光 線 經(jīng) 過大 質(zhì) 量 星 體 附 近 時(shí) 會(huì) 發(fā) 生 偏 轉(zhuǎn) ， 且 已 被 觀 測(cè) 證 實(shí) 。 另 外 ， 根 據(jù) 牛 頓 的 理 論 ， 當(dāng) 天 體 被 壓 縮 成 半 徑 幾 乎為 0的 一 個(gè) 點(diǎn) 時(shí) ， 引 力 趨 于 無 窮 大 ； 而 愛 因 斯 坦 的 理論 則 認(rèn) 為 ， 引 力 趨 于 無 窮 大 發(fā) 生 在 半 徑 接 近 一 個(gè) “ 引力 半 徑 ” 的 時(shí) 候 ， 這 個(gè) 引 力 半 徑 的 值 由 天 體 的 質(zhì) 量 決定 。 當(dāng) 天 體 的 實(shí) 際 半 徑 接 近

8、引 力 半 徑 時(shí) ， 由 愛 因 斯 坦和 牛 頓 引 力 理 論 計(jì) 算 出 的 力 的 差 異 急 劇 增 大 ， 在 強(qiáng) 引力 情 況 下 牛 頓 引 力 理 論 不 再 適 用 。 三. 狹義相對(duì)論的基本原理 相 對(duì) 時(shí) 間 0 21 tt vc 相 對(duì) 長 度 2 0 1 vL L c 相 對(duì) 質(zhì) 量 0 21 mm vc Einstein 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 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 。 Albert E

9、instein世 紀(jì) 偉 人 17 世 紀(jì) 牛 頓 力 學(xué) 構(gòu) 成 了 體 系 . 可 以 說 ， 這是 物 理 學(xué) 第 一 次 偉 大 的 綜 合 . 牛 頓 建 立 了 兩 個(gè)定 律 ， 一 個(gè) 是 運(yùn) 動(dòng) 定 律 ， 一 個(gè) 是 萬 有 引 力 定 律 ，并 發(fā) 展 了 變 量 數(shù) 學(xué) 微 積 分 ， 具 有 解 決 實(shí) 際 問 題的 能 力 . 他 開 拓 了 天 體 力 學(xué) 這 一 科 學(xué) ， 海 王 星和 冥 王 星 的 發(fā) 現(xiàn) 就 充 分 顯 示 了 這 一 點(diǎn) . 牛 頓 經(jīng) 典 力 學(xué) 的 局 限 性適 用 于 低 速 ， 宏 觀 ， 弱 引 力 物 體 注 意 ： 經(jīng) 典

10、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(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 ； 只 適 用 于 弱 引 力 情 況 ， 不 適 用 于 強(qiáng) 引 力 情 況 。 （ 對(duì) 于 高 速 運(yùn) 動(dòng) （ 速 度 接 近 真 空 中 的 光 速 ） ， 需 要應(yīng) 用 愛 因 斯 坦 的 相 對(duì) 論 。 當(dāng) 物 體 的 運(yùn) 動(dòng) 速 度 遠(yuǎn) 小 于 真空 中 的 光 速 時(shí) ， 相 對(duì) 論 物 理 學(xué) 與 經(jīng) 典 物 理 學(xué) 的 結(jié) 論 沒有 區(qū) 別 。 對(duì) 于 微 觀 世 界

11、 ， 需 要 應(yīng) 用 量 子 力 學(xué) 。 當(dāng) 普 朗 克 常 數(shù)可 以 忽 略 不 計(jì) 時(shí) ， 量 子 力 學(xué) 和 經(jīng) 典 力 學(xué) 的 結(jié) 論 沒 有 區(qū)別 。 對(duì) 于 強(qiáng) 引 力 情 況 ， 需 要 應(yīng) 用 愛 因 斯 坦 引 力 理 論 。 當(dāng)天 體 的 實(shí) 際 半 徑 遠(yuǎn) 大 于 它 們 的 引 力 半 徑 時(shí) ， 愛 因 斯 坦引 力 理 論 和 牛 頓 引 力 理 論 計(jì) 算 出 的 力 的 差 異 并 不 很大 ） 。 7.牛 頓 的 科 學(xué) 方 法 本 節(jié) 教 材 在 “ 科 學(xué) 足 跡 ” 欄 目 牛 頓 的 科 學(xué)生 涯 一 文 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(shí) 驗(yàn) ： 重 視 實(shí) 驗(yàn) ， 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(shí) ， 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(cè) 量 、 應(yīng) 用 和 檢 驗(yàn) 的公 式 和 定 律 。