經(jīng)典力學(xué)的局限性.pptx

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1、第六章 萬有引力與航天經(jīng)典力學(xué)的局限性自然和自然的法則在黑暗中隱藏；上帝說，讓牛頓去吧！于是一切都被照亮。魔鬼說，讓愛因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。 力學(xué)熱學(xué)光學(xué)經(jīng)典物理聲學(xué)電磁學(xué)一、經(jīng)典物理模塊分類：1 7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)。1 7世紀(jì)初1 9世紀(jì)末是經(jīng)典物理學(xué)體系建立的關(guān)鍵時(shí)期 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： 牛頓萬有引力定律變量數(shù)學(xué)微積分牛頓三定律三、牛頓主要貢獻(xiàn) 經(jīng)驗(yàn)主義：必須有力作用在物體上物體才能運(yùn)動(dòng)理想實(shí)驗(yàn)（斜面）：物體保持運(yùn)動(dòng)不需要力維持如果

2、運(yùn)動(dòng)中物體沒受到力。將以同一速度沿以直線運(yùn)動(dòng)。牛頓定律（慣性定律，加速度定律，作用反作用定律） 哥白尼：日心說第谷：2 0年精心觀測(cè)數(shù)據(jù)開普勒研究第谷數(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物間有力 哥白尼、亞里士多德 牛頓所說：“如果說我看得遠(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 經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動(dòng)定律，萬有引力定律更確立了牛頓的地位，牛頓運(yùn)動(dòng)定律和萬有引力定律在宏觀、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1 6 8 7年出版的那天?！?第一部分

3、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 篇是研究萬有引力的；第二篇是討論介質(zhì)對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響；第三篇是“論宇宙系統(tǒng)” 。 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： 在宏觀低速的世界：一切都理所當(dāng)然？宏觀物體低速運(yùn)動(dòng)（遠(yuǎn)小于光速），經(jīng)典力學(xué)完全適用。時(shí)間和空間沒有聯(lián)系，相互獨(dú)立，與物體及其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都沒有關(guān)系。 當(dāng)一些問題(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能來解釋，為此牛頓花費(fèi)了后半生的心血，這正是牛頓的悲劇。物體的相關(guān)物理量（位移、質(zhì)量、大小等）與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都無關(guān)。

4、例如：船在水中流，水速2 m/s，船相對(duì)于水順流而下1 m/s，則船相對(duì)于岸3 m/s.例如：空間如大房間，提供運(yùn)動(dòng)舞臺(tái)，但不干擾演出，獨(dú)立于物體及其運(yùn)動(dòng)存在。例如：生活經(jīng)驗(yàn)：時(shí)間如長河，均勻流逝，任何都影響不了它，時(shí)間也是獨(dú)立的。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光速 隨著物體線性運(yùn)動(dòng)速度的加快，時(shí)間會(huì)變慢。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)，隨后進(jìn)行比較，地上的鐘表總比快速移動(dòng)的快。物體以接近光線運(yùn)行的火箭所表現(xiàn)出的長度會(huì)比它靜止時(shí)

5、更短，盡管乘坐火箭的人看來并沒有什么兩樣。愛因斯坦指出，任何物體以光速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其長度將會(huì)縮短為零。物體的質(zhì)量隨速度的增大而增大1 9 0 5年，愛因斯坦提出，物體高速時(shí)（接近光速），物體所占空間（如長度），物理、化學(xué)過程，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 不管你處于什么樣的物理狀態(tài)，你手里做實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果應(yīng)該都是一樣的。 不管你怎么運(yùn)動(dòng)，隨便取得一束光來測(cè)量速度其結(jié)果應(yīng)該都是一樣的 ，不可能超過光速。無論你坐在飛馳的火車?yán)镞€是靜止的躺椅中，光速都保持恒定，和你所處的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)。 四維空間：空間的三維和時(shí)間的一維，前后發(fā)生的兩件事情之間不單有一定的距離、也相差一

6、定的時(shí)間。比方：在某個(gè)物體上放個(gè)日歷，隨著物體運(yùn)動(dòng)和日歷的翻動(dòng)就能發(fā)現(xiàn)，該物體除了空間位置在變，其時(shí)間也是在不斷流逝的。狹義相對(duì)論 自然和自然的法則在黑暗中隱藏；上帝說，讓牛頓去吧！于是一切都被照亮。魔鬼說，讓愛因斯坦去吧！于是一切又回到 黑暗中。 趣例：當(dāng)你駕駛飛快的汽車通過一個(gè)門洞時(shí)，從你的角度來看這段距離要比實(shí)際距離短得多。這種情況在日常生活中經(jīng)常被忽略不被注意是因?yàn)槲矬w運(yùn)動(dòng)速度都很慢，長度收縮現(xiàn)象不明顯。 屋子中有兩盞燈，A站在兩盞燈中間，B以一定速度踩著滑板向一盞燈運(yùn)動(dòng)正好到達(dá)中間。當(dāng)兩燈同時(shí)打開時(shí)A看到的現(xiàn)象是兩燈同時(shí)亮，而B看到的卻是面對(duì)他的那盞先亮，背對(duì)他的那盞后亮。 你現(xiàn)在穿

7、的是2 5厘米的鞋，但在宇宙飛船上的人測(cè)得你穿的鞋的長度可能就只有2 0厘米了。 說船上的物體下落，從船上看是自由落體，從岸邊看就是平拋了 愛 因 斯 坦 火 車 : 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 上 的 觀 測(cè) 者 說 :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 先 到 達(dá) B點(diǎn) ， 后 到 A點(diǎn) 。 K系DC K系DC 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)長為1 0米的列車，A在車后部，B在車前部。當(dāng)列車以0 .6 c的高速度通過一個(gè)站

8、臺(tái)的時(shí)候,突然站臺(tái)上的人看到A先向B開槍,過了1 2 .5毫微秒,B又向A發(fā)射。因而站臺(tái)上的人作證：這場槍戰(zhàn)是由A挑起的。但是，車上的乘客卻提供相反的情況，他們說，是B先開槍，過了1 0毫微秒，A才動(dòng)手。事件是由B發(fā)動(dòng)的。到底是誰先動(dòng)手呢？沒有絕對(duì)的答案。在這個(gè)具體事件中，誰先誰后是有相對(duì)性的。在列車參考系中，B先A后，而在車站參考系中則是A先B后。甚至于飛船上的人可能會(huì)看到你先把蘋果吃了，再看到蘋果掉在了地上。 不敢相信圖中的橫線是平行的，不過它就是平行的 兩個(gè)位于中心的圓哪個(gè)大？其實(shí)一樣大的！ （ 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

9、 不變 的 ） 。 愛 因 斯 坦 指 出 ， 隨 著 物 體 （ 觀 察 者所 見 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) 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 （ 1） 相 對(duì) 時(shí) 間 0 21 tt vc （ 2） 相 對(duì) 長 度 愛 爾 蘭 物 理 學(xué) 家 佛 茲 杰 拉 德(1

10、8511901)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 度 會(huì) 比 它靜 止 時(shí) 更 短 ， 盡 管 乘 坐 火 箭 的 人 看 來并 沒 有 什 么 兩 樣 。愛 因 斯 坦 指 出 ， 任 何 物 體以 光 速 運(yùn) 動(dòng) 時(shí) ， 其 長 度 將 會(huì) 縮 短 為 零 。 （ 2） 相 對(duì) 長 度 2 0 1 vL L c （ 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0 21 mm vc 五、從宏觀到微觀1 9世

11、紀(jì)末-2 0世紀(jì)初，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)說明不了。愛因斯坦提出的光子的概念，認(rèn)為光既是電磁波，又是一份一份傳播的 原子中的電子只能在分立的特定軌道上運(yùn)動(dòng)，只有從一個(gè)軌道跳躍到另一個(gè)軌道。中間不連續(xù)。 任何物體都具有波動(dòng)性，你坐在椅子上，你是波動(dòng)的，有波長。物體的位置是不確定的，只能用幾率來反映。 六，從弱引力到強(qiáng)引力物體間的萬有引力是弱引力，經(jīng)典力學(xué)適用天體半徑減小到一定程度時(shí)(太陽的引力半徑為3 km，地球的引力半徑為1 m,如白矮星)，天體間的引力就趨于無窮大 ，強(qiáng)引力。黑洞這種極端條件下的宇宙天體。它有極強(qiáng)的吸

12、引力，黑洞本身的巨大質(zhì)量造成空間彎曲光之所以會(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,在紙上畫一條線,把那張紙扭曲,但展開后它還是一條線。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。愛因斯坦廣義相對(duì)論 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 （1）對(duì)證據(jù)的質(zhì)疑：水星旋進(jìn)數(shù)據(jù)觀測(cè)值：4 3秒/百年愛因斯坦計(jì)算相對(duì)論值：4 3 .0 3秒/百年最新相對(duì)論值（太陽非正球體）：3 9 .6

13、秒/百年 （2）對(duì)共設(shè)的質(zhì)疑：光速不可超越嗎？哲學(xué)：光速是否只是某一時(shí)空層次的極限速度？隨著目前認(rèn)識(shí)的宇觀世界更大結(jié)構(gòu)層次的發(fā)現(xiàn)，光速是否會(huì)被超越？例如：相對(duì)論是一定正確的嗎？例如：量子力學(xué)就不會(huì)錯(cuò)嗎？ 量子力學(xué)證明質(zhì)子是可分的，其半衰期約為三萬億年，說明其內(nèi)部是有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的。一旦進(jìn)入超微觀，新的時(shí)空層次會(huì)催生新的理論嗎？新的理論會(huì)代替量子力學(xué)嗎？ 美 國 有 一 名 12歲 的 小 男 孩 ， 他 的 智 商比 愛 因 斯 坦 還 高 據(jù) 外 國 媒 體 報(bào) 道 ， 在 美 國 有 一名 12歲 的 小 男 孩 ， 他 的 智 商 比 愛 因 斯坦 還 高 ， 達(dá) 170。 目 前 ， 他

14、正 在 印 第安 那 大 學(xué) 學(xué) 習(xí) ， 導(dǎo) 師 們 正 安 排 他 攻讀 博 士 學(xué) 位 。 這 名 “ 神 童 ” 名 叫 雅 各 布 .巴 內(nèi)特 。 他 在 一 個(gè) 星 期 里 教 自 己 學(xué) 會(huì) 了微 積 分 、 代 數(shù) 和 幾 何 等 學(xué) 科 ， 還 經(jīng)常 輔 導(dǎo) 自 己 的 大 學(xué) 同 學(xué) 。 現(xiàn) 在 ， 他開 始 著 手 挑 戰(zhàn) 愛 因 斯 坦 的 相 對(duì) 論 他 將 其 命 名 為 “ 愛 因 斯 坦 相 對(duì) 論擴(kuò) 展 版 ” 。 他 的 母 親 克 里 斯 汀 弄 不 清 兒 子 到 底 是 天 才 還 是 在 胡 說 ， 于 是 將 雅各 布 的 學(xué) 說 錄 像 寄 給 了

15、 普 林 斯 頓 附近 的 高 等 研 究 院 。 研 究 院 的 天 體 物理 學(xué) 家 斯 科 特 .特 里 梅 證 實(shí) 了 其 真 實(shí)性 。 他 在 給 雅 各 布 一 家 的 郵 件 里 寫道 ： “ 他 研 究 的 理 論 中 ， 包 含 有 幾個(gè) 最 深 奧 的 天 體 物 理 學(xué) 和 理 論 物 理學(xué) 難 題 。 任 何 解 決 這 些 問 題 的 人 ，都 會(huì) 得 到 諾 貝 爾 獎(jiǎng) 。 ” 克 里 斯 汀 對(duì) 媒 體 表 示 ， 雅 各 布的 學(xué) 識(shí) 一 定 不 是 遺 傳 于 自 己 ， 因 為“ 我 的 數(shù) 學(xué) 不 及 格 ” 。 不 單 是 克 里 斯 汀 ， 雅 各 布

16、 的 家人 數(shù) 學(xué) 都 不 好 。 他 就 曾 抱 怨 說 ：“ 我 每 次 和 家 里 人 討 論 數(shù) 學(xué) ， 他 們 就 茫 然 地 看 著 我 。 ” 報(bào) 道 稱 ， 雅 各 布 患 有 亞 斯 伯 格綜 合 征 和 輕 微 的 自 閉 癥 ， 一 直 到 2歲才 說 話 。 他 的 父 母 為 此 很 擔(dān) 心 。 直到 他 長 大 后 ， 他 們 才 知 道 兒 子 的 天分 。 雅 各 布 3歲 就 開 始 玩 5000片 的 拼圖 游 戲 ， 甚 至 研 究 了 州 公 路 地 圖 ，記 得 每 一 條 高 速 路 。 8歲 時(shí) ， 他 從 中 學(xué) 畢 業(yè) ， 參 加 了印 第 安

17、 納 大 學(xué) 與 普 渡 大 學(xué) 印 第 安 納波 利 斯 聯(lián) 合 分 校 的 天 體 物 理 學(xué) 高 級(jí)班 。 他 的 同 學(xué) 至 少 都 是 18歲 以 上 的 成年 人 ， 但 只 要 他 們 遇 到 了 問 題 ， 都會(huì) 來 找 雅 各 布 。 他 的 教 授 羅 斯 說 ， 雅 各 布 會(huì) 經(jīng) 常 在 課 間 來 找 自 己 ， 問 很 多 更 詳 細(xì)的 問 題 。 不 過 ， 天 才 總 會(huì) 付 出 一 些 “ 代價(jià) ” 。 雅 各 布 的 父 母 說 ， 他 晚 上 很難 睡 好 ， 腦 海 里 總 是 出 現(xiàn) 數(shù) 字 。 現(xiàn)在 ， 他 把 這 些 時(shí) 間 都 用 來 研 究 相

18、 對(duì)論 。 愛 因 斯 坦 給 后 人 的 信 一 天 ， 愛 因 斯 坦 正 在 撰 寫 光 電 效 應(yīng) 定 律的 論 文 ， 美 國 總 統(tǒng) 羅 斯 福 打 來 電 話 ， 讓 他給 年 后 的 人 們 寫 一 封 信 。 愛 因 斯坦 笑 了 ， 說 ： “ 總 統(tǒng) ， 您 真 會(huì) 開 玩 笑 ， 要我 寫 些 什 么 呢 ？ ” 羅 斯 福 非 常 鄭 重 地 說 ： “ 把 我 們 這 個(gè) 時(shí)代 人 們 的 思 想 和 科 學(xué) 的 發(fā) 展 ， 告 訴 年 后 的 人 們 ， 讓 他 們 對(duì) 我 們 有 所 了解 。 ” “ 這 樣 的 信 ， 即 使 寫 了 也 沒 法 寄啊 ！ ”

19、 愛 因 斯 坦 說 ， “ 沒 有 這 樣 的 郵 差 。 ” “ 這 個(gè) ， 我 考 慮 過 。 ” 羅 斯 福 成 竹 在 胸 ，“ 有 的 。 我 們 給 他 們 做 一 個(gè) 安 全 固 定 的 信箱 ， 年 后 ， 他 們 到 那 里 去 取 就 是 了 ”愛 因 斯 坦 饒 有 興 趣 地 點(diǎn) 點(diǎn) 頭 說 ：“ 還 是 總 統(tǒng) 有 辦 法 。 ” 羅 斯 福 年 任 美 國 第 屆 總 統(tǒng) ，業(yè) 績 輝 煌 。 他 所 以 叫 愛 因 斯 坦 給 年 后 的 人 們 寫 信 ， 要 的 是 名 人 效 應(yīng) 。 愛 因斯 坦 是 偉 大 的 科 學(xué) 家 ， 在 物 理 學(xué) 的 許 多

20、 方面 做 出 了 卓 越 的 貢 獻(xiàn) ， 特 別 是 相 對(duì) 論 ， 揭示 了 空 間 時(shí) 間 的 辯 證 關(guān) 系 ， 無 論 在 科 學(xué)上 還 是 在 哲 學(xué) 上 ， 都 具 有 重 要 的 歷 史 意 義 。 年 月 日 ， 愛 因 斯 坦 寫 了 致 后 人 書 “ 我 們 的 時(shí) 代 富 于 創(chuàng) 造 思 想 。 我 們 的發(fā) 現(xiàn) 本 應(yīng) 該 可 以 大 大 地 使 我 們 的 生 活 輕 松愉 快 。 我 們 利 用 電 能 橫 渡 大 洋 。 我 們 使 用電 能 來 減 輕 人 類 的 繁 重 的 體 力 勞 動(dòng) 。 我 們學(xué) 會(huì) 了 飛 行 。 我 們 利 用 電 波 很 容

21、易 地 把 消息 發(fā) 到 全 球 各 地 去 。 ” “ 但 是 ， 雖 然 有 著 這 一 切 ， 我 們 的 商品 的 生 產(chǎn) 和 分 配 是 完 全 無 組 織 的 ， 人 們 必須 生 活 在 憂 慮 中 ， 擔(dān) 心 被 人 從 經(jīng) 濟(jì) 生 活 中拋 出 ， 失 去 一 切 。 除 此 之 外 ， 生 活 在 不 同 國 家 中 的 人 們 每 隔 一 個(gè) 長 短 不 等 的 時(shí) 間 就要 進(jìn) 行 互 相 殺 戮 ， 因 此 ， 每 一 個(gè) 想 到 未 來的 人 必 然 都 生 活 在 經(jīng) 常 的 憂 慮 中 。 ” “ 我 相 信 ， 我 們 的 后 人 將 懷 著 一 種 理所 當(dāng)

22、 然 的 優(yōu) 越 感 讀 上 面 這 幾 行 文 字 吧 。 ” 愛 因 斯 坦 的 這 封 給 后 人 的 信 是 用 特 制的 墨 水 和 紙 寫 成 的 。 與 其 它 的 文 件 一 起 裝進(jìn) 一 個(gè) 特 制 的 鋼 體 里 ， 埋 入 紐 約 當(dāng) 時(shí) 準(zhǔn) 備動(dòng) 工 興 建 的 國 際 博 覽 會(huì) 建 筑 地 基 下 面 米 的 花 崗 巖 洞 內(nèi) ， 地 面 立 有 一 碑 柱 ， 要 人們 在 年 后 ， 即 公 元 年 取出 鋼 體 內(nèi) 的 東 西 。 愛 因 斯 坦 的 致 后 人 書 ， 許 多 報(bào) 刊上 登 過 ， 年 后 的 人 們 如 果 只 想 讀到 這 封 信 ， 根 本 用 不 著 去 碰 國 際 博 覽 會(huì) 地基 下 的 那 顆 “ 定 時(shí) 炸 彈 ” 。