7.5 经典力学的局限性 课件 -2023-2024学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册

第七章 万有引力与航天 5 经典力学的局限性 2 伽利略、第谷 哥白尼、亚里士多德 笛卡尔、胡克、哈雷等 如果说我看得远，那是因为我站在巨人们的肩上。 ——牛顿 经典力学金字塔的建立 开普勒 牛顿 经典力学的发展过程 经典力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律更是树立了人们对牛顿物理学的尊敬。 物理学家杨振宁曾赞颂到：“如果一定要举出某个人、某一天作为近代科学诞生的标志，我选牛顿《自然哲学的数学原理》在1687年出版的那一天。” 牛顿的《自然哲学的数学原理》被评价为科学史上最伟大的著作 经典力学的发展过程 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，面且具有波动性，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。 对牛顿运动定律受参考系限制的认识 可见，在非惯性系中，牛顿定律不再成立。 经典力学的局限性 一、从低速到高速 如：在一个无限大的光滑水平面上，有一质量为m的物体，在一个水平恒力F的作用下，从静止开始运动。根据牛顿第二定律可知物体将以加速度a=F/m做匀加速直线运动。 由运动学公式可知：物体的速度v=at 推理：随着时间的推移，物体的速度不断增大，最终可使物体获得任意速度。但事实并非如此，常识告诉我们，物体运动速度是有极限的，现在已知的最大速度是光速，且现在也无法使物体运动超越这个速度。速度远小于光速时，经典力学完全适用。当物体的速度接近光速时，经典力学就不适用了。 F m 经典力学受速度限制的分析 伽利略和牛顿的绝对时空观认为，同一物体运动的时间和长度（位移）在不同的参考系中，测量结果是相同的。 牛顿力学的绝对时空观 绝对的，真正的和数学的时间自己流逝着，并由于它的本性而均匀的与任何外界对象无关的流逝着——牛顿 绝对空间，就其本质来说，独立于外界任何事物，总是始终如一和静止不动的——牛顿 经典力学的局限性 1905年，26岁的德裔美籍物理学家阿尔伯特·爱因斯坦（1879─1955）发表了狭义相对论。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而变化。 二、从低速到高速 什么是低速，什么是高速？ 通常所见的物体的运动皆为低速运动，如行驶的汽车，发射的导弹、人造卫星及宇宙飞船等。 与光速相接近的速度称为高速，有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近。 一、从低速到高速 时延（钟慢）——时间膨胀 通过这两条假设，爱因斯坦出了很多奇葩的结论，比如：时间膨胀。说的是，如果你想对于我高速运动，那我看你的时间就会变慢，这种变慢可以理解成，如果你在高速的飞船里做操，那我这里看到的就是你在慢动作做操。而你自己其实感觉到的时间是正常流逝。所以，是以我参考系看你时间膨胀了。如果你也看到，你也会发现我的时间也变慢了，因为我想对于你也是在高速运动的。 尺缩（矮胖）——尺度缩短 高速运动状态下，空间发生变化。以下就是0.1倍光速，0.8倍光速和0.95倍光速的情况 相对质量 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 m0为物体静止时的质量 m是物体速度为v时的长度 c是真空中的光速 ——动质量增大 二、从低速到高速 能否将一物质的速度加速至光速？ 质量随速度增大而增大 二、从低速到高速 除了时间膨胀，还有尺缩效应，其实说的是如果你相对于我高速运动，那你的尺寸会缩短。你会发现，为什么要么和时间，要么和长度（空间）有关，这其实就和狭义相对论要统一的对象有关，狭义相对论统一了时间和空间。爱因斯坦认为时间和空间并不是分离的两个物理量，它们会受到运动的影响。所以，我们要把它们结合起来研究，并称为时空。由于我们生活在三维的空间内，所以也可以叫做三维时空。而光速则是三维时空的一个特殊属性，描述了两个事件之间的时空间隔。说得直白点就是，你看到镜子里的自己永远都是过去的自己. 因为这里要经历跑光到镜面再跑回来，所以过去影响现在，现在影响未来，在光能跑到的范围内，都会影响到未来，有一句很文艺的话就是：光锥即命运。说的就是这道理。 趣例 当你驾驶飞快的汽车通过一个门洞时，从你的角度来看这段距离要比实际距离短得多。这种情况在日常生活中经常被忽略不被注意是因为物体运动速度都很慢，长度收缩现象不明显.。 屋子中有两盏灯，A站在两盏灯中间，B以一定速度踩着滑板向一盏灯运动正好到达中间。当两灯同时打开时A看到的现象是两灯同时亮，而B看到的却是面对他的那盏先亮，背对他的那盏后亮。 你现在穿的是25厘米的鞋，但