人教版（2003）高中物理必修二第六章万有引力与航天——经典力学的局限性

第六章　万有引力与航天第六节　经典力学的局限性物理·必修2（人教版） 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第一部分包括：“定义和注释”和“运动的基本定理或定律”。这部分虽然篇幅不大，却极为重要。第二部分是这些基本定律的作用，包括三篇：第一篇是研究万有引力的；第二篇是讨论介质对物体运动的影响；第三篇是“论宇宙系统”。 亚里士多德：经验主义：必须有力作用在物体上物体才能运动伽利略：理想实验（斜面）：物体保持运动不需要力维持笛卡尔：如果运动中物体没受到力，将以同一速度沿以直线运动。牛顿：牛顿定律（惯性定律，加速度定律，作用反作用定律）牛顿运动定律经典力学的发展过程 哥白尼：日心说第谷：20年精心观测数据开普勒研究第谷数据得三个定律胡克、哈雷进一步认识牛顿解决椭圆并延伸到万物间有力万有引力定律经典力学的发展过程 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。经典力学金字塔的建立开普勒牛顿经典力学的发展过程万有引力定律牛顿三大定律 火车从地面上物体的运动到天体的运动，从现代的交通工具到人造卫星、宇宙飞船等，这些运动都需要服从经典力学的规律。 飞机从地面上物体的运动到天体的运动，从现代的交通工具到人造卫星、宇宙飞船等，这些运动都需要服从经典力学的规律。 宇宙飞船从地面上物体的运动到天体的运动，从现代的交通工具到人造卫星、宇宙飞船等，这些运动都需要服从经典力学的规律。 到19世纪末，发现了许多经典力学无法解释的现象。 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。Fm一、经典力学受速度限制的分析根据质点的运动规律，应用牛顿力学可以准确地预测质点在某时刻的位置和速度。 1905年，出生于德国的美籍物理学家阿尔伯特·爱因斯坦（1879─1955）发表了狭义相对论。 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。AlbertEinstein世纪伟人 两个位于中心的圆哪个大？ 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时的质量c是真空中的光速——运动质量质量随速度增大而增大 这个关系式涉及两个不同的惯性参考系，而速度总是与位移（空间长度）及时间间隔的测量相联系。相对论认为，同一过程的位移和时间的测量在不同参考系中是不同的，因而上式不能成立。经典力学中速度叠加原理不再成立当火车未动乘客行走时,观察者认为乘客的速度为V2V1当火车以V1运动,乘客行走时,观察者认为乘客的速度为V2+V1 时间和空间是什么？ 时间和空间是什么？ 视频：通往未来的时间旅行 小球穿越略大于球的孔二、经典力学在分析宏观与微观的困难根据质点的运动规律，应用牛顿力学可以准确地预测质点在某时刻的位置 经典力学难以解释微观粒子的运动:科学家们发现,电子、质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性,同时还具有波动性,它们的运动在很多情况下不能用经典力学来说明。20世纪20年代量子力学的出现,才很好地揭示了微观世界的基本规律。普朗克创立量子力学 视频：普朗克创立量子力学 1.宏观世界粒子的运动特点：粒子具有确定的运动轨迹，根据质点的运动规律，应用牛顿力学可以准确地预测质点在某时刻的位置。2.微观粒子的运动特点：就单个粒子来说，其运动没有确定的运动轨迹，微观粒子既有粒子性，又有波动性。宏观世界与微观世界的区别经典力学(牛顿运动定律)在宏观世界中成立(适用),微观世界不适用。 利用万有引力定律可以解释天体的运动，并预言和发现了海王星和冥王星，首次把天上的星体运动规律与地面物体的运动规律统一起来． 水星近日点的进动视频： 按牛顿的万有引力定律推算，行星的运动应该是一些椭圆或圆，行星沿着这些椭圆或圆做周期性运动，与实际观测结果不符．其实际观测值比经典力学的预言值多．经典力学的解释不能令人满意．爱因斯坦根据广义相对论计算出水星近日点的旋进，同时还预言了光线在经过大质量的星体附近时，如经过太阳附近时会发生偏转现象．并且都被观测证实． 太阳我们有可能观测到太阳后面的恒星，最好的观测时间是发生日全食的时候．1919年5月29日，发生日全食，英国考察队分赴几内亚湾和巴西进行观测，证实了爱因斯坦的预言，这是对相对论的最早证实． （1）牛顿的万有引力定律认为：物体的半径减小时，其表面上的万有引力与半径的二次方成反比地增大，对于半径接近于零质点的物体，其表面上的万有引力接近于无穷大.（2）爱因斯坦理论认为：物体的半径减小时，其表面上的万有引力比二次方成反比规律增大得快，引力趋于无穷大发生在接近一个“引力半径”的时候.（3）只要天体的实际半径远大于它们的引力半径，那么由爱因斯坦和牛顿引力理论计算出的力的差异并不很大，但当天体的半径接近引力半径时，这种差异将急剧增大，这就是说，在强引力的情况下，牛顿引力理论将不再适用.牛顿万有引力定律与爱因斯坦引力理论的主要差异： 物体间的万有引力是弱引力，经典力学适用天体半径减小到一定程度时,天体间的引力非常大，属于强引力。经典力学不再适用。爱因斯坦广义相对论三、强引力作用下出现的问题 经典力学弱引力低速宏观强引力高速微观广义相对论狭义相对论量子力学相对论、量子力学和经典力学的关系：互为补充，互不矛盾，互不否定共同支撑起物理学科的骨架。小结：经典力学的适用范围 布置作业1、教材第53页“问题与练习”第1、2题2、完成[课时学案]中交流讨论的内容