1、第六章第六章 万有引力与航天万有引力与航天6.6经典力学的局限性经典力学的局限性自然和自然的法则自然和自然的法则在黑暗中隐藏；上在黑暗中隐藏；上帝说，让牛顿去吧！帝说，让牛顿去吧！于是一切都被照亮。于是一切都被照亮。魔鬼说，让爱因斯魔鬼说，让爱因斯坦去吧！于是一切坦去吧！于是一切又回到黑暗中。又回到黑暗中。瞬间一别路漫漫，但觉未过光速关。钟尺合须静里用，云山偏向动中看。时空相对非虚语，质能并增岂等闲。权将电波传信息，只缘相见难上难。跨箭相期星际游，一别瞬息见三秋。动境钟尺多疑难，因果规律乃存留。质能守恒惊人数，时空相对尽眼收。权将光波通信息，归来尚须苦作舟。国别国别生活年生活年代代古希腊，约公
2、古希腊，约公元前元前384公元公元前前322年年意大利，意大利，15641642年年法国，法国，15961650年年荷兰，荷兰，16291695年年英国，英国， 16421727年年主要的主要的科学研科学研究方法究方法观察、思维、观察、思维、推理推理观察实验、假观察实验、假设、数学推理设、数学推理三者相结合三者相结合实验观察、实验观察、数学推理数学推理实验、数实验、数学推理学推理归纳与演归纳与演绎、综合绎、综合与分析、与分析、实验观察实验观察等等力学方力学方面的主面的主要成就要成就两个反面的结两个反面的结论：论：力是维持物力是维持物体运动的原因。体运动的原因。重的物体比重的物体比轻的物体下落轻
3、的物体下落得快。得快。自由落体运自由落体运动规律动规律力学相对性力学相对性原理原理惯性定律惯性定律制成了制成了世界上第世界上第一架计时一架计时摆钟。摆钟。测量出测量出重力加速重力加速度的值。度的值。三大运三大运动定律、动定律、万有引万有引力定律。力定律。 1717世纪牛顿力世纪牛顿力学构成了体系。可以说，学构成了体系。可以说，这是物理学第一次伟大这是物理学第一次伟大的综合。牛顿建立了两的综合。牛顿建立了两个定律个定律: :一个是运动定一个是运动定律律, ,一个是万有引力定一个是万有引力定律，并发展了变量数学律，并发展了变量数学微积分，具有解决实际微积分，具有解决实际问题的能力。他开拓了问题的能
4、力。他开拓了天体力学，海王星和冥天体力学，海王星和冥王星的发现就充分显示王星的发现就充分显示了这一点了这一点 . .静力学静力学(描述静止物体描述静止物体)运动学运动学(描述物体运动描述物体运动)动力学动力学(描述物体受力作描述物体受力作用下的运动用下的运动)经典力学经典力学(牛顿力学牛顿力学)经典力学模块分类牛顿伽利略、第谷哥白尼、亚里士多德笛卡尔、胡克、哈雷等牛顿所说: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万有引力定律牛顿三大定律力学力学热学热学光学光学经典物经典物理理声学声学电磁学电磁学经典物理模块分类：经典物理模块分类：17世纪前在观察世纪前在观察与哲学
5、的猜测上与哲学的猜测上对天文、力、热、对天文、力、热、声、光有了一定声、光有了一定认识。认识。17世纪初世纪初19世纪末世纪末是经典物理学体系建是经典物理学体系建立的关键时期立的关键时期1.牛顿运动三定律和万有引力定律把天体的运动与地上物体的运动统一起来，是人类对自然界认识的第一次大综合，是人类认识史上的一次重大飞跃.2. 经典力学与天文学相结合建立了天体力学；经典力学和工程实际相结合，建立了应用力学，如水利学，材料力学、结构力学等4.18世纪60年代，力学和热力学的发展及其与生产的结合，使机器和蒸汽机得到改进和推广，引发了第一次工业革命.5.由牛顿力学定律导出的动量守恒定律、机械能守恒定律等
6、，是航空航天技术的理论基础.火箭、人造地球卫星、航天飞机、宇宙飞船、行星探测器等航天器的发射，都是牛顿力学规律的应用范例.假如你驾驶一辆时速为100 km/h的越野车，一位乘客以相对你10 km/h的速度用弹弓射击前面的岩石，那么弹珠的实际速度就应该是110 km/h. 可是，如果打开前车灯，按照常识，光速是1.079 145 km/h，加上车的运动速度，光的实际速度应该大于1.079 145 km/h，可实际测量光速还是1.079 145 km/h，为什么同样的参考系光和实际物体得到的结果不同呢？ 109109109问题来了一问题来了一经典物理学上空的两朵乌云 19世纪末、20世纪初，物理学
7、有两个发现，一是美国人迈克尔逊和莫雷的试验，证明绝对静止的空间是不存在的。而牛顿力学的前提是物体的运动与空间和时间没有关系，即时间和空间在牛顿那里是绝对静止的。二是高温物体辐射形成的光谱分析，即黑体辐射问题。经典物理学不能解释光谱分析中所发现的现象。这两个发现使得经典物理学在新的实践面前无能为力，原有的严密的体系出现了漏洞。因此被人们称为“物理学上空的两朵乌云”。 时间和空间时间和空间是什么？是什么？(一)经典时空观(绝对时空观)(1)同时的绝对性(2)时间间隔的绝对性(3)空间距离的绝对性 时间、长度和质量这三者都与参考系 的运动无关。一、从低速到高速(二)相对论时空观(1)不同惯性参考系,
8、物理规律相同1、两条基本假设(2)任何惯性系,光速不变爱因斯坦火车爱因斯坦火车:ABK系系中点中点ABK系系中点中点先到先到B点点再到再到A点点同时到达同时到达A、B火车上的观测者说火车上的观测者说: :光源在光源在ABAB的中点的中点, ,应同时到达应同时到达A A、B B两点两点. .地面上的人看见先到达地面上的人看见先到达B B点，后到点，后到A A点。点。K系系DCK系系DC(二)相对论时空观(1)同时是相对的2、狭义相对论结论例如：在地球上不同地方同时出生的两个婴儿，在一个相对地球高速飞行的飞船上来看，他们不一定是同时出生的。甲出生于：x1，t1；乙出生于：x2，t2 若x2- x1
9、=3000km，t2- t1=0.06s 结论：甲哥哥，乙弟弟 若飞船上看，v=0.6c，t2- t1=0，甲乙同时出生 v=0.8c，t2 t1=0，甲弟弟，乙哥哥 同时性的相对性否定了各个惯性系具有统一时间的可能性，否定了牛顿的绝对时空观。(二)相对论时空观(1)同时是相对的(2)运动的物体质量变大2、狭义相对论结论 在经典力学中,物体的质量是不随运动状态改变的。但是,按照20世纪初著名物理学家爱因斯坦建立的狭义相对论,质量要随物体运动速度的增大而增大。物体的质量与运动速度的关系: 式中m0是物体静止时的质量,m是物体速度为v时的质量,c是真空中的光速 。0221mmvc 可见,当vc时,
10、mm0;当v趋近于c时,m趋近于无穷大。因此,当物体的速度远小于真空中的光速时,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。 0221mmvc 经典力学(牛顿运动定律)在低速运动的物体(低速世界)中成立(适用)。(二)相对论时空观(1)同时是相对的(2)运动的物体质量变大2、狭义相对论结论(3)动钟变慢例如：孪生子效应： 哥哥风华正茂 弟弟白发苍苍 中国神话：天上一日，地下一年有加速度的人会变年轻生命过程将进行缓慢，不易衰老， 对身体有好处。 -生命在于运动2201cvtt(二)相对论时空观(1)同时是相对的(2)运动的物体质量变大2、狭义相对论结论(3)动钟变慢(4)动尺变
11、短时间、长度和质量这三者都与参考系的运动有关。2201cvll经典时空观 狭义相对论时空观光速同时时间与空间质量相对的绝对的(不变)绝对的与运动无关,绝对的与运动无关,不变的相对的与运动有关,相对的随速度增加而增大经典时空观与相对论时空观不敢相信图中的横线是平行的,不过它就是平行的 两个位于中心的圆哪个大?其实一样大的! 经典物理学在解释黑体辐射时，按公式计算的预测值在紫外一端辐射应趋向无穷大，而实验数据的结果却趋于零，这显然是荒谬的。人们称其为黑体辐射的紫外灾难。问题来了二问题来了二二、从宏观到微观第二次革命的导火索是物理学史上的三大发现:伦琴发现X射线、汤姆生发现电子 、贝克勒耳发现天然放
12、射线,使物理学的研究从宏观领域进入了微观世界。人们发现,微观粒子所表现出的现象用经典物理理论根本无法解释。伦琴发现X射线汤姆生发现电子贝克勒耳发现天然放射线宏观领域宏观领域微观世界微观世界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。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。普朗克创立量子力学问题来了三问题来了三水星的近日点的进动。水星轨道长轴的方向在空间不是固定的，在一个世纪内会转动5601(角秒
13、)。用牛顿理论计算出所有行星对它的影响后，还差43，与观测不符。 牛顿的万有引力定律取得了巨大的成就,但在一些问题上也遇到了困难。例如:水星的公转轨道在不断旋进,其实际观察值要比经典力学的预言值多。1915年,爱因斯坦创立的广义相对论对此则能作出很好的解释,同时还预言光线经过大质量星体附近时会发生偏转,且已被观测证实。 另外,根据牛顿的理论,当天体被压缩成半径几乎为0的一个点时,引力趋于无穷大;而爱因斯坦的理论则认为,引力趋于无穷大发生在半径接近一个引力半径的时候,这个引力半径的值由天体的质量决定。当天体的实际半径接近引力半径时,由爱因斯坦和牛顿引力理论计算出的力的差异急剧增大,在强引力情况下
14、牛顿引力理论不再适用。牛顿运动定律只适用于弱引力,在强引力的作用下,牛顿的引力理论不再成立。三、从弱引力到强引力 相对论和量子力学是否全盘否定了牛顿的经典力学理论?经典力学的适用范围?经典力学只适用于低速、宏观、弱引力的情况当物体的速度远小于光速c时,相对论物理学和经典物理学的结论没有区别。当另一个重要的常数即普朗克常量可以忽略不计时,量子力学和经典力学的结论没有区别。四、经典力学的适用范围： 牛顿的科学方法： 重视实验:重视实验,从归纳入手,这是牛顿科学方法论的基础。 逻辑推论:为了归纳成功,不仅需要大量的可靠资 料与广博的知识,而且要有清晰的逻辑头脑。 数学归纳:事物之间的本质联系只有通过
15、数学才能归 纳为能够测量、应用和检验的公式和定律。一般人的思维方式复杂性思维 遇到问题时，思考用学过的知识是怎样教我们解决这个问题的，选择以经验为基础的、最有希望的方法，排除其他一切方法，并且沿着这个明显界定的方向去解决问题。 爱因斯坦创造性的思维 发散思维从多角度考虑问题，挖掘所有可供选择的解决方法 形象化思维使自己的思维形象化，非常直观 “照亮我的道路照亮我的道路, ,并不断给我并不断给我新的勇气去愉快地正视生活理新的勇气去愉快地正视生活理想的是善、是美、是真想的是善、是美、是真”。 “ “人只有献身社会人只有献身社会, ,才能找出那实际才能找出那实际上是短暂而又有风险的生命的意义上是短暂
16、而又有风险的生命的意义”! !他剖析自己的科学感受时说：他剖析自己的科学感受时说：Einstein 对相对论的解释对相对论的解释: 当你和一个漂亮姑娘在一起坐一小时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你感觉只坐了一分钟, ,当你坐在火炉旁一当你坐在火炉旁一分钟分钟, ,就好象坐了一小时就好象坐了一小时, ,这就是相对论。这就是相对论。“ “ 科学的头脑就是去怀疑科学的头脑就是去怀疑, , 去证实去证实, , 去发现的精神去发现的精神! ”! ”Albert Einstein世纪伟人世纪伟人瞬间一别路漫漫，但觉未过光速关。钟尺合须静里用，云山偏向动中看。时空相对非虚语，质能并增岂等闲。权将电波传信息，只缘相见难上难。跨箭相期星际游，一别瞬息见三秋。动境钟尺多疑难，因果规律乃存留。质能守恒惊人数，时空相对尽眼收。权将光波通信息，归来尚须苦作舟。谢谢大家！
