萬有引力與航天課時15經(jīng)典力學的局限性-課件

課時15經(jīng)典力學的局限性

課前導航

17世紀后，以牛頓運動定律為基礎的經(jīng)典力學不斷發(fā)展，在宏觀、低速、弱引力等廣闊領域里，在包括天體力學的研究中取得了巨大的成就．汽車能在地面上行駛；飛機能在空中飛翔；火箭能沖出地球造訪月球，探索更遙遠的天體……我們是否想過讓火箭攜帶更多的燃料，在持續(xù)的推力作用下不斷提高火箭的速度，最終火箭的速度能夠超過光速，走在光陰的前面，我們能夠回到過去，讓科學幻想變?yōu)楝F(xiàn)實？然而，這一切是不可能實現(xiàn)的，因為經(jīng)典力學在這樣的情況下已經(jīng)不適用了．

請你思考：經(jīng)典力學在什么范圍內(nèi)適用呢？有怎樣的局限性呢？

基礎梳理

知識精析

一、運動狀態(tài)對時空的影響

1．高速的概念所謂高速，是指運動速度接近于真空中的光速．基本要求1．了解經(jīng)典力學的發(fā)展歷程和偉大成就．2．認識經(jīng)典力學的局限性和適用范圍．發(fā)展要求1．初步了解微觀和高速世界中的奇妙現(xiàn)象．2．了解相對論、量子論的建立對人類深入客觀世界的作用，知道物理學改變?nèi)藗兪澜缬^的作用．

2．速度對質量的影響物體的質量隨著運動速度的增大而增大．

m＝，當v?c時，m≈m0．

3．速度對時間的影響在靜止參考系中的同一點，經(jīng)時間t0先后發(fā)生兩個事件，則在另一以速度v勻速運動的參考系中測量時，發(fā)生這兩個事件的時間間隔t≠t0．

4．速度對空間的影響在靜止參考系中，物體從A點運動到B點的位移為L0，而在另一以速度v勻速運動的參考系中測量時，這個物體運動的位移L≠L0．

5．經(jīng)典力學的時空觀時間和空間互不相干，位移和時間的測量均與運動狀態(tài)無關．

二、經(jīng)典力學與近代物理的比較

1．經(jīng)典力學適用于低速運動的物體，不適用于高速(接近光速)運動的物體．狹義相對論闡述了物體以接近光速運動時所遵循的規(guī)律．

2．經(jīng)典力學適用于宏觀世界，一般不適用于微觀粒子．而量子力學則能夠正確描述微觀粒子的運動規(guī)律．

3．在弱引力的情況下，牛頓的萬有引力定律與實驗結果符合得很好；在強引力的情況下，萬有引力定律不再適用；而愛因斯坦的廣義相對論則能夠在解釋強引力情況下的作用規(guī)律．

方法探究

一、經(jīng)典力學與狹義相對論的應用范圍的理解

例1

牛頓在伽利略、笛卡兒、開普勒、惠更斯等人的研究基礎上，采用歸納與演繹、綜合與分析的方法，總結出普遍適用的力學運動規(guī)律——牛頓運動定律和萬有引力定律，建立了完整的經(jīng)典力學體系．那么，經(jīng)典力學體系有什么成就與局限性呢？請同學們閱讀本課時教材，結合學過的力與運動的關系和實例，思考下列問題．

(1)以牛頓運動定律為基礎的經(jīng)典力學，在科學研究和生產(chǎn)技術中有哪些應用？請列舉經(jīng)典力學的成就．___________________________________________________．

(2)經(jīng)典力學的適用范圍是什么？自己概括一下．___________________________________________________．

(3)相對論和量子力學的出現(xiàn)是否否定了牛頓的經(jīng)典力學？應該怎樣認識？___________________________________________________．

解析

(1)經(jīng)典力學在科學研究和生產(chǎn)技術中有廣泛的應用．經(jīng)典力學與天文學相結合建立了天體力學；經(jīng)典力學和工程實際相結合，建立了應用力學．如水利學、材料力學、結構力學等．從地面上各種物體的運動到天體的運動，從大氣的流動到地殼的變動，從攔河筑壩、修建橋梁到設計各種機械，幼孕諧到汽車、火車、飛機等現(xiàn)代交通工具的運動，從投出籃球到發(fā)射導彈、衛(wèi)星、宇宙飛船等等，所有這些運動都服從經(jīng)典力學規(guī)律．

(2)經(jīng)典力學的適用范圍是：宏觀、低速、弱引力狀態(tài)下的物體．

(3)量子力學的建立，并不是對經(jīng)典力學的否定，對于宏觀物體的運動，量子現(xiàn)象并不顯著，經(jīng)典力學都適用的．所以現(xiàn)代物理學的發(fā)展，更好地完善了物理學體系.并沒有使經(jīng)典力學失去價值,經(jīng)典力學仍將在它的適用范圍內(nèi)大放異彩.

答案

見解析

變式訓練

下列說法正確的是(

)

A．經(jīng)典力學適用于任何情況下的任何物體

B．狹義相對論否定了經(jīng)典力學

C．量子力學能夠描述微觀粒子的運動規(guī)律

D．萬有引力定律也適用于強相互作用力

解析

經(jīng)典力學只適用于宏觀、低速、弱引力的情況下，故A選項錯誤；狹義相對論沒有否定經(jīng)典力學，在宏觀、低速、弱引力的情況下，相對論的結論與經(jīng)典力學沒有區(qū)別，故B選項錯誤；量子力學正確地描述了微觀粒子的運動規(guī)律，故C選項正確；萬有引力定律只適用于弱相互作用力，而對于強相互作用力是不適用的，故選項D錯誤．

答案

C

二、狹義相對論的質速關系

例2

在粒子對撞機中，電子經(jīng)過高壓加速，速度達到光速的0.5倍．試求此時電子的質量變?yōu)殪o止時的多少倍？

解析

根據(jù)愛因斯坦狹義相對論中運動質量與靜止質量的關系得：

答案1.155倍

點評

由此題可看出當物體的運動速度接近光速時，質量變化明顯，而且越接近光速越顯著．如當電子的速度為0.8c時，質量將變?yōu)殪o止時的1.7倍，在這種情況下，經(jīng)典力學顯然已不再適用了．

互動平臺愛因斯坦和他的物理學成就

愛因斯坦是人類歷史上最偉大的天才之一，他特殊的頭腦、他的個性和時代成就了他．他的相對論是建立在著名的物理實驗的基礎上，通過嚴格的數(shù)學推導，并且被天文觀測所證實的．尤其是現(xiàn)代核物理和空間物理的許多輝煌成就都是建立在他的理論的基礎之上的．無數(shù)科學實踐和唯物辯證法都證明他的理論是正確的．愛因斯坦于1879年3月14日在德國小城烏爾姆出生，他的父母都是猶太人．愛因斯坦有一個幸福的童年，他的父親是位平靜、溫順的好心人，愛好文學和數(shù)學．他的母親個性較強，喜愛音樂，并影響了愛因斯坦，愛因斯坦從6歲起學小提琴，從此小提琴成為他的終身伴侶．和牛頓一樣，愛因斯坦年幼時也未顯出智力超群，相反，到了四歲多還不會說話，家人甚至擔心他是個低能兒．6歲時他進入了國民學校，是一個十分沉靜的孩子，喜歡玩一些需要耐心和韌性的游戲，例如用紙片搭房子．1888年進入了中學后，學業(yè)也不突出，除了數(shù)學很好以外，其他功課都不怎么樣，尤其是拉丁文和希臘文，他對古典語言毫無興趣．早在16歲時，愛因斯坦就從書本上了解到光是以很快速度前進的電磁波，他產(chǎn)生了一個想法，如果一個人以光的速度運動，他將看到一幅什么樣的世界景象呢？他將看不到前進的光，只能看到在空間里振蕩著卻停滯不前的電磁場．但這種事可能發(fā)生嗎？

1900年愛因斯坦畢業(yè)于蘇黎世工業(yè)大學，1909年開始在大學任教，1914年任威廉皇家物理研究所所長兼柏林大學教授．后被迫移居美國，1940年加入美國國籍．

19世紀末期是物理學的變革時期，愛因斯坦從實驗事實出發(fā)，重新考察了物理學的基本概念，在理論上作出了根本性的突破．他的一些成就大大推動了天文學的發(fā)展．他的量子理論對天體物理學，特別是理論天體物理學有很大的影響．理論天體物理學的第一個成熟的理論——恒星大氣理論，就是在量子理論和輻射理論的基礎上建立起來的．愛因斯坦的狹義相對論成功地揭示了能量與質量之間的關系，解決了長期存在的恒星能源來源的難題．近年來發(fā)現(xiàn)越來越多的高能物理現(xiàn)象，狹義相對論已成為解釋這種現(xiàn)象的一種最基本的理論工具．其廣義相對論也解決了一個天文學上多年的不解之謎，并推斷出后來被驗證了的光線彎曲現(xiàn)象，還成為后來許多天文概念的理論基礎．

愛因斯坦在天文學上最大的貢獻莫過于他的宇宙學理論．他創(chuàng)立了相對論宇宙學，建立了靜態(tài)有限無邊的自洽的動力學宇宙模型，并引進了宇宙學原理、彎曲空間等新概念，大大推動了現(xiàn)代天文學的發(fā)展．

互動訓練

1．20世紀初，著名物理學家愛因斯坦提出了_______，改變了經(jīng)典力學的一些結論．在經(jīng)典力學中，物體的質量是____________，而相對論指的質量是隨著速度的變化而________的．

答案狹義相對