人教版 (2019)必修 第二册第七章 万有引力与宇宙航行5 相对论时空观与牛顿力学的局限性多媒体教学课件ppt

这是一份人教版 (2019)必修 第二册第七章 万有引力与宇宙航行5 相对论时空观与牛顿力学的局限性多媒体教学课件ppt，共13页。PPT课件主要包含了从低速到高速，质速关系，时间和空间是什么，宏观到微观，普朗克创立量子力学，讨论与交流，从弱引力到强引力等内容，欢迎下载使用。
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。
著名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。”
像一切科学一样，它没有也不会穷尽一切真理，它也有自己的局限性．它像一切科学理论一样，是一部“未完成的交响曲”．那么经典力学在什么范围内适用呢?有怎样的局限性呢?
例如：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，这是经典力学无法解答的。这是什么原因造成的呢？是否经典力学的错误？
爱因斯坦在狭义相对论中阐述了物体以接近光速运动所遵循的规律，得出了一些不同与经典力学的观念和结论。
1、在经典力学中，物体的质量是不随运动状态改变的，而狭义相对论认为：物体的质量要随物体运动速度的增大而增大，即
例如：(1)v＝0．8c时，物体的质量约增大到静止质量的1．7倍，这时经典力学就不再适用了． (2)如地球以v＝30km／s的速度绕太阳公转时，它的质量增大十分微小，可以忽略不计，经典力学完全适用。
m0为静止质量，m是物体速度为v时的质量，c是真空中的光速
2、运动的物体和静止的物体相比不仅质量变了，而且沿运动方向的长度和时间都要变化，都具有相对性。
下面的事例可以帮助我们理解相对论
1971年8月的一天，一名前苏联飞行员例行飞行时，无意中“闯入”古埃及，他看到一座座金字塔刚刚奠起塔基…… 1982年一位北约飞行员在一次飞行训练中，视野里竟然出现了数百只恐龙，飞机竟然来到史前非洲大陆。
例1.有三个完全相同的时钟，时钟A放在地面上，时钟B、C分别放在两个火箭上，以速度vB和vC朝同一方向飞行，vB＜vC． 对于地面上的观察者来说，则以下说法中正确的是 A．时钟A走得最慢 B．时钟B走得最慢 C．时钟C走得最慢 D．时钟C走得最快
例2.如果有一支静止时长30 m的火箭，以光速的二分之一的速度从观察者的身边掠过，以下说法中正确的是A．地面上的观察者测得的火箭长为30 mB．地面上的观察者测得的火箭长小于30 mC．地面上的观察者测得的火箭长大于30 mD．火箭上的观察者测得的火箭长为30 m
有关物体的质量与速度的关系的说法, 正确的是 A．物体的质量与物体的运动速度无关 B．物体的质量随物体的运动速度增大而增大 C．物体的质量随物体的运动速度增大而减少 D．当物体的运动速度接近光速时，质量趋于零
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． 经典力学一般不适用于微观粒子．
相对论和量子力学的出现，是否表示经典力学失去了意义?
相对论和量子力学的出现，说明人类对自然界的认识更加广泛和深入，而不表示经典力学失去了意义．它只是使人们认识到经典力学有它的适用范围：只适用于低速运动，不适用于高速运动，只适用于宏观世界，不适用于微观世界。
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．经典力学也能作出一些解释，但是，水星旋进的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还应有每百年43//的附加值，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．
1、实际的天文观测，行星的运行轨道并不是严格闭合的，它们的近日点在不断地旋进．经典力学的解释令人满意吗?用什么理论来圆满地进行了解释?
万有引力属于弱引力．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．
2、但是宇宙中有一些天体，例如白矮星，他们的质量接近太阳，半径却与地球差不多，因此密度高达108～1010kg/m3;中子星的密度更是达1016～ 1019kg/m3。这些天体表面的引力比我们常见的引力强的多，即天体表面的引力可能与半径的3次方或多次方成反比，此时牛顿的引力理论已经不适用了。
假定一个球形天体的质量不变，并通过压缩减小它的半径，天体表面上的引力将会增加，半径减少到原来的二分之一，引力增加到原来的4倍。这就是平常说的“反平方”规律。爱因斯坦引力理论表明，这个力实际上增加的更快些。天体半径越小，这种差别越大。当引力趋于无穷大时，被压缩天体半径接近的值——“引力半径”． 在太阳或行星的引力场中，由爱因斯坦和牛顿的理论计算出的力的差异并不很大．但当天体的实际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，牛顿的万有引力理论将不再适用．
3、何为天体的引力半径?
对于这样的科学发展过程，英国剧作家萧伯纳曾诙谐地说：“科学总是从正确走向错误．” 这种调侃倒也不失为一种幽默的表述．
4、历史上的科学成就与新的科学成就的关系是什么?
历史上的科学成就不会被新的科学成就所否定，而是作为某些条件下的局部情形，被包括在新的科学成就之中．如：当物体的速度远小于光速c(3X108m／s)时，相对论与经典理论的结论没有区别；当另一个重要常数即“普朗克常数”h(6．63X10-34J·s)可以忽略不计时．量子力学和经典力学的结论没有区别．相对论和量子力学都没有否定过去的科学，而只认为过去的科学是自己在一定条件下的特殊情形．
相对论和量子力学是哪一种更广泛的理论的特殊情形呢？我们现在还不知道……”