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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,E,从牛顿到爱因斯坦,自然和自然的法则在黑暗中隐藏；上帝说，让牛顿去吧！于是一切都被照亮。魔鬼说，让爱因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。,1,力学,热学,光学,经典物理,声学,电磁学,一、经典物理模块分类：,17,世纪前在观察与哲学的猜测上对天文、力、热、声、光有了一定认识。,17,世纪初,19,世纪末是经典物理学体系建立的关键时期,2,静力学（描述静止物体）,运动学（描述物体运动）,动力学（描述物体受力作,用下的运动）,经典力学,（牛顿力学）,二、,经典力学模块分类：,3,牛顿,万有引力定律,变量数学微积分,牛顿三定律,三、牛顿主要贡献,4,5,亚里士多德,伽利略,笛卡尔,牛顿,经验主义：必须有力作用在物体上物体才能运动,理想实验（斜面）：物体保持运动不需要力维持,如果运动中物体没受到力。将以同一速度沿以直线运动。,牛顿定律（惯性定律，加速度定律，作用反作用定律）,6,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,7,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,8,经典力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律更确立了牛顿的地位，牛顿运动定律和万有引力定律在,宏观,、,低速,、,弱引力,的广阔领域，经受实践检验。著名物理学家杨振宁赞颂到：“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,年出版的那天。”,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”。,9,经典力学的困境,低速世界,(,经典力学,),高速世界（相对论）,四、经典力学的困境：,10,在宏观低速的世界：一切都理所当然？,宏观物体低速运动（远小于光速），经典力学完全适用。,时间和空间没有联系，相互独立，与物体及其运动状态都没有关系。,当一些问题,(,如微观领域的深入,),牛顿解释不了时，它就只好用上帝的万能来解释，为此牛顿花费了后半生的心血，这正是牛顿的悲剧。,物体的相关物理量（位移、质量、大小等）与物体的运动状态都无关。,11,例如：船在水中流，水速,2m/s,，船相对于水顺流而下,1m/s,，则船相对于岸,3m/s.,例如：空间如大房间，提供运动舞台，但不干扰演出，独立于物体及其运动存在。,例如：生活经验：时间如长河，均匀流逝，任何都影响不了它，时间也是独立的。,所以：不管选什么参考系，不管物体怎么运动，物体的位移、时间、长度、质量等等的测量结果肯定是一样的，这是天经地义的。,静止看光速和与光速一起运动算得的光速不一样,物体的速度甚至可以超过光速,12,高速世界（接近光速）,随着物体线性运动速度的加快，时间会变慢。将一个钟表留在地面上，而携带另一个以很快速度移动，随后进行比较，地上的钟表总比快速移动的快。,物体以接近光线运行的火箭所表现出的长度会比它静止时更短，尽管乘坐火箭的人看来并没有什么两样。爱因斯坦指出，任何物体以光速运动时，其长度将会缩短为零。,物体的质量随速度的增大而增大,1905,年，爱因斯坦提出，物体高速时（接近光速），物体所占空间（如长度），物理、化学过程，生命持续时间，都与运动状态有关，时空都与运动相关联了,-,狭义相对论,13,在不同惯性参考系中，不管你处于什么样的物理状态，你手里做实验得到的结果应该都是一样的。,不管你怎么运动，随便取得一束光来测量速度其结果应该都是一样的，不可能超过光速。无论你坐在飞驰的火车里还是静止的躺椅中，光速都保持恒定，和你所处的运动状态无关。,四维空间：空间的三维和时间的一维，前后发生的两件事情之间不单有一定的距离、也相差一定的时间。比方：在某个物体上放个日历，随着物体运动和日历的翻动就能发现，该物体除了空间位置在变，其时间也是在不断流逝的。,狭义相对论,自然和自然的法则在黑暗中隐藏；上帝说，让牛顿去吧！于是一切都被照亮。魔鬼说，让爱因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。,14,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，但在宇宙飞船上的人测得你穿的鞋的长度可能就只有,20,厘米了。,说船上的物体下落，从船上看是自由落体，从岸边看就是平抛了,15,爱因斯坦火车,:,A,B,K,系,中点,A,B,K,系,中点,先到,B,点,再到,A,点,同时到达,A,、,B,火车上的观测者说,:,光源在,AB,的中点,应同时到达,A,、,B,两点,.,地面上的人看见先到达,B,点，后到,A,点。,K,系,D,C,K,系,D,C,16,按照狭义相对论，不仅“同时”是相对的，有时候，甚至事情的先后也都是相对的。举一个例子，一节长为,10,米的列车，,A,在车后部，,B,在车前部。当列车以,0.6c,的高速度通过一个站台的时候,突然站台上的人看到,A,先向,B,开枪,过了,12.5,毫微秒,B,又向,A,发射。因而站台上的人作证：这场枪战是由,A,挑起的。但是，车上的乘客却提供相反的情况，他们说，是,B,先开枪，过了,10,毫微秒，,A,才动手。事件是由,B,发动的。,到底是谁先动手呢？没有绝对的答案。在这个具体事件中，谁先谁后是有相对性的。在列车参考系中，,B,先,A,后，而在车站参考系中则是,A,先,B,后。甚至于飞船上的人可能会看到你先把苹果吃了，再看到苹果掉在了地上。,17,不敢相信图中的横线是平行的，不过它就是平行的,18,两个位于中心的圆哪个大？其实一样大的！,19,（,1,）相对时间,狭义相对论认为时间不是绝对的（即固定不变的）。爱因斯坦指出，随着物体（观察者所见到的）运动速度的加快，时间会变慢。,使用同步原子钟已证实了这个结论的正确性，将一个钟表留在地面上，而携带另一个以很快速度移动（如在喷气式飞机上），随后进行比较，静止的钟表总比另一个稍微快一点。,时钟变慢,.swf,20,21,22,（,1,）相对时间,23,（,2,）相对长度,爱尔兰物理学家佛兹杰拉德,(18511901),提出，物质会在运动的方向上收缩（缩小），这意味着根据一个静止观察者的观点，一枚以接近光线运行的火箭所表现出的长度会比它静止时更短，尽管乘坐火箭的人看来并没有什么两样。,爱因斯坦指出，任何物体,以光速运动时，其长度将会缩短为零。,24,（,2,）相对长度,25,（,3,）相对质量,物体运动时的质量与静止质量的关系,26,五、从宏观到微观,19,世纪末,-20,世纪初，深入到微观领域，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，很多情况下经典力学说明不了。,爱因斯坦提出的光子的概念，认为光既是电磁波，又是一份一份传播的,原子中的电子只能在分立的特定轨道上运动，只有从一个轨道跳跃到另一个轨道。中间不连续。,任何物体都具有波动性，你坐在椅子上，你是波动的，有波长。,物体的位置是不确定的，只能用几率来反映。,27,六，从弱引力到强引力,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,(,太阳的引力半径为,3 km,，地球的引力半径为,1 m,如白矮星,),，天体间的引力就趋于无穷大，强引力。黑洞这种极端条件下的宇宙天体。它有极强的吸引力，黑洞本身的巨大质量造成空间弯曲,光之所以会被黑洞吸进去,是因为黑洞引力大造成空间扭曲,光随著被扭曲的空间走而进去黑洞里,大家都知道光只走直线,所以光并不是被引力吸进去的,而是光还是走直线,但空间扭曲而进到黑洞,打个比方,在纸上画一条线,把那张纸扭曲,但展开后它还是一条线。这时候，光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播，但走的已经不是直线，而是曲线。,爱因斯坦广义相对论,28,经典力学,狭义相对论,广义相对论,量子力学,互为补充，互不矛盾，互不否定共同支撑起物理学科的骨架。,宏观低速,高速,微观世界,强引力,29,经典力学,的,成就,和,局限性,一、经典力学的发展过程及伟大成就,二、经典力学局限性：,1,、不能解决,高速运动,问题（,接近光速,）,2,、不适用于,微观领域中,物质结构,和,能量不连续,的现象,30,一、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,超新星爆发的持续时间：,经典时空观,与,相对论时空观,实际：,2,年,！？,牛顿：,25,年。,时间、长度和质量这三者都与参考系的运动,无,关。,31,经典时空观,与,相对论时空观,二、相对论时空观,:,（,1,）同时是,相对的,（,3,）动尺变,短,（,4,）运动的物体质量变,大,（,1,）不同,惯性参考系,，物理,规律相同,1,、两条基本假设：,（,2,）任何惯性系，,光速不变,2,、狭义相对论结论：,（,2,）动钟变,慢,时间、长度和质量这三者都与参考系的运动,有,关。,32,光速,同时,时间与空间,质量,经典时空观,狭义相对论时空观,相对的,绝对的（不变）,绝对的,与运动无关，绝对的,与运动无关，绝对的，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,33,“,萨尔瓦阿弟”大船,1632,年,Galileo,在,“,萨尔瓦阿蒂,”,大船上做过的实验：,伽利略相对性原理,:,在彼此作匀速直线运动的惯性系中，一切力学现象都具有相同的规律。,34,1905,年，出生于德国的美籍物理学家阿尔伯特,爱因斯坦（,18791955,）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（特定观察）而变化。,牛顿的局限,1),绝对时空观,认为时间与空间无关，时空与运动无关，是绝对的物理量。,2),当一些问题牛顿解释不了时，它就只好用上帝的万能来解释，为此牛顿花费了后半生的心血，这正是牛顿的悲剧。,35,三,.,狭义相对论的基本原理,36,Einstein,现代时空,的创始人,1,、相对性原理,这意味着绝对时间、绝对空间等都是错误的。,不论用什么方法都找不到绝对参照系,即根本不存在绝对参照系,一切惯性系都是平权的。,同时的相对性,1.swf,同时的相对性,2.swf,一切彼此作匀速直线运动的惯性系,对于描述物理规律都是等价的。或在所有惯性系中,物理规律都具有相同的形式。,37,爱因斯坦火车,:,A,B,K,系,中点,A,B,K,系,中点,先到,B,点,再到,A,点,同时到达,A,、,B,火车上的观测者说,:,光源在,AB,的中点,应同时到达,A,、,B,两点,地面上的人看见先到达,B,点，后到,A,点。,K,系,D,C,K,系,D,C,38,1,、相对时间,狭义相对论认为时间不是绝对的（即固定不变的）。爱因斯坦指出，随着物体（观察者所见到的）线性运动速度的加快，时间会变慢。使用同步原子钟已证实了这个结论的正确性，将一个钟表留在地面上，而携带另一个以很快速度移动（如在喷气式飞机上），随后进行比较，静止的钟表总比另一个稍微快一点。,时钟变慢,1.swf,39,相对长度,爱尔兰物理学家乔治,佛兹杰拉德（,18511901,）提出，物质会在运动的方向上收缩（缩小），这意味着根据一个静止观察者的观点，一枚以接近光线运行的火箭所表现出的长度会比它静止时更短，尽管乘坐火箭的人看来并没有什么两样。爱因斯坦指出，任何物体以光速运动时，其长度将会缩短为零。,长度收缩,1.swf,长度收缩,2.swf,40,相对质量,物体运动时的质量与静止质量的关系,41,2,、光速不变原理,对任何惯性系,在真空中沿任意方向传播的光速都相同,且与光源的运动状态无关。,即谁测真空中的光速都是,c,与惯性系的选择及光源无关。,例：宇宙飞船以,20,万,km/s,的速度飞行,人在飞船上向前发一束,光,光在飞船中以光速,c,传播,地球上的人测得光速多大？,Km/s,按运动合成得,:,实际测得,:,Km/s,1),爱因斯坦理论是牛顿理论的发展,讨论,一切物,理规律,力学规律,2),光速不变原理适用的条件,:,A,）惯性系；,B,）真空中,(,介质中的光速,C,=,C/n),42,“,照亮我的道路,并不断给我新的勇气去愉快地正视生活理想的是善、是美、是真,”,。,“,人只有献身社会,才能找出那实际上是短暂而又有风险的生命的意义,”,!,他剖析自己的科学感受时说：,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。,“,科学的头脑就是去怀疑,去证实,去发现的精神,!,”,Albert Einstein,世纪伟人,43,力学单位制,44,物理学的关系式,物理学的关系式,确定了物理量之间的关系，也指它确定了物理量的,单位间,的关系。,例如,V,X,t,a,V,t,m/s,m/s,2,F,ma,1N=1kg,m/s,2,45,基本单位和导出单位,这些被选定的物理量叫做基本量，它们的单位叫,基本单位,；,只要选定几个物理量的单位，就能够利用物理量之间的关系推导出其他物理量的单位。,由基本量根据物理关系推导出来的其他物理量的单位叫做,导出单位,。,46,单位制,由,基本单位,和,导出单位,一起组成,单位制,。,47,国际单位制,1960,年第,11,届国际计量大会制定了一种国际通用的、包括一切计量领域的单位制，叫做,国际单位制,，简称,SI,。,在力学范围内，国际单位制规定长度、质量、时间为三个基本单位，它们的单位是米（,m,）、千克（,kg,）、秒（,s,）为基本单位。,在整个物理学中，国际单位制规定了,七个基本单位,。见下页,48,物理量,名称,单位,名称,单位,符号,长度,米,m,质量,千克,(,公斤,),kg,时间,秒,s,电流,安,(,培,),A,热力学温度,开,(,尔文,),K,发光强度,坎,(,德拉,),cd,物质的量,摩,(,尔,),mol,一、,SI,基本单位,单位制,49,物理量,单位,备注,名称,符号,名称,符号,面积,S,平方米,m,2,体积,V,立方米,m,3,位移,S,米,m,速度,V,米每秒,m/s,加速度,A,米每二次秒,m/s,2,角速度,弧度每秒,rad/s,频率,f,赫兹,Hz,(,质量,),密度,千克每立方米,Kg/m,3,力,F,牛顿,N,1N=1Kgm/s,2,力矩,M,牛顿,米,N,m,动量,P,千克米每秒,Kgm/s,压强,P,帕斯卡,Pa,1Pa=1N/m,2,功,W,焦耳,J,1J=1Nm,能,(,量,),E,焦耳,J,功率,P,瓦特,W,1w=1J/s,单位制,常用的力学量的,SI,单位,（导出单位）,50,例,1,：一个静止在光滑水平面上的物体，质量是,7kg,，在,14N,的恒力作用下，,5s,末的速度是多大？,5s,内通过的路程是多大？,单位制在物理学中的应用,在解题计算时，已知量均采用国际单位制，计算过程中不用写出各个量的单位，只要在式子末尾写出所求量的单位即可,1,、简化计算过程的单位表达,物理情景,v,t,v,0,=0,F=14N,s,物体在上述过程作匀变速直线运动吗？为什么？,51,解：,V,t,at,2m/s,2,5s,10m/s,统一单位制,有的同学，解题时，单位弄错，常常说自己粗心。其实是单位制没有掌握好。代入数据前应统一单位制这点要形成习惯,08,2m/s,2,7,kg,14,N,m,F,a,m,F,7,14,a,2m/s,2,m/s,2,V,t,at,25m/s,10m/s,S,at,2,2m/s,2,25s,2,2,1,2,1,25m,25m,S,at,2,225m,2,1,2,1,单位制在物理学中的应用,52,结果对吗？单位对，结果不一定对，但对结果可以,“,放心,”,一点 单位不对，结果则肯定不对,物理公式既反映了各物理量间的数量关系，同时也确定了各物理量的单位关系因此，在解题中可用单位制来粗略判断结果是否正确，如单位制不对，结果一定错误,2,、检验结果的正误,单位制在物理学中的应用,例,2,：,如果地球自转速度加快以使赤道上的物体能克服地球引力而脱离地面飘浮起来，这时地球自转的最大周期,T,(,地球半径为,R,，地面重力加速度为,g).,有位同学推出的结果是：,T,2,R,g,53,单位制,基本单位,导出单位,1,、米,(m)2,、千克（,Kg,）,3,、秒（,S,）,4,、安培（,A,）,5,、开尔文（,K,）,6,、坎德拉（,cd,）,7,、摩尔（,mol,）,力学单位制中的三个基本单位,由基本单位推导出来的单位叫导出单位,选定的单位,m/s,、,m/s,2,、,N,、,kg/m,3,kgm/s,、,kgm,2,/s,2,、,Ns,库、欧姆、电功率等等,焦,/,千克等,电学,热学,热学,光学,国际单位制,(,简称,SI,单位制,),课堂小结,54,谢谢,55,