物理经典力学局限性(公开课)

6.6《经典力学局限性》高一、物理组一、经典力学经典力学又称古典力学或牛顿力学，以牛顿运动定律为基础，是组成经典物理学的的一部分，主要研究宏观物体在低速状态下的运动。例如：1.从地面上物体的运动到天体的运动，2.从大气的流动到地壳的变动3.从自行车到火车、飞机等现代交通工具的运动4.从投篮到发射导弹、人造卫星以及天体的运动1、经典力学发展的三个阶段第一阶段：伽利略、牛顿时代之前。人们对力学现象的研究大多直接反映在技术之中或完全融合在哲学之内，物理学就整体而言还没有成为独立的科学。这个阶段对力学作出突出贡献的是阿基米德。第二阶段：从伽利略到牛顿。是经典力学从基本要领、基本定律到建成理论体系的阶段，在这一阶段有一系列的科学家为经典力学打下重要基础。第三阶段：牛顿之后。经典力学又有新的发展，这一阶段主要是后人对经典力学的表述形式和应用对象进行了拓展和完善。亚里士多德伽利略笛卡儿惠更斯牛顿国别生活年代古希腊，约公元前384～公元前322年意大利，1564～1642年法国，1596～1650年荷兰，1629～1695年英国，1642～1727年主要的科学研究方法观察、思维、推理观察实验、假设、数学推理三者相结合实验观察、数学推理实验、数学推理归纳与演绎、综合与分析、实验观察等力学方面的主要成就两个反面的结论：①力是维持物体运动的原因。②重的物体比轻的物体下落得快。①自由落体运动规律②力学相对性原理惯性定律①制成了世界上第一架计时摆钟。②测量出重力加速度的值。①三大运动定律、②万有引力定律。2、科学家对经典力学的贡献2、经典力学的伟大成就⑴把人类对整个自然界的认识推进到一个新水平，牛顿从力学上证明了自然界的统一；⑵经典力学的建立首次明确了一切自然科学理论应有的基本特征，这标志着近代理论自然科学的诞生，也成为其他各门自然科学的典范；⑶经典力学的建立对自然科学和科技的发展、社会的进步具有深远影响：①经典力学形成的科学研究方法的推广应用；②经典力学与其他基础科学相结合产生了许多交叉学科，促进了自然科学的进一步发展；③经典力学在科学技术上有广泛的应用，促进了社会文明的发展。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。二、经典力学的局限性狭义相对论指出在宇宙中唯一不变的是光线在真空中的速度(光速)，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。经典力学：物体的质量是不随运动状态改变的狭义相对论：质量要随物体运动速度的增大而增大式中：m0是物体静止时的质量m是物体速度为v时的质量（称为相对质量）c是真空中的光速021mmvc1、物体的质量与运动速度有关物体的质量与运动速度的关系是：1、当v远小于c时，m≈m0；2、当v趋近于c时，m趋近于无穷大。021mmvc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。结论：经典力学适用于低速运动的物体v水岸船水v水岸船水船岸vvv2.经典力学中速度叠加原理不再成立设河流中的水相对于河岸的速度为,船相对于水的速度为,则在经典力学中，船相对于岸的速度为这似乎是天经地义的。但是，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。（矢量和）惯性参考系：凡是牛顿定律成立的参考系，称为惯性参考系，简称惯性系。①所有相对于惯性系作匀速直线运动的参考系都是惯性系。②所有相对于惯性系作变速运动的参考系都是非惯性系。3.两种不同的时空观本节教材在“科学漫步”栏目《时间和空间是什么？》一文中提到了牛顿和爱因斯坦的两种不同的时空观。牛顿认为：空间是独立于物体及其运动而存在的，时间也是独立于物体及其运动而存在的，这是一种经典时空观。爱因斯坦则认为：在研究物体的高速运动（速度接近真空中光速）时，物体的长度即物体占有的空间，以及物理过程、化学过程，甚至还有生命过程的持续时间，都与它们的运动状态有关，空间与时间不再与物体及其运动无关而独立存在。这是一种崭新的时空观。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。微观粒子具有波粒二象性20世纪20年代普朗克发现了量子力学，才很好地揭示了微观世界的基本规律。4.经典力学难以解释微观粒子的运动5.强引力作用下出现的问题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(参见教材图6.6-1)，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，当天体总质量不变，被压缩它的半径，引力将会增大，满足“反比关系”；而爱因斯坦的理论则认为，这个力实际上增加的更快，当天体的半径越小，由爱因斯坦和牛顿引力理论计算出的力的差异急剧增大，因此在强引力情况下牛顿引力理论不再适用。经典力学的适用范围：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；只适用于弱引力情况，不适用于强引力情况。6.经典力学的适用范围对于高速运动（速度接近真空中的光速），需要应用爱因斯坦的相对论。当物体的运动速度远小于真空中的光速时，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别。对于微观世界，需要应用量子力学。当普朗克常数可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别。对于强引力情况，需要应用爱因斯坦引力理论。当天体的实际半径远大于它们的引力半径时，爱因斯坦引力理论和牛顿引力理论计算出的力的差异并不很大。【例题】牛顿定律能适用于下列哪些情况？A.研究原子中电子的运动B.研究“神州”五号的高速发射C.研究地球绕太阳的运动D.研究飞机从深圳飞往北京的航线【答案】BCD【提示】经典力学只适用于处理宏观物体的低速运动。