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6.经典力学的局限性1.知道牛顿运动定律的适用范围。2.了解经典力学在科学研究和生产技术中的广泛应用。3.知道质量与速度的关系,知道高速运动中必须考虑质量变化。一二三在低速运动中,物体的质量增大十分微小,可以忽略,经典力学完全适用。但如果物体的速度接近光速,物体的质量明显增大,经典力学就不适用了。2.在牛顿看来,位移和时间的测量与参考系无关,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。一、从低速到高速1.在经典力学中,物体的质量是不随运动状态改变的,而狭义相对论指出,质量要随着物体运动速度的增大而增大,即m=𝑚01-𝑣2𝑐2,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。一二三二、从宏观到微观1.19世纪末20世纪初,物理学研究深入到微观世界,发现了电子、质子、中子等微观粒子,而且发现它们不仅具有粒子性,同时还具有波动性。20世纪20年代,量子力学建立,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。2.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。一二三三、从弱引力到强引力爱因斯坦的广义相对论说明:在强引力的作用下,牛顿引力理论将不再适用。一二三四一、认识经典力学的局限性我们应该认识到人类对自然界的认识过程都是从肤浅到深刻,从片面到全面,一步步深入,一步步完善的,所以理论的完善也需要一个过程,经典力学理论不可能穷尽一切真理,必有其局限性,现在可认为经典力学理论是狭义相对论和量子理论的特例。1.宏观物体与微观粒子行为的差异:宏观物体具有粒子性。微观粒子不仅具有粒子性,同时还具有波动性,又称波粒二象性。2.经典力学理论的适用范围:弱引力,低速运动的宏观物体。温馨提示相对论和量子力学的出现,并不说明经典力学失去了意义,只是说明各有一定的适用范围。一二三四二、经典力学与相对论、量子力学的比较1.经典力学适用于低速运动的物体,不适用于高速(接近光速)运动的物体,狭义相对论阐述物体在以接近光的速度运动时所遵从的规律。2.经典力学适用于宏观世界,一般不适用于微观粒子,而量子力学则能够正确描述微观粒子的运动规律。3.在弱引力的情况下,牛顿万有引力定律与实验结果符合得很好,而在强引力的情况下,万有引力定律不再适用。而爱因斯坦的广义相对论则能够解释强引力情况下的作用规律。4.相对论和量子力学并没有否定经典力学,经典力学是二者在一定条件下的特殊情形。一二三四温馨提示经典力学的适用范围是宏观、低速、弱引力等,但对于微观、高速、强引力问题却不适用。量子力学则能够正确描述微观粒子的运动规律,而高速、强引力问题则要用相对论去解释。一二三四三、从低速到高速引起的变化1.低速与高速的概念:通常所见物体的运动皆为低速运动,如行驶的汽车、发射的导弹、人造地球卫星及宇宙飞船等。有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近,这样的速度称为高速。2.速度对质量的影响:在经典力学中,物体的质量是不变的,但爱因斯坦的狭义相对论指出,物体的质量随速度的增大而增大,即m=𝑚01-𝑣2𝑐2,其中𝑚0为物体静止时的质量,𝑚是物体速度为𝑣时的质量,𝑐是真空中的光速。在高速运动时,质量的测量是与运动状态密切相关的。一二三四3.速度合成与两个公设:在经典力学中,时间和空间互不相干,它们的存在和测量均与运动无关,故有v船岸=v船水+v水岸。但在两个不同参考系中,速度总与位移及时间间隔的测量相联系,因而上式不成立。1905年,爱因斯坦提出了两个公设(狭义相对论的基础)。(1)相对性原理:物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式。(2)光速不变原理:在一切惯性参考系中,测量到的真空中的光速c都一样。一二三四四、对两种时空观的认识时空是对物质存在及运动的描述。其中,时间描述物质运动的持续性,空间描述物质存在的广延性。1.经典力学的时空观认为时间就其本质而言,是永远均匀地流逝,与任何外界无关。空间就其本质而言是与任何外界事物无关的,它从不运动,并且永远不变。也称为绝对时空观。一二三四2.相对论时空观认为时间和空间是相互联系、相互影响的,并且与物质的存在及运动密切相关。例如:(1)运动的时钟变慢;(2)运动的尺子变短;(3)物体的质量随速度的增大而增大。经过严格的证明,物体的静止质量m0和运动质量m之间有如下关系:m=𝑚01-𝑣2𝑐2从上式可以看出,当物体(一般是粒子)的速度很大时,其运动时的质量明显大于静止时的质量。类型一类型二类型一经典力学和相对论的比较【例题1】(多选)关于经典力学和狭义相对论,以下说法中正确的是()A.经典力学只适用于低速运动,不适用于高速运动(速度接近真空中的光速)B.狭义相对论只适用于高速运动(速度接近真空中的光速),不适用于低速运动C.经典力学既适用于低速运动,也适用于高速运动(速度接近真空中的光速)D.狭义相对论既适用于高速运动(速度接近真空中的光速),也适用于低速运动类型一类型二解析:狭义相对论既适用于高速运动的物体,也适用于低速运动的物体;经典力学是狭义相对论在一定条件下的特殊情形,只适用于低速运动的物体。答案:AD题后反思要比较经典力学和相对论的区别,不但要知道各自的适用范围,还要区分开两个速度:速度远小于真空中光速的,称为低速;速度接近于真空中光速的,称为高速。类型一类型二类型二质量的相对论效应【例题2】一个原来静止的电子,经电压加速后,获得的速度为v=6×106m/s。问电子的质量增大了还是减小了?改变了百分之几?点拨:由爱因斯坦相对论可知,当物体的运动速度接近光速时,质量变化明显,而且越接近光速越显著。类型一类型二答案:增大了0.02%题后反思只有在速度接近光速的情况下,相对论效应才明显;在低速时,相对论效应很不明显,可忽略不计。解析:根据爱因斯坦的狭义相对论M=𝑚01-𝑣2𝑐2得出运动后的质量增大了。m=𝑚01-𝑣2𝑐2=𝑚01-(6×106)2(3×108)2=1.0002m0所以改变的百分比为𝑚-𝑚0𝑚0×100%=0.02%。