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1、6.6经典力学的局限性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。1.物体的质量与运动速度有关物体的质量与运动速度有关 在经典力学中，物体的质量是不随运动状态改变的。但是，按照20世纪初著名物理学家爱因斯坦建立的狭义相对论，质量要随物体运动速度的增大而增大。物体的质量与运动速度的关系是 ，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 。2201cvmm 可见，当vc时，mm0；当v趋近于c时，
2、m趋近于无穷大。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。 4.经典力学难以解释微观粒子的运动经典力学难以解释微观粒子的运动 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。20世纪20 年代量子力学的出现，才很好地揭示了微观世界的基本规律。v水岸船水v水岸船水船岸vvv2.2.经典力学中速度叠加原理不再成立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
3、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）3.两种不同的时空观两种不同的时空观 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（速度接近真空中的光速）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
4、而独立存在。这是一种崭新的时空观。5.强引力作用下出现的问题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7.6-1），其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，当天体被压缩成半径几乎为0的一个点时，引力趋于无穷大；而爱因斯坦的理论则认为，引力趋于无穷大发生在半径接近一个“引力半径”的时候，这个引力半径的值由天体的质量决定。当天体的实际半径接近引力半径时，由爱因斯坦和牛顿引
5、力理论计算出的力的差异急剧增大，在强引力情况下牛顿引力理论不再适用。三三.狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理相对时间 021ttvc 相对长度 201vLLc相对质量021mmvc Einstein 对相对论的解释对相对论的解释: 当你和一个漂亮当你和一个漂亮姑娘在一起坐一小姑娘在一起坐一小时时, ,你感觉只坐了一你感觉只坐了一分钟分钟, ,当你坐在火炉当你坐在火炉旁一分钟旁一分钟, ,就好象坐就好象坐了一小时了一小时, ,这就是相这就是相对论。对论。Albert Einstein世纪伟人世纪伟人 17 17 世纪牛顿力学构成了体系世纪牛顿力学构成了体系 . . 可以说，这可以说，这是物
6、理学第一次伟大的综合是物理学第一次伟大的综合 . . 牛顿建立了两个牛顿建立了两个定律，一个是运动定律，一个是万有引力定律，定律，一个是运动定律，一个是万有引力定律，并发展了变量数学微积分，具有解决实际问题并发展了变量数学微积分，具有解决实际问题的能力的能力 . . 他开拓了天体力学这一科学，海王星他开拓了天体力学这一科学，海王星和冥王星的发现就充分显示了这一点和冥王星的发现就充分显示了这一点 . .牛顿经典力学的局限性牛顿经典力学的局限性适用于低速，宏观，弱引力物体适用于低速，宏观，弱引力物体注意：经典力学的适用范围注意：经典力学的适用范围 经典力学有它的适用范围：只适用于低速运动，不适用于
7、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。 （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）。7.牛顿的科学方法牛顿的科学方法 本节教材在“科学足迹”栏目牛顿的科学生涯一文中总结了牛顿的科学方法，这些科学方法值得我们借鉴： 重视实验：重视实验，从归纳入手，这是牛顿科学方法论的基础。 逻辑推论：为了归纳成功，不仅需要大量的可靠资料与广博的知识，而且要有清晰的逻辑头脑。 数学归纳：事物之间的本质联系只有通过数学才能归纳为能够测量、应用和检验的公式和定律。