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1、6 6 6 6经典力学的局限性经典力学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真理，它也有自己的局限性它像一切科学理论一样，是一部一切科学理论一样，是一部“未完成的未完成的交响曲交响曲”那么经典力学在什么范围内那么经典力学在什么范围内适用呢适用呢?有怎样的局限性呢有怎样的局限性呢?一、从低速到高速一、从低速到高速 例如：在一个
2、无限大的光滑水平例如：在一个无限大的光滑水平面上，有一质量为面上，有一质量为m的物体，在一个水的物体，在一个水平恒力平恒力F的作用下，从静止开始运动。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根据牛顿第二定律可知物体将以加速度度a=F/m做匀加速直线运动。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
3、法使物体运动超极限的，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？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？是否经典力学的错误？Fm不敢相信图中的横线是平行的,不过它就是平行的 两个位于中心的圆哪个大?其实一样大的!爱因斯坦在狭义相对论中阐述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规律，得出了一些不同与经典力学的观念和结论。学的观念和结论。1、在经典力学中，物体的、在经典力学中，物体的质量是不随运动状态改变的，质量是不随运动状
4、态改变的，而狭义相对论认为：而狭义相对论认为：物体的物体的质量要随物体运动速度的增质量要随物体运动速度的增大而增大，大而增大，即即例如：例如：(1)v08c时，物体的质量约增大到静止时，物体的质量约增大到静止质量的质量的17倍，这时经典力学就不再适用了倍，这时经典力学就不再适用了 (2)如地球以如地球以v30kms的速度绕太阳公转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。力学完全适用。质速关系 说明m0为静止质量，为静止质量，m是物体速度为是物体速度为v时的质量，时的质量，c是真空中的光速是真空中的光速 2、运动的物体
5、和静止的物体相比不仅质量变了，、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，都具有而且沿运动方向的长度和时间都要变化，都具有相对性。相对性。下面的事例可以帮助我们理解相对论 1971年年8月的一天，一名前苏联飞行员例行飞行时，无意中月的一天，一名前苏联飞行员例行飞行时，无意中“闯入闯入”古埃及，他看到一座座金字塔刚刚奠起塔基古埃及，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。了数百只恐龙，飞机竟然来到史前非洲大陆。1970年一架年一
6、架272客机在飞向迈阿密国际机场的旅途中，也无客机在飞向迈阿密国际机场的旅途中，也无故故“失踪失踪”了了10分钟，分钟，10分钟后，客机又在原来的地方出现。失分钟后，客机又在原来的地方出现。失踪的一刹那，专家们的惟一的解释是时间踪的一刹那，专家们的惟一的解释是时间“静止静止”不动了不动了 1994年初，一架意大利客机在非洲海岸上空飞年初，一架意大利客机在非洲海岸上空飞行。突然，客机从控制室的雷达屏幕上消失了。正当行。突然，客机从控制室的雷达屏幕上消失了。正当地面上的机场工作人员焦急万分之际，客机又在原来地面上的机场工作人员焦急万分之际，客机又在原来的空域出现，雷达又追踪到了客机的讯号。的空域出
7、现，雷达又追踪到了客机的讯号。最后，这架客机安全降落在意大利境内的机场。最后，这架客机安全降落在意大利境内的机场。然而，客机上的机组人员和然而，客机上的机组人员和315名乘客，并不知道他名乘客，并不知道他们曾经们曾经失踪失踪过。过。机长巴达里疑惑不解地说：机长巴达里疑惑不解地说：我们的班机由马尼拉我们的班机由马尼拉起飞后，一直都很平稳，没有任何意外发生，但控制起飞后，一直都很平稳，没有任何意外发生，但控制室竟说失去班机的踪影，实在有点不寻常。室竟说失去班机的踪影，实在有点不寻常。不过，事实却不容争辨：到达机场时，每个乘客不过，事实却不容争辨：到达机场时，每个乘客的手表都慢了的手表都慢了20分钟
8、。分钟。时间和空间是什么？时间和空间是什么？二、经典力学受速度限制牛顿力学的绝对时空观牛顿力学的绝对时空观:伽利略和牛顿的绝伽利略和牛顿的绝对时空观认为对时空观认为,同一物体运动的时间和长度同一物体运动的时间和长度(位位移移)在不同的参考系中在不同的参考系中,测量结果是相同的测量结果是相同的.牛顿的局限牛顿的局限1)绝对时空观绝对时空观认为时间与空间无关，时空与运动无关，认为时间与空间无关，时空与运动无关，是绝对的物理量。是绝对的物理量。2)当一些问题牛顿解释不了时，它就只好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用上帝的万能来解释，为此牛顿花费了后半生的心血
9、，这正是牛顿的悲剧。的心血，这正是牛顿的悲剧。1905年，爱因斯坦年，爱因斯坦（18791955）发表了狭）发表了狭义相对论义相对论:在宇宙中唯一不变的在宇宙中唯一不变的是光在真空中的速度，其是光在真空中的速度，其它任何事物它任何事物速度、长度、速度、长度、质量和经过的时间，都随质量和经过的时间，都随观察者的参考系（特定观观察者的参考系（特定观察）而变化。察）而变化。光速不变原理 对任何惯性系对任何惯性系,在真空中沿任意方向传播在真空中沿任意方向传播的光速都相同的光速都相同,且与光源的运动状态无关。且与光源的运动状态无关。即谁测真空中的光速都是即谁测真空中的光速都是c c ,与惯性系的选择及光
10、源无关。与惯性系的选择及光源无关。例：宇宙飞船以例：宇宙飞船以20万万 km/s的速度飞行的速度飞行,人在飞船上向前发一束人在飞船上向前发一束 光光,光在飞船中以光速光在飞船中以光速 c 传播传播,地球上的人测得光速多大？地球上的人测得光速多大？Km/s按运动合成得按运动合成得:实际测得实际测得:Km/s1)1)爱因斯坦理论是牛顿理论的发展爱因斯坦理论是牛顿理论的发展讨论讨论一切物一切物理规律理规律力学规律力学规律2)2)光速不变原理适用的条件光速不变原理适用的条件:A A）惯性系；）惯性系；B B）真空中）真空中(介质中的光速介质中的光速C C=C/n)C/n)二、宏观到微观二、宏观到微观
11、19世纪末到世纪末到20世纪初，人们世纪初，人们相继发现了电子、质子、中子等相继发现了电子、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运动规律不能用经典力学描述 20世纪世纪20年代，建立了量子年代，建立了量子力学，它能够正确地描述微观粒力学，它能够正确地描述微观粒子运动的规律性，并在现代科学子运动的规律性，并在现代科学技术中发挥了重要作用技术中发挥了重要作用 经典力学一般不适用于微观经典力学一般不适用于微观粒子粒子 普朗克创立量子力学 相对论和量子力学的出现，是否表示经典力学相对论和量
12、子力学的出现，是否表示经典力学失去了意义失去了意义?相对论和量子力学的出现，说明人类对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：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。只适用于宏观世界，不适用于微观世界。讨论与交流讨论与交流 三、从弱引力到强引力三、从弱引力到强引力 万有引力属于弱引力利用万有引力定律可以解万有引力属于弱引力利用万有引力定律可以解
13、释天体的运动，并预言和发现了海王星和冥王星，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统一起来 但是宇宙中有一些天体，例如白矮星，他们的质量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，因此密度高达接近太阳，半径却与地球差不多，因此密度高达1081010kg/m3;中子星的密度更是达中子星的密度更是达1016 1019kg/m3。这。这些天体表面的引力比我们常见的引力强的多，牛顿的引些天体表面的引力比我们常见的引力强的多，牛顿的引力理论已经不适用了。力理论已经不适用了。
14、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，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43的的附加值，同时还预言了光线在经过大质量的星体附近时，如经过太附加值，同时还预言了
15、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阳附近时会发生偏转现象并且都被观测证实讨论与交流讨论与交流 1、实际的天文观测，行星的、实际的天文观测，行星的运行轨道并不是严格闭合的，运行轨道并不是严格闭合的，它们的近日点在不断地旋进它们的近日点在不断地旋进经典力学的解释令人满意经典力学的解释令人满意吗吗?用什么理论来圆满地进行用什么理论来圆满地进行了解释了解释?对于这样的科学发展过程，英国剧作对于这样的科学发展过程，英国剧作家萧伯纳曾诙谐地说：家萧伯纳曾诙谐地说：“科学总是从正确走向错误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讨论与交流讨论与交流 相对论和量子力学是哪一种更广泛的理相对论和量子力学是哪一种更广泛的理论的特殊情形呢？我们现在还不知道论的特殊情形呢？我们现在还不知道”讨论与交流讨论与交流 以牛顿运动定律为基础的经典力学的适用以牛顿运动定律为基础的经典力学的适用范围是什么范围是什么?总结总结 经典力学只适用于解决经典力学只适用于解决低速低速运动问题，不能运动问题，不能用来处理高速运动问题，经典力学只适用于用来处理高速运动问题，经典力学只适用于宏观宏观物体，一般不适用于微观粒子：经典力学只适用物体，一般不适用于微观粒子：经典力学只适用于解决于解决弱引力弱引力问题，不能用来处理强引力问题问题，不能用来处理强引力问题