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1、6 6 6 6经典力学的局限性经典力学的局限性 17 17 世世纪纪牛牛顿顿力力学学构构成成了了体体系系 .可可以以说说，这这是是物物理理学学第第一一次次伟伟大大的的综综合合。牛牛顿顿建建立立了了两两个个定定律律，一一个个是是运运动动定定律律，一一个个是是万万有有引引力力定定律律，并并发发展展了了变变量量数数学学微微积积分分，具具有有解解决决实实际际问问题题的的能能力力。他他开开拓拓了了天天体体力力学学这这一一科科学学，海海王王星星和和冥冥王王星星的的发发现现就就充分显示了这一点充分显示了这一点 。牛顿牛顿牛顿牛顿伽利略、第谷伽利略、第谷伽利略、第谷伽利略、第谷哥白尼、亚里士多德哥白尼、亚里士
2、多德笛卡尔、胡笛卡尔、胡笛卡尔、胡笛卡尔、胡克、哈雷等克、哈雷等克、哈雷等克、哈雷等牛顿所说：牛顿所说：“如果说我看得远，那是因为我站在巨人们的肩上。如果说我看得远，那是因为我站在巨人们的肩上。”经经典典力力学学金金字字塔塔的的建建立立开普勒开普勒开普勒开普勒 像一切科学一样，它没有也不会像一切科学一样，它没有也不会穷尽一切真理，它也有自己的局限穷尽一切真理，它也有自己的局限性它像一切科学理论一样，是一性它像一切科学理论一样，是一部部“未完成的交响曲未完成的交响曲”那么经典那么经典力学在什么范围内适用呢力学在什么范围内适用呢?有怎样的有怎样的局限性呢局限性呢?一、从低速到高速一、从低速到高速
3、例如：在一个无限大的光滑例如：在一个无限大的光滑水平面上，有一质量为水平面上，有一质量为m的物体，的物体，在一个水平恒力在一个水平恒力F的作用下，从的作用下，从静止开始运动。根据牛顿第二定静止开始运动。根据牛顿第二定律可知物体将以加速度律可知物体将以加速度a=F/m做做匀加速直线运动。匀加速直线运动。由运动学公式可知：物体的速度由运动学公式可知：物体的速度v=at推理推理：随着时间的推移，物体的速度不断增大，最终可使：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，物体运动速度是有极限的，现在已知的最
4、大速度是光速，且体运动速度是有极限的，现在已知的最大速度是光速，且现在也无法使物体运动超越这个速度。现在也无法使物体运动超越这个速度。速度远小于光速时，速度远小于光速时，经典力学完全适用。经典力学完全适用。当物体的速度接近光速时，经典力学当物体的速度接近光速时，经典力学就不适用了。就不适用了。Fm 爱因斯坦在狭义相对论中阐爱因斯坦在狭义相对论中阐述了物体以述了物体以接近光速接近光速运动所遵循运动所遵循的规律，得出了一些不同与经典的规律，得出了一些不同与经典力学的观念和结论。力学的观念和结论。在宇宙中在宇宙中唯一不变的是光唯一不变的是光在真空中的速度在真空中的速度，其它任，其它任何事物何事物速度
5、、长度、质速度、长度、质量和经过的时间，都随观量和经过的时间，都随观察者的参考系（特定观察）察者的参考系（特定观察）而变化。而变化。2020世纪初，爱因斯坦世纪初，爱因斯坦（1879195518791955）建立了建立了狭义相对论狭义相对论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世纪伟人世纪伟人什么是低速，什么是高速？什么是低速，什么是高速？通常所见的
6、物体的运动皆为低通常所见的物体的运动皆为低速运动，如行驶的汽车，发射的导速运动，如行驶的汽车，发射的导弹、人造卫星及宇宙飞船等弹、人造卫星及宇宙飞船等与光与光速相接近的速度称为高速，速相接近的速度称为高速，有些微有些微观粒子在一定条件下其速度可以与观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近。光速相接近。在宏观低速的世界：一切都理所当然？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。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。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
7、当一些问题(如微观领域的深入如微观领域的深入)牛顿解释不了时，它就只好用上帝的牛顿解释不了时，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。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。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。例如：船在水中流，水速例如：船在水中流，水速2m/s，船相对于水顺流而下，船相对于水顺流而下1m/s，则船相对于岸，则船相对于岸3m/s.例如：生活经验：空间如大房间，提供运动舞台，但不干例如：生活经验：空间如大房间，提供运动舞台，但不干扰演出，空间
8、独立于物体及其运动存在。扰演出，空间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。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。是一样的，这是天经地义的。一、经典时空观一、经典时空观（绝对时空观绝对时空观）：（1）同时同时的绝对性（2）时间间隔时间间隔的绝对性（3）空间距离空间距离的绝对性经典经典时空观与相对论时空观时空
9、观与相对论时空观 时间、长度和质量这三者都与参考系的运动无关。时间、长度和质量这三者都与参考系的运动无关。经典时空观与相对论时空观经典时空观与相对论时空观二、相对论时空观二、相对论时空观:（1）同时是相对的相对的（3）动尺变短短（4）运动的物体质量变大大（1）不同惯性参考系惯性参考系惯性参考系惯性参考系，物理规律相同规律相同1、两条基本假设：、两条基本假设：（2）任何惯性系，光速不变光速不变2、狭义相对论结论：、狭义相对论结论：（2）动钟变慢慢 时间、长度和质量这三者都与参考系的运动有关。时间、长度和质量这三者都与参考系的运动有关。光速光速同时同时时间与空间时间与空间质量质量经典时空观经典时空
10、观狭义相对论时空观狭义相对论时空观相对的相对的绝对的（不变）绝对的（不变）绝对的绝对的与运动无关，绝对的与运动无关，绝对的与运动无关，不变的与运动无关，不变的相对的相对的与运动有关，相对的与运动有关，相对的随速度增加而增大随速度增加而增大经典时空观与相对论时空观经典时空观与相对论时空观（1 1）相对时间）相对时间 狭义相对论认为时间不是绝对的（即固定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。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，使用同步原子钟已
11、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），随后进行比速度移动（如在喷气式飞机上），随后进行比较，动的钟表总比另一个稍微慢一点。较，动的钟表总比另一个稍微慢一点。狭义相对论结论狭义相对论结论t0为物体静止的时间，为物体静止的时间，t是物体速度为是物体速度为v时的时间，时的时间，c是真空中的光速是真空中的光速 动时钟变慢（2 2）相对长度）相对长度 爱尔兰物理学家佛兹杰拉德爱尔兰物理学家佛兹杰拉德(18511901)提提出，物质会在运动的方向上收缩（缩小），出，物质会在运动的方向上收缩（缩小），这意味着根据
12、一个静止观察者的观点，一枚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它静止时更短，尽管乘坐火箭的人看来并没有什么两样。有什么两样。爱因斯坦指出，任何物体以光速运动时，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。其长度将会缩短为零。L0为物体静止时的长度为物体静止时的长度L是物体速度为是物体速度为v时的长度时的长度c是真空中的光速是真空中的光速 动长度变短（3 3）相对质量）相对质量 在经典力学中，物体的质量是不变在经典力学中，物体的质量是不变的，但爱因斯坦的狭义相对论指出，
13、物的，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体的质量随速度的增大而增大m0为物体静止似的质量为物体静止似的质量m是物体速度为是物体速度为v时的长度时的长度c是真空中的光速是真空中的光速 动质量增大二、宏观到微观二、宏观到微观 19世纪末到世纪末到20世纪初，人们相世纪初，人们相继发现了电子、质子、中子等微继发现了电子、质子、中子等微观粒子，发现它们不仅具有粒子观粒子，发现它们不仅具有粒子性，面且具有性，面且具有波动性波动性，它们的运，它们的运动规律不能用经典力学描述动规律不能用经典力学描述 20世纪世纪20年代，建立了年代，建立了量子力学量子力学，它能够正确地描述微观粒子运动
14、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的规律性，并在现代科学技术中发挥了重要作用发挥了重要作用 三三.从弱引力到强引力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天体半径减小到一定程度时(太阳的引力半径为太阳的引力半径为3 km，地球的引力半，地球的引力半径为径为1 m),如白矮星中子星，密度特别大，天体间的引力非常大如白矮星中子星，密度特别大，天体间的引力非常大，属，属于强引力。经典力学不再使用。黑洞这种极端条件下的宇宙天体。它于强引力。经典力学不再使用。黑洞这种极端条件下的宇宙天体。它有极强的吸引力，
15、光也无法逃脱。有极强的吸引力，光也无法逃脱。爱因斯坦广义相对论爱因斯坦广义相对论 相对论和量子力学的出现，是否表示经典力学失去了意义?相对论和量子力学的出现，说明人类对自然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，而不表示经典力学失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有它的去了意义它只是使人们认识到经典力学有它的适用范围：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 经典力学有它的适用范围：经典力学有它的适
16、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；只适用于弱引力情况，不适用于强引力情况。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狭义相对论。当物体的爱因斯坦的狭义相对论。当物体的运动速度远小于真空中运动速度远小于真空中的光速的光速时，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别。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。忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别。相对论和量子力学的出现，是否表相对论和量子力学的出现，是否表示经典力学失去了意义示经典力学失去了意义?经典力学经典力学狭义相对论狭义相对论狭义相对论狭义相对论广义相对论广义相对论广义相对论广义相对论量子力学量子力学量子力学量子力学互为补充，互不矛盾，互不否定共同支撑起物理学科的骨架。互为补充，互不矛盾，互不否定共同支撑起物理学科的骨架。宏观低速宏观低速高速高速微观世界微观世界强引力强引力相对论、量子力学和经典力学的关系相对论、量子力学和经典力学的关系.