經(jīng)典力學的局限性高一下學期物理人教版（2019）必修第二冊

第七章萬有引力與航天5經(jīng)典力學的局限性伽利略、第谷哥白尼、亞里士多德笛卡爾、胡克、哈雷等如果說我看得遠，那是因為我站在巨人們的肩上。

——牛頓經(jīng)典力學金字塔的建立開普勒牛頓經(jīng)典力學的發(fā)展過程經(jīng)典力學的基礎(chǔ)是牛頓運動定律，萬有引力定律更是樹立了人們對牛頓物理學的尊敬。物理學家楊振寧曾贊頌到：“如果一定要舉出某個人、某一天作為近代科學誕生的標志，我選牛頓《自然哲學的數(shù)學原理》在1687年出版的那一天?！迸ｎD的《自然哲學的數(shù)學原理》被評價為科學史上最偉大的著作經(jīng)典力學的發(fā)展過程一、從宏觀到微觀

19世紀末到20世紀初，人們相繼發(fā)現(xiàn)了電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子，發(fā)現(xiàn)它們不僅具有粒子性，面且具有波動性，它們的運動規(guī)律不能用經(jīng)典力學描述。

20世紀20年代，建立了量子力學，它能夠正確地描述微觀粒子運動的規(guī)律性，并在現(xiàn)代科學技術(shù)中發(fā)揮了重要作用。對牛頓運動定律受參考系限制的認識可見，在非慣性系中，牛頓定律不再成立。經(jīng)典力學的局限性一、從低速到高速

如：在一個無限大的光滑水平面上，有一質(zhì)量為m的物體，在一個水平恒力F的作用下，從靜止開始運動。根據(jù)牛頓第二定律可知物體將以加速度a=F/m做勻加速直線運動。由運動學公式可知：物體的速度v=at推理：隨著時間的推移，物體的速度不斷增大，最終可使物體獲得任意速度。但事實并非如此，常識告訴我們，物體運動速度是有極限的，現(xiàn)在已知的最大速度是光速，且現(xiàn)在也無法使物體運動超越這個速度。速度遠小于光速時，經(jīng)典力學完全適用。當物體的速度接近光速時，經(jīng)典力學就不適用了。Fm經(jīng)典力學受速度限制的分析伽利略和牛頓的絕對時空觀認為，同一物體運動的時間和長度（位移）在不同的參考系中，測量結(jié)果是相同的。牛頓力學的絕對時空觀絕對的，真正的和數(shù)學的時間自己流逝著，并由于它的本性而均勻的與任何外界對象無關(guān)的流逝著——牛頓絕對空間，就其本質(zhì)來說，獨立于外界任何事物，總是始終如一和靜止不動的——牛頓經(jīng)典力學的局限性1905年，26歲的德裔美籍物理學家阿爾伯特·愛因斯坦（1879─1955）發(fā)表了狹義相對論。這個理論指出在宇宙中唯一不變的是光線在真空中的速度，其它任何事物──速度、長度、質(zhì)量和經(jīng)過的時間，都隨觀察者的參考系而變化。二、從低速到高速什么是低速，什么是高速？

通常所見的物體的運動皆為低速運動，如行駛的汽車，發(fā)射的導彈、人造衛(wèi)星及宇宙飛船等。與光速相接近的速度稱為高速，有些微觀粒子在一定條件下其速度可以與光速相接近。一、從低速到高速時延（鐘慢）——時間膨脹通過這兩條假設(shè)，愛因斯坦出了很多奇葩的結(jié)論，比如：時間膨脹。說的是，如果你想對于我高速運動，那我看你的時間就會變慢，這種變慢可以理解成，如果你在高速的飛船里做操，那我這里看到的就是你在慢動作做操。而你自己其實感覺到的時間是正常流逝。所以，是以我參考系看你時間膨脹了。如果你也看到，你也會發(fā)現(xiàn)我的時間也變慢了，因為我想對于你也是在高速運動的。尺縮（矮胖）——尺度縮短高速運動狀態(tài)下，空間發(fā)生變化。以下就是0.1倍光速，0.8倍光速和0.95倍光速的情況相對質(zhì)量在經(jīng)典力學中，物體的質(zhì)量是不變的，但愛因斯坦的狹義相對論指出，物體的質(zhì)量隨速度的增大而增大m0為物體靜止時的質(zhì)量m是物體速度為v時的長度c是真空中的光速——動質(zhì)量增大二、從低速到高速能否將一物質(zhì)的速度加速至光速？質(zhì)量隨速度增大而增大

二、從低速到高速除了時間膨脹，還有尺縮效應，其實說的是如果你相對于我高速運動，那你的尺寸會縮短。你會發(fā)現(xiàn)，為什么要么和時間，要么和長度（空間）有關(guān)，這其實就和狹義相對論要統(tǒng)一的對象有關(guān)，狹義相對論統(tǒng)一了時間和空間。愛因斯坦認為時間和空間并不是分離的兩個物理量，它們會受到運動的影響。所以，我們要把它們結(jié)合起來研究，并稱為時空。由于我們生活在三維的空間內(nèi)，所以也可以叫做三維時空。而光速則是三維時空的一個特殊屬性，描述了兩個事件之間的時空間隔。說得直白點就是，你看到鏡子里的自己永遠都是過去的自己.因為這里要經(jīng)歷跑光到鏡面再跑回來，所以過去影響現(xiàn)在，現(xiàn)在影響未來，在光能跑到的范圍內(nèi)，都會影響到未來，有一句很文藝的話就是：光錐即命運。說的就是這道理。趣例當你駕駛飛快的汽車通過一個門洞時，從你的角度來看這段距離要比實際距離短得多。這種情況在日常生活中經(jīng)常被忽略不被注意是因為物體運動速度都很慢，長度收縮現(xiàn)象不明顯.。屋子中有兩盞燈，A站在兩盞燈中間，B以一定速度踩著滑板向一盞燈運動正好到達中間。當兩燈同時打開時A看到的現(xiàn)象是兩燈同時亮，而B看到的卻是面對他的那盞先亮，背對他的那盞后亮。你現(xiàn)在穿的是25厘米的鞋，但在宇宙飛船上的人測得你穿的鞋的長度可能就只有20厘米了。一、從低速到高速三、從弱引力到強引力物體間的萬有引力是弱引力，經(jīng)典力學適用天體半徑減小到一定程度時,如白矮星中子星，密度特別大，天體間的引力非常大，屬于強引力。經(jīng)典力學不再適用。黑洞這種極端條件下的宇宙天體。它有極強的吸引力，光也無法逃脫。愛因斯坦廣義相對論廣義相對論其實狹義相對論還有質(zhì)能等價的部分，說的是運動也會影響到質(zhì)量和能量，不過這并不是我們這次的重點。我們先來說說廣義相對論，廣義相對論被很多人認為是描述引力的一個理論。說的是引力的本質(zhì)是時空的彎曲。地球之所以會繞著太陽轉(zhuǎn)，就是因為太陽彎曲了周圍的時空。而地球是沿著時空的測地線在運動。這個測地線其實就是時空內(nèi)的“直線”，兩點之間的最短路徑，如果一個物體不受任何外力都會沿著測地線運動。（我們把視角降維到二維上看，就是下面這樣。）狹義相對論和廣義相對論的區(qū)別狹義相對論統(tǒng)一了時空，廣義相對論扭曲了時空其實狹義相對論描述的三維時空是平直的三維時空，也就是沒有彎曲的時空（我們也可以說這是曲率為0的時空），在這樣的時空內(nèi)，光都是沿著直線在運動的，不帶拐彎的。至于廣義相對論，它描述的是彎曲的時空的，也就是非慣性參考系。所以，狹義相對論和廣義相對論最本質(zhì)的區(qū)別就在于時空是不是彎的。相對論和量子力學的出現(xiàn)，是否表示經(jīng)典力學失去了意義?相對論和量子力學的出現(xiàn)，說明人類對自然界的認識更加廣泛和深入，而不表示經(jīng)典力學失去了意義。它只是使人們認識到經(jīng)典力學有它的適用范圍：只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界；只適用于低速運動，不適用于高速運動；只適用于弱引力，不適用于強引力。討論與交流

互為補充，互不矛盾，互不否定共同支撐起物理學科的骨架。宏觀低速高速強引力相對論、量子力學和經(jīng)典力學的關(guān)系.經(jīng)典力學狹義相對論廣義相對論量子力學微觀世界1.牛頓定律能適用于下列哪些情況？A.研究原子中電子的運動B.研究“神州”五號的高速發(fā)射C.研究地球繞太陽的運動D.研究飛機從深圳飛往北京的航線1【答案】BCD【提示】經(jīng)典力學只適用于處理宏觀物體的低速運動。練習

2.有關(guān)物體的質(zhì)量與速度的關(guān)系的說法,正確的是（）

A．物體的質(zhì)量與物體的運動速度無關(guān)

B．物體的質(zhì)量隨物體的運動速度增大而增大

C．物體的質(zhì)量隨物體的運動速度增大而減少

D．當物體的運