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经典力学的局限性

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【高中物理】高中物理知识点：经典力学的局限性

【高中物理】高中物理知识点：经典力学的局限性

【高中物理】高中物理知识点：经典力学的局限性
经典力学的局限性:
1、从低速到高速――狭义相对论：当物体运动的速度比真空中的光速小得多时，质量、时间和长度的变化很小，可以忽略，经典力学完全适用。

但如果物体运动速度可以和
光速相比较时，质量、时间和长度的变化就很大，经典力学就不再适用，狭义相对论阐述
了物体在以接近光速运动时所遵循的规律。

2、从宏观到微观――量子力学：物理学研究深入到微观世界，发现微观粒子不但具
有粒子的性质，还能产生干涉、衍射现象。

干涉和衍射是波所特有的性质。

也就是说微观
粒子具有波动性。

这是牛顿经典力学无法解释的。

正是在这种情形下，量子力学应运而生，量子力学能够很好地解释微观粒子的运动规律。

3、从弱引力到强引力――广义相对论：天文观测发现行星的轨道并不严格闭合，它
们的近日点在不断地旋进。

这种现象称为行星的轨道旋进。

这是用牛顿万有引力定律无法
得到满意解释的。

爱因斯坦创立了广义相对论，根据广义相对论计算出的水星近日点的旋
进与天文观测能很好地吻合, 爱因斯坦创立的广义相对论是一种新的时空引力理论，爱因
斯坦还根据广义相对论预言了光线在经过大质量星体附近时会发生偏转，这也是被天文观
测所证实的。

感谢您的阅读，祝您生活愉快。

第五章第1节经典力学的成就与局限性

第五章第1节经典力学的成就与局限性

C．不同领域的事物各有其本质与规律
D．人们应当不断扩展认识，在更广阔的领域内掌握不
同事物的本质与规律
返回
[思路点拨] 解答本题应注意以下三个方面： (1)两种理论是历史发展的不同阶段人类对科学的不 同认识。 (2)在弱引力作用下，低速运动的宏观世界，两种理 论是一致的。 (3)经典力学是相对论、量子理论在一定条件下的特 殊情况。
[随堂基础巩固]
返回
[课时跟踪训练]
返回
返回
[借题发挥] 人们认识发现自然规律都要经过一个曲折的过程，新 的理论的出现并不一定是对已知理论的全盘否定，如经典 力学是相对论力学在低速宏观情况下的近似。
返回
下列说经典力学
B．经典力学的基础是牛顿运动定律
C．牛顿运动定律可以解决自然界中所有的问题
D．经典力学可以解决自然界中所有的问题
返回
下列说法中正确的是
()
A．经典力学是以牛顿的三大定律为基础的
B．经典力学在任何情况下都适用
C．当物体的速度接近光速时，经典力学就不适用了
D．相对论和量子力学的出现，使经典力学失去了意义
解析：牛顿运动定律是经典力学的基础，A正确。经典
力学只适用于低速宏观的物体，B错误，C正确。相对论
和量子力学的出现，并没有否定经典力学，只是说经典
返回
解析：经典力学并不等于牛顿运动定律，牛顿运动定律只 是经典力学的基础，经典力学并非万能，也有其适用范围， 并不能解决自然界中所有的问题，没有哪个理论可以解决 自然界中所有的问题。因此只有搞清牛顿运动定律和经典 力学的隶属关系，明确经典力学的适用范围，才能正确解 决此类问题。 答案：B
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经典力学的局限性

经典力学的局限性
经典力学的局限性
一、牛顿主要贡献
牛顿三定律
牛顿
万有引力定律
变量数学微积分
经典力学的基础是牛顿运动定律， 万有引力定律更确立了牛顿的地位， 牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、 低速、弱引力的广阔领域，经受实践 检验。著名物理学家杨振宁赞颂到： “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 版的那天。”
趣例：
说船上的物体下落，从船上看是自由落体，从岸边看就是平抛了
当你驾驶飞快的汽车通过一个门洞时，从你的角度来看这段距离 要比实际距离短得多。这种情况在日常生活中经常被忽略不被注 意是因为物体运动速度都很慢，长度收缩现象不明显。
屋子中有两盏灯，A站在两盏灯中间，B以一定速度踩着滑板向一 盏灯运动正好到达中间。当两灯同时打开时A看到的现象是两灯同 时亮，而B看到的却是面对他的那盏先亮，背对他的那盏后亮。
爱因斯坦广义相对论
互为补充，互不矛盾，互不否定共同支撑起物理学科的骨架。
高速
狭义相对论
广义相对论
强引力
量子力学
经典力学
宏观低速 微观世界
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！
五、从宏观到微观
19世纪末-20世纪，深入到微观领域，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，很多情况下经典力学说明不了。
量子力学
爱因斯坦提出的光子的概念，认为光既是电磁波，又是一份一份传播的
二、经典力学的困境：
低速世界(经典力学)
高速世界（相对论）
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。

§6.6经典力学的局限性

§6.6经典力学的局限性

经典物理学上空的两朵乌云
19世纪末、20世纪初，物理学有两个发现，一是 美国人迈克尔逊和莫雷的试验，证明绝对静止的空间 是不存在的。而牛顿力学的前提是物体的运动与空间 和时间没有关系，即时间和空间在牛顿那里是绝对静 止的。二是高温物体辐射形成的光谱分析，即黑体辐 射问题。经典物理学不能解释光谱分析中所发现的现 象。这两个发现使得经典物理学在新的实践面前无能 为力，原有的严密的体系出现了漏洞。因此被人们称 为“物理学上空的两朵乌云”。
1、经典力学的发展历程
从亚里士多德和阿基米德的物理学发展到经典力学体系经历 了约两千年，经历了以哥白尼、开普勒好伽利略为时代的科学 革命。牛顿又进行了一次科学的伟大综合，即天与地、实验归 纳与理论演绎、时空观与方法论、数学与哲学、物理思维与技 术应用等方面的综合，最终形成了一个以实验为基础、以数学 表达形式的力学科学体系。
经典力学的局限性和适用范围?
二、经典力学的局限性和适用范围
1、从低速到高速
所谓高速，就是指运动速度接近于真空中的光速。 例如：在一个无限大的光滑水平
面上，有一质量为m的物体，在一个
水平恒力F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
m
F
加速度a=F/m做匀加速直线运动。
由运动学公式可知：物体的速度v=at
请分析比较下列科学家对经典力学的贡献
亚里士多德
伽利略 笛卡儿 惠更斯
牛顿
国别 古希腊,约公元前 意大
生活 384～公元前322 利,1564～
年代 年
1642年
法 国,1596 ～1650 年
荷 兰,1629～ 1695年
英 国,1642～ 1727年
主要 的科 学研 究方

经典力学的局限性

经典力学的局限性

经典力学的局限性主讲：黄冈中学高级教师涂秉清经典力学的基础是牛顿运动定律、万有引力定律的建立，它是使人们对牛顿物理学的尊敬。

牛顿运动定律、万有引力定律在宏观、低速、弱引力的广三角领域，包括天体运动的研究中，接受了实践的检验，取得了巨大的成就。

一、从低速到高速经典力学对低速运动物体（速度远小于光速）完全适用，不适用于高运动的物体。

（接近光速）爱因斯坦狭义相对论指出（20世纪初）可见v较小时m m0 v→0.8C时m→1.7m再则，对于非惯性参考系，牛顿运动定律也不适用。

车内小球放在光滑桌面上，当车突然加速前进时，甲看见小球在桌上左移，（是乎违背牛顿运动定律，乙看见球不动。

）二、从宏观到微观经典力学对于宏观世界的物体，不适用于微观粒子。

19世纪末20世纪初，人们发现微观粒子（中子、质子、电子）不仅具有等效性，同时具有波动性。

（高三时期学习），其表现形式不能完全用经典力学来说明，如电子、质子的衍射，光子的运动，相对论与量子力学的出现，才能正确描述微观粒子的运动。

三、从弱引力到强引力万有引力定律的发现，解释了天体运动的规律，并预言和发现了海王星和太阳系的其它天体，将地面上物体的运动规律与天体运动规律统一起来，将经典力学理论推上了当代科学的高峰。

但牛顿的经典力学又遇上了新的问题：四、经典力学的引力理论只适用弱引力场，不适用于强引力场（1）水星公转轨道的不断旋进按牛顿万有引力理论，水星（天体）运动应该是一椭圆或圆，然而实际的天文观测并非如此，在近日点轨道不断旋进（近日点水星处于强引力场，较其它行星近日）（2）按牛顿万有引力定律，若某球形天体质量不变，将其压缩到原半径一半的体积，天体表面引力变为原四倍（平方反比），而事实上并非如此。

爱因斯坦的引力理论表明，引力增加更快，半径越小，这种差别越大。

（3）对于高密度天体，如白矮星r=r地·ρ（108～1010kg/m3），中子星ρ（1016～1019）kg/m3。

li经典力学的局限性

li经典力学的局限性
m
0
v2 1 2 c
m0:物体静止时的质量，m:物体速度为v时 的质量，c是真空中的光速.
经典力学只适用于低速运动的物体， 不适应用于高速运动的物体
事实二：电子、质子等不仅具有粒子性，同 时还具有波动性
经典力学：物体的位置能够确定 量子力学：量子态、波粒二象性、测 不准关系
经典力学只适用于宏观世界，不适 应用于微观世界
思考：经典力学与狭义相对论、量子力学、 爱因斯坦引力论之间的关系?
狭义相对论、量子力学、爱因斯坦引力论 并没有否定经典力学，经典力学作为其在某些 条件下的局部情形，被包含在新的成就中。
经典力学与狭义相对论在速度远小于光速的时候，结 论没有区别。 经典力学与量子力学在不考虑物体的波动性的时候， 结论没有区别。 经典力学与爱因斯坦引力论在弱引力作用下时，结果 没有区别。
事实三、水星的旋进 经典力学：按牛顿的万有引力理论， 行星应该沿着一些椭圆或圆做周期性运动 广义相对论：新的时空与引力的理论
经典力学只适用于弱引力作用， 不适应用于强引力作用
课堂小结：
经典力学只适用于低速、宏观、弱 引力的情况 说明：
1、低速和高速的标准是相对于光速 2、宏观世界是指不涉及分子、原子、 电子等微观粒子的物质世界
高速
宏 观 低 速 弱 引 力
狭义相 对论
广义相 对论
Hale Waihona Puke 经典 力学量子 力学
强引力
微观世界
6
经典力学的局限性
牛顿所说:"如果说我看得远,那是因为我站在 巨人们的肩上。" 牛顿三大定律
经 典 力 学 金 字 塔 的 建 立
牛顿 笛卡尔、胡 克、哈雷等
万有引力定律
开普勒

6.5经典力学的局限性

6.5经典力学的局限性
牛顿绝对时空观 认为时间与空间无关，时空与运动无关，是绝
对的物理量。
爱因斯坦相对时空观 爱因斯坦狭义相对论指出，在宇宙中唯一不变
的是光在真空中的速度，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。
在经典力学中，物体的质量是不随运动状态 改变的。
在狭义相对论中，物体的质量随着物体的运 动速度的增大而增大。
当物体的运动速度远小于光速时，相对论物 体学与经典物理学的结论没有区别。
当“普朗克常量”可以忽略不计时，量子力 学和经典力学的结论没有区别。
相对论和量子力学是哪一种更广泛理论的特 殊情况呢？
我们现在还不知道。。。
经典力学
相对论
物体质量
m0
m
m0
1


v c
2
二者在低速条件下是统一的
经典力学是狭义相对论在低速情况下的特例
二、从宏观到微观 微观粒子具有波粒二象性
经典力学能很精确地描述宏观物体的运动规 律，但对微观粒子的波粒二象性无法说明。
量子力学能够正确能够正确地描述微观粒 子运动的规律性。
经典力学不适用于微观粒子
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。
三、从弱引力到强引力
万有引力定律的发现把经典力学推上当时科 学的顶峰。
但是有些问题按牛顿的万有引力定律无法解 释。
爱因斯坦广义相对论。
Hale Waihona Puke 相对论与量子力学都没有否定过去的科学， 而只认为过去的科学是自己在一定条件下的特殊 情形。
§6、6 经典力学的局限性
经典力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定 律更是建立了人们对牛顿物理学的尊敬。

经典力学的局限性

经典力学的局限性

从低速到高速
在处理物体的低速运动时， ★在处理物体的低速运动时，经典力学完全 适用，当物体做高速运动时， 适用，当物体做高速运动时，如以接近光 的速度运动时，经典力学就不再适用了。 的速度运动时，经典力学就不再适用了。 针对物体做高速运动时的运动规律， ★针对物体做高速运动时的运动规律，谁解 决了这个难题？建立了什么理论？ 决了这个难题？建立了什么理论？
★经典力学的局限性之二： 经典力学的局限性之二：
经典力学适用于宏观物体， ★经典力学适用于宏观物体，不适强引力
★万有引力定律的发现解释了天体的运
动规律，并预言了海王星的存在。 动规律，并预言了海王星的存在。 然而， ★然而，万有引力定律也有它解决不了 的难题…… 的难题
6 经典力学的局限性
勐海一中 物理组 小何老师
经典力学的基础是牛顿运动定律， ★经典力学的基础是牛顿运动定律，万有引 力定律更是建立了人们对牛顿物理学的尊 敬。 从地面上物体的运动到天体的运动， ★从地面上物体的运动到天体的运动，从大 气的流动到地壳的变动，从拦河筑坝、 气的流动到地壳的变动，从拦河筑坝、修 建桥梁到设计各种机械，从自行车到汽车、 建桥梁到设计各种机械，从自行车到汽车、 火车、飞机等现代交通工具的运动， 火车、飞机等现代交通工具的运动，从投 出篮球到发射导弹、人造卫星、 出篮球到发射导弹、人造卫星、宇宙飞 所以这些都服从经典力学的规律。 船……所以这些都服从经典力学的规律。 所以这些都服从经典力学的规律 ★这显示了牛顿运动定律的正确性和经典力 学的魅力。 学的魅力。
爱因斯坦这样回答： ★爱因斯坦这样回答： 在你在花前月下谈情说爱时， ★在你在花前月下谈情说爱时，你会觉得 时间过得飞快， 时间过得飞快，但是当你坐在一个炙热 的火炉旁时，你会觉得时间过得很慢。 的火炉旁时，你会觉得时间过得很慢。 这就是相对论。 这就是相对论。

经典力学的局限性

经典力学的局限性

四.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，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。 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 斯坦和牛顿引力理论计算出的力的差异急剧增大， 在强引力微观粒子的行为与宏观物体是否遵循 相同的规律。 3、时间和空间是否是绝对一成 不变的。 4、牛顿建立的经典力学已相当完善，爱因 斯坦为什么还要提出相对论？相对论是否 全盘否定了牛顿的经典力学理论？
古希腊的灿烂文化在漫长的黑暗中世纪中埋没 风尘，黯然失色。15世纪，文艺复兴的大旗飘 扬在欧洲大陆上，自然科学获得新的生命，蓬 勃成长。科学巨匠N.哥白尼、第谷、J.开普勒、 伽利略以及R.笛卡儿等先后驰名于欧洲。一场 科学革命冲破了中世纪封建势力和经院哲学的 层层罗网，不断取得胜利。
经典力学中的空间和时间
力学的目的在于描述物体在空间中的位置如 何随“时间”而改变． 这里，“位置”和“空间”应如何理解是不 清楚的．设一列火车正在匀速地行驶，我站在 车厢窗口松手丢下（不是用力投掷）一块石头 到路基上. 那么，如果不计空气阻力的影响，我 看见石头是沿直线落下的．从人行道上观察这 一举动的行人则看到石头是沿抛物线落到地面 上的．现在问：石头所经过的各个“位置”是 “的确”在一条直线上，还是在一条抛物线上 的呢？
长度收缩1
长度收缩2

6.6经典力学的局限性

6.6经典力学的局限性

著名的薛定谔方程。这个方程既描述了电子的 物质波的行为，又含有电子的粒子性的特征。 量子力学出现以后，在说明原子结构方面迅 速取得了巨大的成功，很快地被物理学家所接 受。现在它的应用已远远超出原子结构的范围， 成为物理学家研究微观世界的基本理论工具。 本节知识的应用主要涉及经典力学的局限性， 以及对相对论与量子力学的初步了解。
m =
m0 v2 1− 2 c
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 。
可见，当v＜＜c时，m≈m0；当v趋近于c时，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。
2.经典力学中速度叠加原理不再成立 2.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 v 船水 , 则在经典力学中，船相对于岸的速度为
v水岸 ,
v船岸 = v船水 + v水岸
（矢量和）
这似乎是天经地义的。但是，这个关系式涉及两 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。
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而独立存在。 这是一种崭新的时空观。

物理必修Ⅱ人教新课标6.6经典力学的局限性1

物理必修Ⅱ人教新课标6.6经典力学的局限性1
17
2、相对时间
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 （观察者所见到的）线性运动速度的加快， 时间会变慢。使用同步原子钟已证实了这 个结论的正确性，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），随后进行比较，静止的钟表 总比另一个稍微快一点。
经典力学的局限性
1
提出问题：
1、速度有无极限。 2、微观粒子的行为与宏观物体是否遵循相同的规律。 3、时间和空间是否是绝对一成不变的。 4、牛顿建立的经典力学已相当完善，爱因斯坦为什 么还要提出相对论？相对论是否全盘否定了牛顿的 经典力学理论？
2
古希腊的灿烂文化在漫长的黑暗中世纪中埋没 风尘，黯然失色。15世纪，文艺复兴的大旗飘 扬在欧洲大陆上，自然科学获得新的生命，蓬 勃成长。科学巨匠N.哥白尼、第谷、J.开普勒、 伽利略以及R.笛卡儿等先后驰名于欧洲。一场 科学革命冲破了中世纪封建势力和经院哲学的 层层罗网，不断取得胜利。
18
时钟变慢1
t
t0 v 1 c
2
19
3、相对长度
爱尔兰物理学家乔治· 佛兹杰拉德（18511901）提出，物质会在运动的方向上收缩（缩 小），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 比它静止时更短，尽管乘坐火箭的人看来并没 有什么两样。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。3
牛顿──伟大的科学家，经典物理学理论体
系的建立者──正是在欧洲出现政治、经济和 科学文化新变革的时代诞生的。
3
17 世纪牛顿力学 构成了体系 . 可以说， 这是物理学第一次 伟大的综合。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，并发展了变量 数学微积分，具有 解决实际问题的能 力。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 。

经典力学的局限性

经典力学的局限性
经典力学的局限性
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 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“未完成的 交响曲”．那么经典力学在什么范围内 适用呢?有怎样的局限性呢?
时间和空间是什么？
P36页科学漫步
二、宏观到微观
19世纪末到20世纪初，人们 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． 20世纪20年代，建立了量子力 学，它能够正确地描述微观粒子运 动的规律性，并在现代科学技术中 发挥了重要作用． 经典力学一般不适用于微观粒 子． 普朗克创立量子力学
万有引力属于弱引力．利用万有引力定律可以解 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 统一起来． 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108～ 1010kg/m3;中子星的密度更是达1016～ 1019kg/m3。这 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。
讨论与交流
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 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。
三、从弱引力到强引力

6.6 经典力学的局限性

6.6 经典力学的局限性
一、经典力学的成就
17世纪牛顿力学构成 了体系。可以说，这是物 理学第一次伟大的综合。 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，并发展了变 量数学微积分，具有解决 实际问题的能力。他开拓 了天体力学，海王星和冥 王星的发现就充分显示了 这一点 .
天地四方,古往今来发生的一切现 象都能够用力学来描述. ？？？
t
t0 v 1 c
2
相对长度：
爱尔兰物理学家乔治·佛兹杰拉德 （1851──1901）提出，物质会在运动 的方向上收缩（缩小），这意味着根据 一个静止观察者的观点，一枚以接近光 速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 有什么两样。
相对长度： 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。 ——尺缩效应
经典物理对物理学思想和科学方法作出总结，
它只适用于宏观、低速、弱引力的物体 经典力学在高速运动领域不再适用
经典力学在非惯性系不再适用
经典力学在微观领域不再适用 对于强引力，经典的引力理论也是不适用的
三、经典力学与狭义相ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ论
1905年，爱因斯坦 （1879─1955）发表了狭 义相对论:在宇宙中唯一 不变的是光在真空中的 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。
去发现的精神! ”
相对论好像是：“光彩夺目的火箭， 它在黑暗的夜空，突然划出一道道 十分强烈的光辉，照亮了广阔的未 知领域。”
——德布罗意
一、经典力学规律只能用于：
宏观物体、低速运动、弱引力。
【例题】牛顿定律能适用于下列哪些情况？ A、研究原子中电子的运动 B、研究“神州”五号的高速发射 C、研究地球绕太阳的运动 D、研究飞机从深圳飞往北京的航线

经典力学的局限性

经典力学的局限性

【答案】增大了 0.02%
经典力学的局限性
【牛顿万有引力定律与爱因斯坦引力理论的主要差异 】
A、牛顿的万有引力定律认为：物体的半径减小时，其表面上的万 有引力与半径的二次方成反比地增大，对于半径接近于零时的物 体，其表面上的万有引力接近于无穷大。 B、爱因斯坦理论认为：物体的半径减小时，其表面上的万有引力 比二次方成反比规律增大得快，引力趋于无穷大发生在接近一个 “引力半径”的时候。引力半径——假定一个球形天体的质量不 变，并通过压缩减小它的半径，天体表面上的引力将会增加，当 引力趋于无穷大时，被压缩天体半径接近的值——“引力半径”。 C、只要天体的实际半径远大于它们的引力半径，那么由爱因斯 坦和牛顿引力理论计算出的力的差异并不很大，但当天体的半径 接近引力半径时，这种差异将急剧增大，这就是说，在强引力的 情况下，牛顿引力理论将不再适用。
经典力学的局限性
【经典例题】
在经典力学中，物体的质量不随运动状态的改变而改变， 而狭义相对论指出，质量要随物体运动速度的增大而增大， 即m=________。
经典力学的局限性
【解析】
由爱因斯坦相对论知
【答案】
经典力学的局限性
【变式训练】Байду номын сангаас
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?
经典力学的局限性
【解析】
根据爱因斯坦的狭义相对论m= 得运动后的质量
增大了。m=
比为
=1.000 2m0所以改变的百分
×100%=0.02%。在这种情况下，由于质量
改变很小，可以忽略质量的改变,经典力学理论仍然适 用。而宏观物体的运动速度一般都很小(相比于光速)， 所以经典力学解决宏观物体的动力学问题是适用的。

6.6 经典力学的局限性

6.6 经典力学的局限性

6.6经典力学的局限性一． 经典力学的局限性1. 经典力学的成就。

2. 经典力学的局限性：19世纪末，出现一些经典力学无法解释的实验事实，引发了物理学上的伟大革命，导致现代物理学的诞生。

——相对论和量子力学。

二． 从低速到高速1. 低速与高速的概念。

速度接近光速，称为高速。

常见物体运动是低速运动。

2. 速度对质量的影响。

经典力学：物体质量不变；狭义相对论：物体的质量随速度增大而增大。

m =，0m —静止质量，m —运动质量3. 两个假设。

经典力学中=v v v +船岸船水水岸，但在高速领域，爱因斯坦认为该式不成立。

1905年，提出两条假设：（1）相对性原理：物理规律在一切参惯性考系中都具有相同的形式；（2）光速不变原理：在一切惯性参照系中，光速相同，都为c.三．从宏观到微观19世纪末20世纪初，人们相继发现电子、质子、中子等微观粒子，既有粒子性，又有波动性，不能用经典物理描述。

建立量子力学，解决微观粒子运动的问题。

四． 从弱引力到强引力1. 万有引力成功解释一些天体问题，但有一些还不能完全解释。

直到爱因斯坦创立广义相对论，才圆满解决了经典力学不能解释的问题。

2. 强引力： 爱因斯坦引力理论表明，当天体半径减小到一定程度时，天体间引力会非常大。

3. 弱引力下，经典力学和爱因斯坦引力理论结果相差无几。

但经典力学不适用于强引力。

五． 经典力学和相对论及量子力学的关系。

1. 经典力学适用于宏观、低速、弱引力的情况；而微观粒子的运动可用量子力学解释，高速运动和强引力的问题可由相对论解决。

2. 相对论和量子力学没有否定经典力学，经典力学是相对论及量子力学在一定条件下的近似。

六．例题分析例1. 下列说法中正确的是( )A.牛顿运动定律就是经典力学；B.经典力学的基础是牛顿运动定律；C.牛顿运动定律可以解决自然界中的所有问题；D.经典力学可以解决自然界中的所有问题。

例2. 经典力学不适用于下列哪些运动（ ）A.火箭的发射；B.宇宙飞船绕地球的运动；C.“勇气号”宇宙探测器；D.微观粒子的波动性 例3. 关于经典力学和相对论.下列说法正确的是( )A.经典力学和相对论是各自独立的学说，互不相容B.相对论是在否定了经典力学的基础上建立起来的C.相对论和经典力学是两种不同的学说，二者没有联系D.经典力学包含于相对论之中，经典力学是相对论的特例例4. 日常生活中我们并没有发现物体的质量随物体随物体的运动速度变化而变化，其原因是（）A. 运动中物体无法称量其质量；B. 物体的速度远小于光速，质量变化极小；C. 物体的质量太大；D. 物体的质量不随速度变化而变化。

六、 经典力学的局限性

六、 经典力学的局限性

六、经典力学的局限性［要点导学］1．以牛顿运动定律为基础的经典力学，在万有引力定律建立后，更趋完美。

几乎能解释当时所能看到的从天体到地面上的物体的运动现象，而且是那么地与实际相符合。

于是经典力学就被人们广泛接受，并被用到实际中去，带来了许多新技术革命，对人们的生产和生活带来了重大的影响。

2．经典力学的局限和任何理论一样，经典力学也有它的局限性，有它的适用范围。

（1）从低速到高速——狭义相对论：当物体运动的速度比真空中的光速小得多时，质量、时间和长度的变化很小，可以忽略，经典力学完全适用。

但如果物体运动速度可以和光速相比较时，质量、时间和长度的变化就很大，经典力学就不再适用，狭义相对论阐述了物体在以接近光速运动时所遵循的规律。

（2）从宏观到微观——量子力学：物理学研究深入到微观世界，发现微观粒子不但具有粒子的性质，还能产生干涉、衍射现象。

干涉和衍射是波所特有的性质。

也就是说微观粒子具有波动性。

这是牛顿经典力学无法解释的。

正是在这种情形下，量子力学应运而生，量子力学能够很好地解释微观粒子的运动规律。

（3）从弱引力到强引力——广义相对论：天文观测发现行星的轨道并不严格闭合，它们的近日点在不断地旋进。

这种现象称为行星的轨道旋进。

这是用牛顿万有引力定律无法得到满意解释的。

爱因斯坦创立了广义相对论，根据广义相对论计算出的水星近日点的旋进与天文观测能很好地吻合,爱因斯坦创立的广义相对论是一种新的时空引力理论，爱因斯坦还根据广义相对论预言了光线在经过大质量星体附近时会发生偏转，这也是被天文观测所证实的。

根据牛顿万有引力定律，假定一个球形天体总质量不变，并通过压缩减小它的半径，天体表面上的引力将会增加。

半径减小到原来的二分之一，引力增大到原来的四倍。

爱因斯坦引力理论表明，这个力实际上增大得更快些。

天体半径越小，这种差别越大。

根据牛顿的理论，当天体被压缩成半径几乎为零的一个点时，引力趋于无穷大。

爱因斯坦的理论则不然，引力趋于无穷大发生在半径接近一个“引力半径”的时候。

经典力学的局限性 课件

经典力学的局限性 课件
[答案] BC
3．从弱引力到强引力 1915年，爱因斯坦创立了广义相对论，这是一种新的 时空与引力的理论。 牛顿的万有引力定律认为：物体的半径减小到原来的 二分之一，引力增到原来的四倍，即符合“平方反比 ”规律。 爱因斯坦引力理论表明：物体间的距离减小时，它们间的 引力比“ 平方反”规比律增加得更快，半径越小，这种差别 就越大。
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＝
m1－0 vc22，其中
义相对论指出，质量要随物体 运动速度的增大而增大，即 m
＝
m0 1－vc22
，两者在速度远小于光速的条件下是统一的。
(4)经典力学认为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，在不同的 参考系 中不同。
2．从宏观到微观 经典力学能够很精确地描述宏观物体的运动规律，但对 微观粒子的波粒二象性无能为力，量子力学能够正确地描述 微观粒子运动的规律性。 以上事实说明，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。
2．两种理论的适用范围不同 经典力学理论适用于弱引力作用下，低速运动的宏观物 体。而它在强引力作用下，或高速运动或微观世界不适用。 近期建立的相对论与量子力学是一种全新的时空与引力 理论，它并没有否定经典力学理论，是在经典力学基础上加 以完善，适用范围更广、更全面。 当物体的运动速度远小于光速c(3×108 m/s)时，相对论 物理学与经典物理学的结论没有区别。当另一个重要常数即 “普朗克常量”(6.63×10－34 J·s)可以忽略不计时，量子力学和 经典力学的结论没有区别。
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趣味 例析1：
答案：m=1.7m0
1.你现在穿的是25厘米的鞋，但在宇宙飞船上的人测
请同学们 得你穿的鞋的长度可能就只有20厘米了。 阅读p49- 2.甚至于飞船上的人可能会看到你先把苹果吃了，再 看到苹果掉在了p地5上0。科学 漫步部分 3.在相对论物理学的教科书中，通常描写着一个使人
难以能理解的故事，一对年轻Fra bibliotek孪生兄弟，哥哥乘坐 一艘接近光速运动的宇宙飞船，从地球出发，在太空 遨游一圈之后返回地球，使人瞠目结舌的事发生了， 他的弟弟早已是两鬓斑白，满脸皱纹的古稀老人，而 他自己却还是一个十七八岁的英俊少年。
v v v 在经典力学中认为： 船岸= 船水+ 水岸
错误
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。
小结结论：
1.经典力学认为位移、时间的测量与参考系无关 2.相对论认为位移、时间的测量与参考系有关
Einstein 对相对论的解释:
当你和一个漂亮姑娘在一起坐一小时,你
感觉只坐了一分钟,当你坐在火炉旁一分钟,
2.科学的思想方法与求知态度：
牛顿：科学的思想方法
爱因斯坦：辩证的看问题，大胆求知，实现有意义的人生
互为补充,互不矛盾,互不否定共同支撑起
物理学科的骨架。
质疑 高速
狭义相
对论
广义相 对论
宏
观
低
经典
速 弱
力学
量子 力学
强引力
引
微观世界
力
课堂练习
1 、20世纪初，著名物理学家爱因斯坦提 出了 狭义相对论 ，改变了经典力学的一些 结论．在经典力学中，物体的质量 是 固定不变 的，而相对论指出质量随着 速度变化而 变化 。
2 、20世纪初期，建立了 量子力学 ，它 能够正确的描述微观粒子的运动规律。
练习2
牛顿定律能适用于下列哪些情况( BCD )
A、研究原子中电子的运动 B、研究“神州”五号的高速发射 C、研究地球绕太阳的运动 D、研究飞机从深圳飞往北京的航线
练习3
有关物体的质量与速度的关系的说法, 正确的是
（B ）
就好象坐了一小时,这就是相对论。
他剖析自己的科学感受时说：
学会辩证的 看待问题
“人只有献身社会,才能找出那实际
上是短暂而又有风险的生命的意义”!
“照亮我的道路,并不断给我新的勇
气去愉快地正视生活理想的是善、是 美、是真”。
Albert Einstein
世纪伟人
“ 科学的头脑就是去怀疑, 去证实, 去发现的精神! ”
2.甚至于飞船上的人可能会看到你先把苹果吃了，再 看到苹果掉在了地上。
3.在相对论物理学的教科书中，通常描写着一个使人 难以能理解的故事，一对年轻的孪生兄弟，哥哥乘坐 一艘接近光速运动的宇宙飞船，从地球出发，在太空 遨游一圈之后返回地球，使人瞠目结舌的事发生了， 他的弟弟早已是两鬓斑白，满脸皱纹的古稀老人，而 他自己却还是一个十七八岁的英俊少年。
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。
结论：经典力学局限性
经典力学(牛顿运动定律) 适用于宏观世界，不适 用微观世界。
普朗克 创立量 子力学
讨论与交流
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 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 适用范围：
体。它有极强的吸引力，黑洞本身的巨大质量造成空间
弯曲
萧伯纳的所说“科学 总是从正确走向错误”
我们的任务是不断地
修正“错误”，探索
真理，获取真知。
爱因斯坦广义相对论
1.经典力学适用范围：宏观、低速、弱引力
对于微观世界，需要应用
量子力学
对于高速运动（接近光速）需要应用 狭义相对论
对于强引力，需要应用
广义相对论
上物体的运动统一起来，是人类认识 科学诞生的标志，
史上的第一次重大飞跃。
我选牛顿《自然
2.探索科学的思维方法:
哲学的数学原理》 在1687年出版的那
重视实验、逻辑推理、数学归纳等 一天。”
我不知道在别人看来，我是什么样的人；但在我自 己看来，我不过就象是一个在海滨玩耍的小孩，为 不时发现比寻常更为光滑的一块卵石或比寻常更为 美丽的一片贝壳而沾沾自喜，而对于展现在我面前 的浩瀚的真理的海洋，却全然没有发现。
观察者来说，则以下说法中正确的是
(C )
A．时钟A走得最慢
B．时钟B走得最慢
C．时钟C走得最慢 D．时钟C走得最快
1. 完成 53页思考与练习
2. 针对目前一些人改变 国籍的事，发表的你观 点写一篇小论文。
敢于正视困难大胆求知，实 现人生的价值和生命的意义
经典力学的局限性 -适用于低速
1.质量不随速度改变 2.时间独立 3.空间独立
相对论-高速
1.质量相对 2.时间相对 3.空间相对
与速度（运动状态）有关 与参考系有关
二、从宏观到微观
19世纪末-20世纪初，深入到微观领域，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，很多情况下经典力学说明不了。
运动学 (描述物体运动)
动力学
(描述物体受力 作用下的运动)
经典力学
（牛顿力学）
经典力学的代表
在力学领域最具有影响
力的是谁？他的主要贡 献有哪些？
如果说我看得 远，那是因为 我站在巨人们
的肩上。
对经典力学做出重要贡献的科学第家一
次比
较完
整表
述了
惯性 定律
1.牛顿建立了两个定律: 牛顿运动定律, 万有引力定律。 2.发展了变量数学微积分。
解决了 完全弹
自学教材P48 并迅速浏览P51-52牛顿生涯后归纳
牛顿运动定律和万有引力定律在宏 对经典力学的评价：
观、低速、弱引力领域和天体力 著名美籍华人物
学的研究中经受了时间的检验， 取得巨大成就。
理学家杨振宁曾 赞颂到“如果一 定要举出某个人、
1.发展了天体力学把天体的运动与地 某一天作为近代
候都成立呢？ 请同学们自学p48-49内容后总结结论。
一、从低 速到高速
在经典力学中： 在狭义相对论中：
物体的质量不随
质量随物体速度
速度（运动状态）
的增大而增大
而改变
m
m0
经学思典适考力 用讨论：这一结论是否1说 明 vc 经2 典
于力低学速与 狭义相对论是矛盾的呢？
结论：在 结物论体一的致速 ，度 当VV接<<C近时C，，经经典典力力学学与不相适对用论。
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。
三、从弱引力到强引力
物体间的万有引力是经弱典引力力学，经局典限力性学适用 适用于弱引力
不适用于强引力
天体半径减小到一定程度时(即天体的质量大，体积小， 也就是密度特别大的天体，如白矮星)，天体间的引力 就趋于无穷大 ，强引力。黑洞这种极端条件下的宇宙天
A．物体的质量与物体的运动速度无关 B．物体的质量随物体的运动速度增大而增大 C．物体的质量随物体的运动速度增大而减少 D．当物体的运动速度接近光速时，质量趋于零
练习4
有三个完全相同的时钟，时钟A放在地面上，
时钟B、C分别放在两个火箭上，以速度vB和 vC朝同一方向飞行，vB＜vC． 对于地面上的
——牛顿
科学严谨的求知态度 谦虚而博大精深的精神境界
我们该如何评价牛顿？
思考：
某个同学站在磅秤测得自己的质量（即静止 质量）为60kg，那么当他以大约9.2m/s速度 百米赛跑时，他的质量是否变化随运动状态 （速度）的变化而改变？
结论： 质量不随速度（运动状态）而改变 疑惑：质量不随速度而改变，是不是在任何时
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爱因斯坦火车: B
中点
C
先到B点 再到B A点
中点
同时到达A、B
A
K’系
时间的测 D量与参考
K系
系A的选择
有关 K’系
C 火车上的观测者说:光源在AB的中点,应D同时到达A、BK两系点
地面上的人看见先到达B点，后到A点。
规律3：经典力学中的速度叠加原理不再适用
河流中的水相对于河岸的速度为v水岸,船相对于水的速 度为v船水顺流而下，则船相对于岸的相速对度论为认为为多此少表达？式
趣 味 思 考
趣 味 思 考
以上两种现象带给我们的启示是什么？
我们对事物规律的认识往往会受外部条件 影响的，认知规律是具有局限性的，不是 一成不变，科学知识也一样。
经典力学
经典力学： 是以牛顿运动定律为基础和核心的矢量力学，有时
也泛指描述低速、宏观物体机械运动的经典力学体系．
静力学 (描述静止物体)
经典时空观（牛顿时空观） 爱因斯坦时空观：
时间和空间均独立于物体 在研究物体的高速运动时，
和运动而存在
物体的长度即物占有的空间
以及物理过程、化学过程、 甚至还有生命过程的持续时
即：时间和空间与运动无关
间，都与他们的运动状态有 关。
即：时间和空间与运动 有关
趣味研讨：解释
1.你现在穿的是25厘米的鞋，但在宇宙飞船上的人测 得你穿的鞋的长度可能就只有20厘米了。