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经典力学的局限性和适用范围?
一、对牛顿运动定律受参考系限制的认识
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。设一架飞机正在匀速地行驶,从飞机上 投下一枚炸弹。那么,如果不计空气阻力的影 响,飞行员看见炸弹是沿直线落下的。从地面 上观察这一举动的行人则看到炸弹是沿抛物 线落到地面上的。
第六节 经典力学的局限性
1.了解经典力学的发展历程和伟大成就。
基本 2.认识经典力学的局限性和适用范围。 要求 3.体会科学理论总是在不断发展的。
发展 要求
1.初步了解微观和高速世界中的奇妙现象。 2.初步了解相对论、量子论的建立对人类 深入认识客观世界的作用。
1.不要求用相对论中质量随速度变化的公
伦琴发现X射线 汤姆生发现电子 贝克勒耳发现 天然放射线
宏观领域
微观世界
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。
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。
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,就好象坐 了一小时,这就是相 对论。
经典力学(牛顿 运动定律)在宏 观世界中成立 (适用),微观世 界不适用。
普朗克创立 量子力学
四、两种不同的时空观
"科学漫步"栏目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。
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பைடு நூலகம்了。
经典力学(牛顿运动定律)在低速运动的
物体(低速世界)中成立(适用)。
设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,则在经典力学中, 船相对于岸的速度为：
v船岸 v船水 v水岸 (矢量和)
1905年,出生于德国的美籍物理 学家阿尔伯特·爱因斯坦(1879-1955) 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。
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?
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THE END 17、一个人如果不到最高峰，他就没有片刻的安宁，他也就不会感到生命的恬静和光荣。2021/3/62021/3/62021/3/62021/3/6
谢谢观看
六、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。
当另一个重要的常数即"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。
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
宏 观
经典 力学
量子 力学
强引力
低
速
微观世界
七、牛顿的科学方法
"科学足迹"中总结了牛顿的科学方法, 这些科学方法值得我们借鉴。
说明
式进行计算。 2.不要求识记证明经典力学局限性的有关
事实。
6 经典力学的局限性
经典力学模块分类
静力学(描述静止物体)
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)
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 牛顿
典
力
笛卡尔、胡
学
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
经典力学只适用于低速、宏观、弱 引力的情况。
当物体的速度远小于光速c时,相对论 物理学和经典物理学的结论没有区别。
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。
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的心血,这正是牛顿的悲剧。
牛顿运动定律只适用于弱 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
引力,在强引力的作用下,牛 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。
顿的引力理论不再成立。 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。
①制成了世 界上第一架 计时摆钟。 ①三大运动
定律、②万 ②测量出重 有引力定律。 力加速度的 值。
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。
由牛顿力学定律导出的动量守恒定 律、机械能守恒律等是航空航天技术理 论的基础。火箭、人造地球卫星、航天 飞机、宇宙飞船、行星探测器等航天器 的发射,都是牛顿力学规律的应用范 例……
。2021年3月6日星期六2021/3/62021/3/62021/3/6
• 15、会当凌绝顶，一览众山小。2021年3月2021/3/62021/3/62021/3/63/6/2021
• 16、如果一个人不知道他要驶向哪头，那么任何风都不是顺风。2021/3/62021/3/6March 6, 2021
克、哈雷等
金
字
开普勒
塔
的
建
伽利略、第谷
立
万有引力定律
哥白尼、亚里士多德
科学家对经典力学的贡献
国别 生活 年代
主要 的科 学研 究方 法
亚里士多德 古希腊,约公元前 384～公元前322 年
观察、思维、推 理
伽利略
意大 利,1564～ 1642年
笛卡儿
法 国,1596 ～1650 年
观察实验、 假设、数 学推理三 者相结合
现在问:炸弹所经过的各个"位置"是"的确" 在一条直线上,还是在一条抛物线上的呢?
可见,在非惯性系中,牛顿定律不再成立。
经典力学(牛顿运动定律)在惯 性系中成立(适用)。
借助于这一实例可以清楚地知道不会 有独立存在的轨线("路程——曲线");而 只有相对于特定的参考物体的轨线。
二、经典力学受速度限制的分析
实验观 察、数 学推理
惠更斯 荷 兰,1629～ 1695年
实验、数学 推理
牛顿
英 国,1642～ 1727年
归纳与演绎、 综合与分析、 实验观察等
力学 方面 的主 要成 就
两个反面的结论: ①自由落 ①力是维持物体 体运动规 运动的原因。 律。
②重的物体比轻 ②力学相 的物体下落得快。 对性原理
惯性定 律
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:
m
m0 v2
1 c2
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 。
m
m0
v2 1 c2
可见,当v<<c时,m≈m0;当v趋近于
质量这三者都 与参考系的运
动有关。
爱因斯坦
狭义相对 论
经典时空观与相对论时空观
经典时空观 狭义相对论时空观
光速 相对的
绝对的(不变)
同时 绝对的
相对的
时间与 与运动无关, 与运动有关,
空间 绝对的
相对的
质量
与运动无关, 不变的
随速度增加而增大
五、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
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!
三、经典力学在分析宏观与微观的困难
