经典力学的局限性-高一下学期物理人教版必修2

学习目标：重、难点：1、经典力学的局限性和范围第六章万有引力与航天6.6经典力学的局限性制作者：河南驻马店高级中学李阳*

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。

如：18世纪60年代，力学与热力学的发展及其与生产的结合，使机器和蒸汽机得到改进和推广，引发了第一次工业革命。

如：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…………一、经典力学的发展过程及伟大成就牛顿说：“如果说我看得远，那是因为我站在巨人们的肩上。”重大成就时间阿基米德发现浮力定律公元前三世纪开普勒发现行星运动定律1609，1619伽利略阐明了运动的相对性原理1632伽利略发现了自由落体运动规律、惯性原理1638帕斯卡发现帕斯卡原理1653马德堡半球实验、验证大气压力1663发现胡克定律——弹簧弹力和形变的关系1678牛顿发表《自然哲学的数学原理》，阐明了运动定律和万有引力定律1687牛顿说：“如果说我看得远，那是因为我站在巨人们的肩上。”科学家亚里士多德伽利略笛卡儿惠更斯牛顿国别年代古希腊，前384～前322意大利，1564～1642法国，1596～1650荷兰，1629～1695英国，1642～1727主要的科学研究方法观察、思维、推理。观察实验、假设、数学推理实验观察、数学推理实验、数学推理归纳与演绎、综合与分析、实验观察力学方面的主要成就①力是维持物体运动的原因。②重的物体比轻的物体下落得快。①自由落体运动规律②力学相对性原理惯性定律①制成了世界上第一架计时摆钟。②测量出重力加速度值。①三大运动定律、②万有引力定律。牛顿说：“如果说我看得远，那是因为我站在巨人们的肩上。”(一)、经典时空观（绝对时空观）：（1）同时的绝对性（2）时间间隔的绝对性（3）空间距离的绝对性超新星爆发的持续时间：实际：2年！？牛顿：25年。{

时间、长度和质量这三者都与参考系的运动无关。——困境一、从低速到高速二、经典物理学的困境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？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．牛顿力学的绝对时空观

绝对的，真正的和数学的时间自己流逝着，并由于它的本性而均匀的与任何外界对象无关的流逝着。——牛顿绝对空间，就其本质来说，独立于外界任何事物，总是始终如一和静止不动的。——牛顿经典力学受速度限制的分析牛顿的绝对时空观认为，同一物体运动的时间和长度（位移）在不同的参考系中，测量结果是相同的。“萨尔瓦阿弟”大船1632年,伽利略在“萨尔瓦阿蒂”大船上做过的实验：伽利略相对性原理:在彼此作匀速直线运动的惯性系中，一切力学现象都具有相同的规律。(二)、相对论时空观:（1）同时是相对的（3）动尺变短（4）运动的物体质量变大（1）不同惯性参考系，物理规律相同1、两条基本假设：（2）任何惯性系，光速不变2、狭义相对论结论：（2）动钟变慢

时间、长度和质量这三者都与参考系的运动有关。*爱因斯坦狭义相对论

“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”。

“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”!他剖析自己的科学感受时说：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。“

科学的头脑就是去怀疑,去证实,

去发现的精神!”AlbertEinstein世纪伟人光速同时时间与空间质量经典时空观狭义相对论时空观相对的绝对的（不变）绝对的与运动无关，绝对的与运动无关，不变的相对的与运动有关，相对的随速度增加而增大经典时空观与相对论时空观：经典力学仅适用于低速运动物体；高速运动物体用狭义相对论解释。结论1：自然和自然的法则在黑暗中隐藏；上帝说，让牛顿去吧！于是一切都被照亮。魔鬼说，让爱因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。相对论原稿相对论好象是：“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

瞬间一别路漫漫，但觉未过光速关。钟尺合须静里用，云山偏向动中看。时空相对非虚语，质能并增岂等闲。权将电波传信息，只缘相见难上难。跨箭相期星际游，一别瞬息见三秋。动境钟尺多疑难，因果规律乃存留。质能守恒惊人数，时空相对尽眼收。权将光波通信息，归来尚须苦作舟。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——困境二、从宏观到微观二、经典物理学的困境

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。普朗克创立量子力学经典力学仅适用于宏观世界；微观世界用量子力学解释。结论2：普朗克常量：h=6.63×10-34J.s

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（参见教材图6.6-1），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。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。——困境三、从弱引力到强引力经典力学仅适用弱引力；强引力用广义相对论解释。结论3：二、经典物理学的困境总结：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狭义相对论。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。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，需要应用广义相对论。当天体的实际半径远大于它们的引力半径时，爱因斯坦引力理论和牛顿引力理论计算出的力的差异并不很大。经典力学狭义相对论广义相对论量子力学互为补充，互不矛盾，互不否定共同支撑起物理学科的骨架。宏观低速高速微观世界强引力【提示】经典力学只适用于处理宏观物体的低速运动。例1.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【答案】不矛盾。牛顿力学规律只在惯性参考系中成立。例2.两台升降机甲、乙同时自由下落甲上的人看到乙是静止的，也就是说，在甲看来，乙的运动状态并没有改变，但是乙确实受到向下的地球引力。根据牛顿定律，受到外力作用的物体，其运动状态一定会改变，这不是有矛盾吗？你是如何理解的？例3.有关科学家和涉及的事实，正确的说法是

A．哥白尼创立了日心说

B．伽利略发现了行星运动规律

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