高中物理第六章万有引力与航天6.6经典力学的局限性

6经典力学不足第1页经典力学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尊敬。著名物理学家杨振宁曾赞颂到：“假如一定要举出某个人、某一天作为近代科学诞生标志，我选牛顿《自然哲学数学原理》在1687年出版那一天。”第2页像一切科学一样，它没有也不会穷尽一切真理，它也有自己不足．它像一切科学理论一样，是一部“未完成交响曲”．那么经典力学在什么范围内适用呢?有怎样不足呢?第3页一、从低速到高速比如：在一个无限大光滑水平面上，有一质量为m物体，在一个水平恒力F作用下，从静止开始运动。依据牛顿第二定律可知物体将以加速度a=F/m做匀加速直线运动。由运动学公式可知：物体速度v=at推理：伴随时间推移，物体速度不停增大，最终可使物体取得任意速度。但事实并非如此。常识告诉我们，物体运动速度是有极限，现在已知最大速度是光速，且现在也无法使物体运动超越这个速度，这是经典力学无法解答。这是什么原因造成呢？是否经典力学错误？Fm第4页

爱因斯坦在狭义相对论中阐述了物体以靠近光速运动所遵照规律，得出了一些不一样与经典力学观念和结论。1、在经典力学中，物体质量是不随运动状态改变，而狭义相对论认为：物体质量要随物体运动速度增大而增大，即第5页比如：(1)v＝0．8c时，物体质量约增大到静止质量1．7倍，这时经典力学就不再适用了．(2)如地球以v＝30km／s速度绕太阳公转时，它质量增大十分微小，能够忽略不计，经典力学完全适用。质速关系

说明m0为静止质量，m是物体速度为v时质量，c是真空中光速

第6页2、运动物体和静止物体相比不但质量变了，而且沿运动方向长度和时间都要改变，都含有相对性。下面事例能够帮助我们了解相对论1971年8月一天，一名前苏联飞行员例行飞行时，无意中“闯进”古埃及，他看到一座座金字塔刚才奠起塔基……1982年一位北约飞行员在一次飞行训练中，视野里竟然出现了数百只恐龙，飞机竟然来到史前非洲大陆。1970年一架272客机在飞向迈阿密国际机场旅途中，也无故“失踪”了10分钟，10分钟后，客机又在原来地方出现。失踪一刹那，教授们惟一解释是时间“静止”不动了第7页时间和空间是什么？第8页时间和空间是什么？第9页二、宏观到微观

19世纪末到20世纪初，人们相继发觉了电子、质子、中子等微观粒子，发觉它们不但含有粒子性，面且含有波动性，它们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规律性，并在当代科学技术中发挥了主要作用．经典力学普通不适合用于微观粒子．

普朗克创建量子力学第10页相对论和量子力学出现，是否表示经典力学失去了意义?相对论和量子力学出现，说明人类对自然界认识愈加广泛和深入，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适用范围：只适合用于低速运动，不适合用于高速运动，只适合用于宏观世界，不适合用于微观世界。讨论与交流

第11页三、从弱引力到强引力

万有引力属于弱引力．利用万有引力定律能够解释天体运动，并预言和发觉了海王星和冥王星，首次把天上星体运动规律与地面物体运动规律统一起来．

不过宇宙中有一些天体，比如白矮星，他们质量靠近太阳，半径却与地球差不多，所以密度高达108～1010kg/m3;中子星密度更是达1016～1019kg/m3。这些天体表面引力比我们常见引力强多，牛顿引力理论已经不适用了。第12页按牛顿万有引力定律推算，行星运动应该是一些椭圆或圆，行星沿着这些椭圆或圆做周期性运动，与实际观察结果不符．经典力学也能作出一些解释，不过，水星旋进实际观察值比经典力学预言值多．经典力学解释不能令人满意．爱因斯坦依据广义相对论计算出水星近日点旋进还应有43’附加值，同时还预言了光线在经过大质量星体附近时，如经过太阳附近时会发生偏转现象．而且都被观察证实．讨论与交流

1、实际天文观察，行星运行轨道并不是严格闭合，它们近日点在不停地旋进．经典力学解释令人满意吗?用什么理论来圆满地进行了解释?第13页假定一个球形天体质量不变，并经过压缩减小它半径，天体表面上引力将会增加，半径降低到原来二分之一，引力增加到原来4倍。这就是日常说“反平方”规律。爱因斯坦引力理论表明，这个力实际上增加更加快些。天体半径越小，这种差异越大。当引力趋于无穷大时，被压缩天体半径靠近值——“引力半径”．在太阳或行星引力场中，由爱因斯坦和牛顿理论计算出力差异并不很大．但当日体实际半径靠近引力半径时，这种差异将急剧增大．这就是说，在强引力情况下，牛顿万有引力理论将不再适用．讨论与交流

2、何为天体引力半径?

第14页对于这么科学发展过程，英国剧作家萧伯纳曾诙谐地说：“科学总是从正确走向错误．”这种调侃倒也不失为一个幽默表述．讨论与交流

第15页讨论与交流

3、历史上科学成就与新科学成就关系是什么?

历史上科学成就不会被新科学成就所否定，而是作为一些条件下局部情形，被包含在新科学成就之中．如：当物体速度远小于光速c(3X108m／s)时，相对论与经典理论结论没有区分；当另一个主要常数即“普朗克常数”h(6．63X10-34J·s)能够忽略不计时．量子力学和经典力学结论没有区分．相对论和量子力学都没有否定过去科学，而只认为过去科学是自己在一定条件下特殊情形．第16页相对论和量子力学是哪一个更广泛理论特殊情形呢？我们现在还不知道……”讨论与交流

第17页以牛顿运动定律为基础经典力学适用范围是什么?总结经典力学只适合用于处理低速运动问题，不能用来处理高速运动问题，经典力学只适合用于宏观物体，普通不