经典力学的局限性(刘玉兵)

强引力： 强引力：
爱因斯坦引力理论表明， 爱因斯坦引力理论表明，当天体半径减小到一定程 度时(太阳的引力半径为3 km，地球的引力半径为1 m)， 度时(太阳的引力半径为3 km，地球的引力半径为1 m)， 天体间的引力就趋于无穷大． 天体间的引力就趋于无穷大．
三、从弱引力到强引力
1、实际的天文观测，行星的运行轨道并不是严格闭合的， 实际的天文观测，行星的运行轨道并不是严格闭合的， 它们的近日点在不断地旋进．经典力学的解释令人满意吗? 它们的近日点在不断地旋进．经典力学的解释令人满意吗?用 什么理论来圆满地进行了解释? 什么理论来圆满地进行了解释? 按牛顿的万有引力定律推算， 按牛顿的万有引力定律推算，行 星的运动应该是一些椭圆或圆，行星 星的运动应该是一些椭圆或圆， 沿着这些椭圆或圆做周期性运动， 沿着这些椭圆或圆做周期性运动，与 实际观测结果不符． 实际观测结果不符．经典力学也能作 出一些解释，但是， 出一些解释，但是，水星旋进的实际 观测值比经典力学的预言值多． 观测值比经典力学的预言值多．经典 力学的解释不能令人满意． 力学的解释不能令人满意． 爱因斯坦根据广义相对论计算出水星近日点的旋进还应有 43’的附加值 同时还预言了光线在经过大质量的星体附近时， 的附加值， 43 的附加值，同时还预言了光线在经过大质量的星体附近时， 如经过太阳附近时会发生偏转现象．并且都被观测证实． 如经过太阳附近时会发生偏转现象．并且都被观测证实．
相对论和量子力学都没有否定过去的科学， 相对论和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。 认为过去的科学是自己在一定条件下的特殊情形。
一、从低速到高速
2、速度合成与参考系 一条河流中的水以相对河岸的速度V 流动， 一条河流中的水以相对河岸的速度V水岸流动，河中的 船以相对于河水的速度V 顺流而下．在经典力学中， 船以相对于河水的速度V船水顺流而下．在经典力学中，船 相对于岸的速度即为 V船岸=V船水+V水岸 经验告诉我们，这简直是天经地义的．但是， 经验告诉我们，这简直是天经地义的．但是，仔细一 看，这个关系式涉及两个不同的惯性参考系，而速度总是 这个关系式涉及两个不同的惯性参考系， 与位移(空间长度)及时间间隔的测量相联系．在牛顿看来， 与位移(空间长度)及时间间隔的测量相联系．在牛顿看来， 位移和时间的测量与参考系无关， 位移和时间的测量与参考系无关，正是在这种时空的观念 上式才成立。 下，上式才成立。 然而，相对论认为， 然而，相对论认为，同一过程的位移和时间的测量在 不同的参考系中是不同的，因而上式不能成立， 不同的参考系中是不同的，因而上式不能成立，经典力学 也就不再适用了。 也就不再适用了。
三、从弱引力到强引力
3、历史上的科学成就与新的科学成就的关系是怎样? 历史上的科学成就与新的科学成就的关系是怎样? 历史上的科学成就不会被新的科学成就所否定， 历史上的科学成就不会被新的科学成就所否定， 而是作为某些条件下的局部情形， 而是作为某些条件下的局部情形，被包括在新的科学 成就之中． 成就之中．如：当物体的速度远小于光速c时，相对论 当物体的速度远小于光速c 与经典理论的结论没有区别；当另一个重要常数即 与经典理论的结论没有区别； s)可以忽略不计 “普朗克常数”h(6．63X10-34J·s)可以忽略不计 普朗克常数”h(6． s) 时．量子力学和经典力学的结论没有区别．相对论和 量子力学和经典力学的结论没有区别． 量子力学都没有否定过去的科学， 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。 学是自己在一定条件下的特殊情形。
一、从低速到高速
低速：速度远小于真空中的光速。 低速：速度远小于真空中的光速。 高速：速度与真空中的光速相接近。 高速：速度与真空中的光速相接近。 经典力学只适用于低速运动， 经典力学只适用于低速运动，不适用于高速运动
二、从宏观到微观
19世纪末到20世纪初，人们相继发现了电子、质子、 19世纪末到20世纪初，人们相继发现了电子、质子、中 世纪末到20世纪初 子等微观粒子，发现它们不仅具有粒子性，面且具有波动性， 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． 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， 世纪20年代， 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。 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． 经典力学一般不适用于微观粒子． 相对论和量子力学的出现， 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， 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． 加广泛和深入，而不表示经典力学失去了意义．它只是使人 经典力学有它的适用范围： 们认识到经典力学有它的适用范围 只适用于低速运动， 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。 适用于高速运动，只适用于宏观世界，不适用于微观世界。
经典力学在如此广泛的领域里与实际相符合， 经典力学在如此广泛的领域里与实际相符合，显 示了牛顿运动定律的正确性与经典力学的魅力。 示了牛顿运动定律的正确性与经典力学的魅力。
经典力学的伟大成就
把人类对整个自然界的认识推进到一个新水平， 1、把人类对整个自然界的认识推进到一个新水平，牛顿从力 学上证明了自然界的统一； 学上证明了自然界的统一； 2、经典力学的建立首次明确了一切自然科学理论应有的基本 特征，这标志着近代理论自然科学的诞生， 特征 ， 这标志着近代理论自然科学的诞生 ， 也成为其他各 门自然科学的典范； 门自然科学的典范； 3、经典力学的建立对自然科学和科技的发展、社会的进步具 经典力学的建立对自然科学和科技的发展、 有深远影响： 有深远影响： ①经典力学形成的科学研究方法的推广应用； 经典力学形成的科学研究方法的推广应用； 经典力学与其他基础科学相结合产生了许多交叉学科， ② 经典力学与其他基础科学相结合产生了许多交叉学科， 促进了自然科学的进一步发展； 促进了自然科学的进一步发展； 经典力学在科学技术上有广泛的应用， ③ 经典力学在科学技术上有广泛的应用 ， 促进了社会文明 的发展。 的发展。
三、从弱引力到强引力
2、何为天体的引力半径? 何为天体的引力半径? 假定一个球形天体的质量不变， 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， 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 趋于无穷大时，被压缩天体半径接近的值 引 力半径” 力半径”． 只要天体的实际半径远大于它们的引力半径， 只要天体的实际半径远大于它们的引力半径， 那么爱因斯坦和牛顿的理论计算出的力的差异并不 很大．但当天体的实际半径接近引力半径时，这种 很大．但当天体的实际半径接近引力半径时， 差异将急剧增大．这就是说，在强引力的情况下， 差异将急剧增大．这就是说，在强引力的情况下， 牛顿的万有引力理论将不再适用． 牛顿的万有引力理论将不再适用．
经典力学经受了实践的检验， 经典力学经受了实践的检验，取得了巨大的成功
从地面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、修建桥梁到设计各种机械 从拦河筑坝、 从自行车到汽车、火车、飞机等各种交通工具 从自行车到汽车、火车、 从投出的篮球到发射火箭、人造卫星、宇宙飞船 从投出的篮球到发射火箭、人造卫经典力学只适用于宏观世界，不适用于微观世界
三、从弱引力到强引力
弱引力： 弱引力：
万有引力属于弱引力． 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， 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． 天上的星体运动规律与地面物体的运动规律统一起来．
一、从低速到高速
1、质速关系 在经典力学中，物体的质量是不变的， 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， 义相对论指出，物体的质量随速度的增大而增大，即
m= m0 v2 1− 2 c
其中m0为静止质量，m是物体速度为v时的质量，c是真空 其中m 为静止质量， 是物体速度为v时的质量， 中的光速. 中的光速. 例如： 例如： (1)v＝0.8c时，物体的质量约增大到静止质量的1.7倍，这 (1)v＝0.8c时 物体的质量约增大到静止质量的1.7倍 1.7 时经典力学就不再适用了． 时经典力学就不再适用了． (2)如地球以 如地球以v 30km／ 的速度绕太阳公转时， (2)如地球以v＝30km／s的速度绕太阳公转时， 它的质量增大十分微小，可以忽略不计． m=1.000000005mo，它的质量增大十分微小，可以忽略不计．
练习1 20世纪初， 练习1．20世纪初，著名物理学家爱因斯坦提出 世纪初 改变了经典力学的一些结论． 了 狭义相对论 ，改变了经典力学的一些结论．在经 典力学中， 典力学中，物体的质量是 固定不变 的，而相对论指 出质量随着速度增大而 增大 。 练习2 练习2．微观粒子的运动不仅具有 粒子 性．同时 具有波动性． 具有波动性．它们的运动规律很多情况下不能用经典 力学来说明．要正确描述微观粒子的运动规律， 力学来说明．要正确描述微观粒子的运动规律，需要 用 量子力学 。 练习3．牛顿运动规律只适用于 宏观、低速 物体 练习3 宏观、 的运动， 的运动，狭义相对论阐述物体在以 接近光速 的速度 运动时所遵从的规律． 运动时所遵从的规律．
从低速到高速： 从低速到高速：
经典力学只适用于低速运动， 经典力学只适用于低速运动，不适用于高速运动
从宏观到微观： 从宏观到微观：
经典力学只适用于宏观世界，不适用于微观世界 经典力学只适用于宏观世界，
从弱引力到强引力： 从弱引力到强引力：
经典力学只适用于弱引力， 经典力学只适用于弱引力，不适用于强引力