经典力学和物理学的革命

经典力学与物理学的革命一、学习目标1、通过实例，了解经典力学的发展历程和伟大成就，体会经典力学创立的价值和意义，认识经典力学的实用范围和局限性。

2、初步了解经典时空观和相对论时空观，知道相对论对人类认识世界的影响。

3、初步了解微观世界中的量子化现象，知道宏观物体和微观粒子的能量变化特点，体会量子论的建立深化了人类对物质界的认识。

4、体会科学研究方法对人类认识自然的重要作用，举例说明物理学的进展对于自然科学的促进作用。

二、重点与难点1、重点:通过具体实例了解经典力学的伟大成就和局限性，了解物理学理论的发展，认识物理学对科技发展和社会进步的巨大影响，体会物理学在推动人类文明进步中所起的重要作用。

2、难点:对相对论、时空观和量子论的理解。

三、知识点精讲(一)经典力学的成就与局限性1、经典力学在科学史上的成就经典力学的成就在近代自然科学史上具有划时代的意义，这不仅因为在16～18世纪，只有力学唯一地达到成熟阶段，形成了系统化和理论化的知识体系，而且因为它把人类对整个自然界的认识推进到一个新水平，它对当时各门自然学科的发展都产生了深刻的影响。

第一，概念是对客观事物本质或本质属性的理性认识，概念的形成和确立是经验的结晶、感知升华、思维的产物，概念是自然科学的规律和理论赖以建立的支柱和构件，新理论的建立，或是提出新概念之间的新联系。

显然，如果没有牛顿及后人严格定义的力、惯性、质量、位移、速度、参考系、惯性系、动量、能量、角动量、冲量、功、力矩、冲量矩、刚体、弹性体、理想流体、振动、波，以及绝对时间，绝对空间等等概念，就谈不上经典力学，也无法理解牛顿的时空观，同样也无法有今天的物理学的发展。

正是牛顿开创性的工作和多少科学家的创造性劳动，才为今天的物理学的发展提供了坚实的基础。

第二，牛顿三定律是物理学乃至整个自然科学中第一个完整的理论体系，它把天地间万物的机械运动规律概括在一个严密的统一理论之中，这是人类认识自然进程第一次理论大综合。

牛顿运动三定律是经典力学中最重要的成就，这一成就在科学史上的意义表现在：(1)牛顿运动定律把人们对机械运动(位置变动)的认识从运动学的水平提高到动力学的水平。

运动学是人们通过速度、加速度等物理量描述或研究物体是怎样运动的、它遵循着什么规律、经过什么轨迹，但没有考虑物体位置或运动状态改变的原因。

动力学则揭示它的原则，给出了力及其所引起的运动状态变化之间的量的关系，从而使人们不仅了解物体的运动是怎样的，而且能够说明它为什么这样运动。

(2)经典力学把对物体运动状态的描述从变化的结果提高到对变化过程的认识，即从对某一时间间隔的最初状态和最终状态的描述提高到对一无限短的时间间隔中的瞬时状态的描述。

牛顿运动定律不仅能描写匀速或匀加速运动中物体运动状态的变化，而且能描写非匀加速运动中物体在每一瞬间的运动状态，即能描写物体从一种状态变化到另一种运动状态的过程。

(3)牛顿力学把原来被看成孤立的力学事件联系起来形成一个因果的链条。

根据牛顿第二定律，只要我们知道了作用在某物体上的力和这一物体的初始速度就可以根据运动方程推算出这一物体的加速度，推算出它在此以前或以后的任一时刻的瞬时速度。

这样一来，一个物体在某一时刻所具有的运动状态可以看作是由它之前的运动状态按某一加速度变化而来的。

前面的运动状态是因，后面的运动是果，因此，一个物体的各个运动状态就不再是孤立的，而是前后有机地联系在一起的因果链条。

牛顿运动定律正是刻画这一因果关系的科学根据，运动三定律把自然界中的一切力学事件联结成一个统一的整体，其中一个事件是另一个事件的原因，后者则为前者的结果，它们一环扣一环地连成一个因果系列，这就是认识论的因果关系的确立。

第三，经典力学的建立，也使自然观发生了巨大的变化，形成了机械唯物主义的自然观，即将一切运动的原因都归结为机械运动，将一切运动的原因都归结为力，把力学的规律作为说明一切的依据，用力学的尺度衡量一切自然事物。

机械唯物主义自然观把自然界中起作用的原因归纳为自然界本身的规律的作用，有利于促使科学家去探索自然界的规律。

(机械自然观在18～19世纪的自然科学中，特别是在物理学中成为占主导地位的科学思想和认识方法。

以至于当19 世纪的科学发展，特别是19世纪末、20世纪初的物理学革命冲破这一自然观时，一些科学家还深深地沉醉于它的成功，对新的发现不能理解。

)第四，经典力学是经典物理学和天文学的基础，也是现代工程力学以及有关的工程技术的理论基础。

第五，牛顿力学的建立显示了归纳和演绎、综合与分析方法的威力，开始了在物理学中寻找联系，发现规律，提供统一解释的持久追求。

综上所述，牛顿力学在物理学发展进程中有着极其重要的地位，即使在物理学蓬勃发展的今天仍然有不断更新的生命力。

2、经典力学的局限性20世纪以来，由于物理学的发展，经典力学的局限性暴露出来。

(1)经典力学只适用于处理物体的低速运动问题，而不能用于处理高速运动问题。

经典力学把时间和空间看作是彼此无关的；把时间和空间的基本属性也看作与物质的运动没有任何关系，而是绝对的、永远不变的。

这就是所谓经典力学中的“绝对时间”和“绝对空间”的观点，也称作牛顿绝对时空观。

但是，随着物理学的发展，特别是19世纪末有了新的实验发现，结果使经典力学和经典电磁理论遇到了很大的困难，牛顿的绝对时空观和建立在这一基础上的经典力学开始陷入了无法解决的困境。

经典力学实际上只适用于与光速相比低速运动的情况。

在高速运动情况下，时间和长度不能再认为与观测者的运动无关。

(2)确定性与随机性、非线性经典力学认为，运动物体的行为，是由过去(或现在)的运动状态以及物体所受的作用力决定的，这就是牛顿力学(或经典力学)的确定性。

即如果知道物体初始的运动状态以及运动过程中的受力情况，那么就可以根据牛顿运动定律列出物体的运动方程，从而可以确知物体在任意时刻的运动状态。

事实上，确定性的确取得了大量令人振奋的成就，如哈雷彗星回归时间的预测、海王星的发现、宇宙飞船与空间站的对接和返回地球等等。

然而事实上，物体的运动并非都是只按照确定性进行的，在许多情况下，物体的运动还表现出相当明显的偶然性、随机性。

例如，做抛体运动的物体的运动轨迹会因为空气的阻力、温度和湿度、风速等因素的影响而发生随机的变化。

表现物体运动随机性的最典型的例子是布朗运动。

藤黄粒子在水中运动的轨迹是一些无规则的折线，这表明藤黄粒子的运动除了与其起始运动状态，以及所受的浮力、粘滞力有关外，更重要的是与水分子对其碰撞有关。

由于水分子对藤黄粒子碰撞的偶然性，致使其因碰撞而受到冲力的大小和方向也都具有偶然性。

这就告诉我们，藤黄粒子在水中运动轨迹的无规律性，既反映了确定性，又反映了随机性。

或者说藤黄粒子的运动既不是完全确定性的，也不是完全随机性的。

由此可见，自然界存在的运动是确定性和随机性兼而有之的。

我们把确定性运动具有的这种不确性的现象称之为混沌(Chaos)。

(3)能量的连续性与能量量子化在经典力学中，物体的运动状态是用它的位置和速度(或动量)来描述的，而且物体的位置和动量在任何时刻都可具有各种可能的数值，即它们的变化是连续的。

由此可知，在经典力学中，物体的能量变化亦是连续的。

直至20世纪，普朗克在说明黑体辐射的规律时，首先冲破了能量连续性这一传统观念的束缚，提出了能量量子化的设想，认为能量是不连续的，而是一份一份的，即量子化。

能量量子化是微观粒子的重要性质之一。

它指出经典物理不能用来描述像电子、光子、质子等微观粒子的运动。

这样，继狭义相对论之后，经德布罗意、薛定谔等人的工作逐步建立了符合微观粒子特点的新的力学——量子力学。

量子力学还指出，描述物体(微观粒子)运动状态的位置和动量有相互联系，但不能同时精确确定，而且一般做不连续的变化。

对于诸如电子、光子等微观粒子，一般要用量子力学来描述它们的运动规律。

但是，对于宏观物体，用量子力学和用经典力学所得的结果则相差极微。

所以说，经典力学一般不适用于微观粒子，而只适用于宏观物体。

由上可知，以牛顿定律为基础建立起来的经典力学，只对宏观物体，且其运动速度比较小时才适用。

(二)经典时空观与相对时空观1、经典时空观(1)同时的绝对性。

绝对时空观中的同时是绝对的。

就是说，在两个不同地点发生的两个事件，只要对一个惯性参考系来说是同时，那无论对什么惯性参考系来说都是同时的。

例如，有—辆做匀速直线运动的火车，车厢内观察者看到两个事件是同时发生的，那站在站台上的观察者也必定看到两个事件是同时发生的。

反过来说也如此。

在这点上，经典时空观与人们的日常生活经验似乎是一致的。

(2)时间间隔的绝对性。

例如一个人看到自己的手表走过—分钟，往往以为世界上所有的钟和表也都同样地走过一分钟，而不管是在哪一种运动状态的钟，这就是时间间隔的绝对性。

(3)空间距离的绝对性。

例如一把直尺的长度，如果从某一个参考系测量它是一尺，那么，我们的日常经验会以为从任何参考系来测量它，它仍旧是一尺，而与参考系的运动状态无关。

显然以上结论与我们日常生活相符，所以绝对时空观很容易被人们接受；而且绝对时空观与经典力学是一致的，所以在经典力学广泛应用的过程中，牛顿的绝对时空观也广为流传。

在大约一个世纪的时间里，人们都以绝对时空观上认识和思考世界。

2、相对论时空观(1)相对论的创立对人们的思维方式产生了深刻的影响。

人们从中领悟：对同一个事物，不同的人从不同的角度来观察。

观察的结果会有一定的差异。

所以我们不应当把自己的认识绝对化，尽管这种认识是合理的。

相对论时空观使我们摒弃了一些习以为常但却并不止确的成见，也是人类突破牛顿绝对时空观的束缚，走向现代物现学真理的一场伟大科学革命。

(2)相对论严格地考察了时间、空间、物质和运动这些物理学的基本概念，揭示了空间――时间的辩证关系以及物质同时空的关系，给出了科学而系统的时空观和物质观，加深了人们对物质和运动的认识，反映了自然科学的辩证唯物主义倾向，从而使物理学在逻辑上成为更完美的科学体系。

(3)没有相对论，现代物理学不可能存在。

狭义相对论在很大程度上解决了19世纪以来出现的古典物理学危机，推动整个物理学理论的革命，并且为原子物理学的发展和应用提供了依据；可以说，相对论的建立是现代物理学最伟大的成就之一，对于现代物理学的发展和现代人类思想的发展都有巨大的影响。

(4)经典力学与绝对时空观可以很好的对付运动较慢的诸如苹果、行星的问题，但在处理以光速或接近光速运动的物体时却根本无效。

实际上，经典力学是相对论在低速条件下的近似。

小结和归纳经典时空观与狭义相对论时空观的主要区别。

如下表所示：3、几个概念和现象的解释(1)关于“同时”的概念有一些物理概念是很平凡的，但平凡的概念却往往不是简单的。

比如，“今天早上八时我在家里开始看书”，这是一句很普通的活，然而，其中已经涉及两个最基本的概念。