《6.6 经典力学的局限性》教案

这节课我们学习《经典力学的局限性》，是脑洞大开的一节课。

首先我们来了解什么是经典力学？所谓经典力学主要包括两部分：牛顿三大运动定律和万有引力定律。

这是经典力学的两大理论支柱，也是我们到今天一直在学习的内容。

著名物理学家杨振宁曾赞颂道：“如果一定要举出某个人、某一天作为近代科学诞生的标志，我选牛顿《自然哲学的数学原理》在1687年出版的那一天。

”【图片】
但是“金无足赤人无完人”，经典力学没有也不会穷尽一切真理，它也有自己的局限性。

它像一切科学理论一样，是一部“未完成的交响曲”。

（尼尔斯·玻尔的“对应性原理”）比方说：生物研究告诉我们“摄入水分对生物体有益。

”但是这一结论有一定的适用范围——不能摄入过多的水，否则细胞就会吸水胀破；也不能水分过少，否则细胞就会失水皱缩，如果是植物细胞的话就会发生质壁分离。

那经典力学所能解释和解决的问题只适用于宏观、低速、弱引力的情况，而且是这三者的交集。

如果三缺一，事物将不再服从经典力学的规律。

那该怎么处理这些问题呢？这就是本节课我们要讨论的问题。

一、从宏观走向微观
我们经常看电影，有的电影尺度比较大。

那什么是尺度呢？尺度就是对事物范围的度量。

自然界的尺度有多大，又可以怎样划分呢？整个自然界可以划分为五个尺度，从小到大分别是：渺观→微观→宏观→宇观→胀观，这几个尺度或者说自然界的这“五观”分别可以描述怎样的事物呢？往大的说：宏观：肉眼可见的物体；宇观：星体；胀观：可见宇宙的膨胀；往小的说：微观：原子、电子、质子、中子等微观粒子；渺观：弦。

这两个尺度的物质长度大约在h左右。

所以你就发现经典力学在宇宙中的势力范围非常小，只占到1/5；对于尺度更小的微观甚至是渺观的物质服从什么规律呢？量子力学。

这是一门由普朗克【图片】提出的全新的科学。

什么是量子力学呢？给大家举两个典型的例子：
例1：【板书】一个苹果从经典的角度去看，就是果肉的连续体；而从量子力学的观点看呢，它可以像这样被分割为一块一块非连续的小肉丁，中间具有一定的空隙（这不是草莓啊！）。

好比是咱们的班级：用经典力学描述，就是一个大的整体；而用量子力学描述，就更加深入一些，是由一个个相隔一定距离的同学共同组成的。

例2：买同样一件东西，需要付3元。

经典力学可以用微信、支付宝把这3元作为一个整体一次性的转账过去；而量子力学就好像一个自动售货机，需要我们1元、1元、1元的逐个投币。

二、从低速走向高速
生活中物体移动的速度，无论是汽车也好，还是火箭也罢，与光速c=3*108m/s（30万公里每秒）都不可比拟。

那这样的速度都叫做低速。

而如果一个物体运动的速度接近光速（粒子加速器产生的微观粒子，终结者中产生强磁场吸住机器人的长管子【视频】），那么就可以被称为高速运动的物体了，此时经典力学就从宝座走下，而狭义相对论就登上了统治的王位。

什么是狭义相对论呢？它是由爱因斯坦在20世纪初创立的理论，主要包含两部分：相对性原理、光速不变原理。

相对性原理：指的是同一个时间或空间的进程在不同的观察者的观察下呈现不同的形式，也就是说时空的测量与参考系有关。

比方说同一辆汽车从窗外驶过，A观察的结果是该汽车速度为50km/h,B观察的结果是该汽车速度为60km/h。

为什么会这样呢？原因就是参考系对结果产生了影响。

用爱因斯坦的话来解释就是：好比两个内急的人去上厕所，一个在里面方便，一个在外面等。

同样是10分钟，里面的人就觉得过得非常快，外面的人就觉得好像过了一个世纪那么漫长。

光速不变原理：指的是自然界有11个维度，包含10个空间维度（人脑只能感受到其中3维）和一个时间维度。

就好像女生的马尾辫从远处看就是一维的线，但是仔细观察会发现有很多的分叉。

宇宙也是如此，分成了11维，每个维度都有自己的分速度，而合速度就是
对角线上的光速c 。

并且这个速度是宇宙中最快的速度。

这样一来就会产生3个相对论效应：时延（钟慢），不是NaCl ；尺缩；质增。

时延：①1秒对应铯原子钟振动的周期。

若一束光线发射到对面再反弹回来用时为T ，则c d T 2=。

现在同时让铯原子钟以速度v 水平向右运动，则可以得到合速度v 合=c （光速不变原理），但是路程由垂线变为了斜线，即d 增大，所以得到T 变长了，这就叫做“时延”。

所以才有“天上一天，地上一年”的说法。

②时间维空间合v c 10 +==v v ，当运动速度变快时，合速度却不变仍为光速c ，所
以时间前进的速度减慢。

这就是为什么“生命在于运动”的原因。

尺缩：比方说有一个时钟，这是它的一根时针，时针上有两个点：A 远离中心O ，B 靠
近中心O ，由于两点是同轴转动，所以角速度相同。

我们有线速度：VA>VB ，所以在A 点附近时间过得慢一些，同样发射出一束观察光线，A 点走过的距离就会缩短一些：B B A A t c l t c l ⨯=<⨯=
质增：记住表达式：202
01)(1γ-=-=m c
v m m 其中m 0是物质的静止质量，m 是物质的运动质量，v 为运动速度。

可以发现：m>m 0，所以从高速行驶飞船的舷窗向外望，看到的都是“矮胖子”。

例1：请证明“光速不变原理”：
证：①使物体的速度增加，根据牛二：F=ma,由质增效应可知m 也同步
增加，所以使物体速度变化的力也随之增大，直到增加至四种基本相互作
用中最强的“强相互作用”时，再也没有力能推动这个质量巨大的物体了；
②光子无质量，无法通过给力改变其速度。

例2：证明光子无质量（说明了万有引力的局限性）：
证：①如果光子有静止质量，那么光子的运动质量将无限大； ②光子无时不刻穿过我们身体，若有质量则无生命存在。

三、从弱引力到强引力
当物质受到的引力非常大时，广义相对论就可以描述物体的运动了。

所谓广义相对论指的是：时空不是一个静止的“舞台”，而是可以弯曲的。

大质量的物体引发时空弯曲，从而形成“引力漩涡”，使物质围绕其运转。

这就是质量产生万有引力的根源。

【视频】
四、题目
1、光线经过任何物体附近都沿直线传播。

（×）黑洞的“引力透镜”效应，使光弯曲，使人能够看到其后物体，达到隐身效果。

【视频】
2、爱因斯坦的引力理论就是广义相对论。