经典力学的局限性

1905年,出生于德国的美籍物理 学家阿尔伯特·爱因斯坦(1879-1955) 发表了狭义相对论。这个理论指出
在宇宙中唯一不变的是光线在真空 中的速度,其它任何事物──速度、 长度、质量和经
过的时间,都随观 察者的参考系(特 定观察)而变化。
牛顿建立的经典力学已相当完善,爱因斯 坦为什么还要提出相对论。相对论是否 全盘否定了牛顿的经典力学理论?
说明
式进行计算。 2.不要求识记证明经典力学局限性的有关
事实。
6 经典力学的局限性
经典力学模块分类
静力学(描述静止物体)
运动学(描述物体运动) 动力学(描述物体受力作
用下的运动)
经典力学
(牛顿力学)
牛顿所说:"如果说我看得远,那是因为我站在 巨人们的肩上。"
牛顿三大定律
经 牛顿
典
力
笛卡尔、胡
学
实验观 察、数 学推理
惠更斯 荷 兰,1629～ 1695年
实验、数学 推理
牛顿
英 国,1642～ 1727年
归纳与演绎、 综合与分析、 实验观察等
力学 方面 的主 要成 就
两个反面的结论: ①自由落 ①力是维持物体 体运动规 运动的原因。 律。
②重的物体比轻 ②力学相 的物体下落得快。 对性原理
惯性定 律
在经典力学中,物体的质量是不随运动状态改 变的。但是,按照20世纪初著名物理学家爱因斯坦 建立的狭义相对论,质量要随物体运动速度的增大 而增大。物体的质量与运动速度的关系:
m
m0
1
v2 c2
式中m0是物体静止时的质量,m是物体速度 为v时的质量,c是真空中的光速 。
m m0 v2
1 c2
可见,当v<<c时,m≈m0;当v趋近于 c时,m趋近于无穷大。因此,当物体 的速度远小于真空中的光速时,经典 力学完全适用;当物体的速度接近光 速时,经典力学就不适用了。
质量这三者都 与参考系的运
动有关。
爱因斯坦 相对质量
相对时间
狭义相对 论
相对空间
经典时空观与相对论时空观
经典时空观 狭义相对论时空观
光速 相对的
绝对的(不变)
同时 绝对的
相对的
时间与 与运动无关, 与运动有关,
空间 绝对的
相对的
质量
与运动无关, 不变的
随速度增加而增大
五、强引力作用下出现的问题
经典力学的局限性和适用范围?
一、对牛顿运动定律受参考系限制的认识
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。设一架飞机正在匀速地行驶,从飞机上 投下一枚炸弹。那么,如果不计空气阻力的影 响,飞行员看见炸弹是沿直线落下的。从地面 上观察这一举动的行人则看到炸弹是沿抛物 线落到地面上的。
(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
时间、长度和质量这三者都与参 考系的运动无关。
(二)相对论时空观
1、两条基本假设
(1)不同惯性参考系,物理规律相同
(2)任何惯性系,光速不变
2、狭义相对论结论 时间、长度和
(1)同时是相对的 (2)动钟变慢 (3)动尺变短 (4)运动的物体质量变大
Albert Einstein
世纪伟人
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
牛顿运动定律只适用于弱 旋进,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,
引力,在强引力的作用下,牛 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。
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
经典力学难以解释微观粒子的运动: 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。20世纪20 年 代量子力学的出现,才很好地揭示了微观世界的基 本规律。
当一些问题牛顿解释不了时,它就只好用上帝的万能来解 释,为此牛顿花费了后半生的心血,这正是牛顿的悲剧。
不敢相信图中的横线是平行的,不过它就是平行的
两个位于中心的圆哪个大?其实一样大的!
三、经典力学在分析宏观与微观的困难
第二次革命的导火索是物理学史上的三大发现: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,使 物理学的研究从宏观领域进入了微观世界。人们发现,微 观粒子所表现出的现象用经典物理理论根本无法解释。
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,需要应用爱因斯坦引力理论。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。
总之
经典力学只适用于低速、宏观、弱 引力的情况。
当物体的速度远小于光速c时,相对论 物理学和经典物理学的结论没有区别。
现在问:炸弹所经过的各个"位置"是"的确" 在一条直线上,还是在一条抛物线上的呢?
可见,在非惯性系中,牛顿定律不再成立。
经典力学(牛顿运动定律)在惯 性系中成立(适用)。
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。
二、经典力学受速度限制的分析
经典力学(牛顿运动定律)在低速运动的 物体(低速世界)中成立(适用)。
设河流中的水相对于河岸的速度为v水岸, 船相对于水的速度为v船水,则在经典力学中, 船相对于岸的速度为：
v船岸 v船水 v水岸 (矢量和)
这似乎是天经地义的。但是,这个关系式涉及两个 不同的惯性参考系,而速度总是与位移(空间长度) 及时间间隔的测量相联系。相对论认为,同一过程 的位移和时间的测量在不同参考系中是不同的,因 而上式不能成立。
第六节 经典力学的局限性
1.了解经典力学的发展历程和伟大成就。
基本 2.认识经典力学的局限性和适用范围。 要求 3.体会科学理论总是在不断发展的。
发展 要求
1.初步了解微观和高速世界中的奇妙现象。 2.初步了解相对论、量子论的建立对人类 深入认识客观世界的作用。
1.不要求用相对论中质量随速度变化的公
重视实验:重视实验,从归纳入手,这是牛 顿科学方法论的基础。
逻辑推论:为了归纳成功,不仅需要大量 的可靠资料与广博的知识,而且要有清晰的 逻辑头脑。
数学归纳:事物之间的本质联系只有通 过数学才能归纳为能够测量、应用和检验的 公式和定律。
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。
①制成了世 界上第一架 计时摆钟。 ①三大运动
定律、②万 ②测量出重 有引力定律。 力加速度的 值。
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。
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……
当另一个重要的常数即"普朗克常量" 可以忽略不计时,量子力学和经典力学的 结论没有区别。
互为补充,互不矛盾,互不否定共同支撑起 物理学科的骨架。
高速
狭义相 对论
广义相 对论
宏 观
经典 力学
量子 力学
强引力
wenku.baidu.com
低
速
微观世界
七、牛顿的科学方法
"科学足迹"中总结了牛顿的科学方法, 这些科学方法值得我们借鉴。
六、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。
克、哈雷等
金
字
开普勒
塔
的
建
伽利略、第谷
立
万有引力定律
哥白尼、亚里士多德
科学家对经典力学的贡献
国别 生活 年代
主要 的科 学研 究方 法
亚里士多德 古希腊,约公元前 384～公元前322 年
观察、思维、推 理
伽利略
意大 利,1564～ 1642年
笛卡儿
法 国,1596 ～1650 年
观察实验、 假设、数 学推理三 者相结合
顿的引力理论不再成立。 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。
经典力学(牛顿 运动定律)在宏 观世界中成立 (适用),微观世 界不适用。
普朗克创立 量子力学
四、两种不同的时空观
"科学漫步"栏目中提到了牛顿和爱因斯坦的
两种不同的时空观。 牛顿认为:空间是独立于物体及其运动而存在
的,时间也是独立于物体及其运动而存在的,这是 一种经典时空观。
爱因斯坦则认为:在研究物体的高速运动(速度 接近真空中的光速)时,物体的长度即物体占有的空 间,以及物理过程、化学过程,甚至还有生命过程的 持续时间,都与它们的运动状态有关,空间与时间不 再与物体及其运动无关而独立存在。这是一种崭 新的时空观。