经典力学的局限性4

第六章万有引力与航天

六、经典力学的局限性

学习目标

1．知道牛顿运动定律的适用范围．

2．了解经典力学在科学研究和生产技术中的广泛应用．

【学习课时】1课时

【自主导学】

(结合下列问题阅读教材)

1、牛顿建立的经典力学的适用范围？爱因斯坦提出的相对论是否全盘否定了牛顿的经典力学理论?

2、牛顿的科学方法。

总结归纳:

1. 物体的质量与运动速度有关

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是_____________________

(式中m0是__________________时的质量，m是________________时的质量，c是真空中的光速。)

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。

2.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。

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。

7.牛顿的科学方法

本节教材在“科学足迹”栏目《牛顿的科学生涯》一文中总结了牛顿的科学方法，这些科学方法值得我们借鉴：

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。

拓展阅读

1．狭义相对论(special relativity)

适用于惯性系，从时间、空间等基本概念出发将力学和电磁学统一起来的物理理论。1905年由A.爱因斯坦创建。这个理论在涉及高速运动现象时，同经典物理理论显示出重要的区别。

(1)产生：到19世纪末，经典物理理论已经相当完善，当时物理学界较为普遍地认为物理理论已大功告成，剩下的不过是提高计算和测量的精度而已。然而某些涉及高速运动的物理现象显示了与经典理论的冲突，而且整个经典物理理论显得很不和谐：①电磁理论按照经典的伽利略变换不满足相对性原理，表明存在绝对静止的参考系，而探测绝对静止参考系的种种努力均告失败。②似乎存在着经典力学无法说明的极限速度。③电子的质量依赖于它的速度。在这种形势下，有见地的物理学家预感到物理学中正孕育着一场深刻的革命。爱因斯坦立足于物理概念要以观察到的事实为依据，而不能以先验的概念强加于客观事实，他考察了一些普遍的物理事实和经典物理学中如运动、时间、空间等基本概念，看出以下两点具有根本的重要性，并把它们作为建立新理论的基本原理：①狭义相对性原理，不仅力学实验，而且电磁学实验也无法确定自身惯性系的运动状态，也就是说，在一切惯性系中的物理定律都具有相同的形式。②光速不变原

理，真空中的光速对不同惯性系的观察者来说都是c。承认这两条原理，牛顿的绝对时间、绝对空间观念必须修改，异地同时概念只具有相对意义。在此基础上，爱因斯坦建立了狭义相对论。

(2)主要内容：

洛伦兹变换在狭义相对论中，洛伦兹变换是最基本的关系式，狭义相对论的运动学结论和时空性质，如同时性的相对性、长度收缩、时间延缓、速度变换公式、相对论多普勒效应等都可以从洛伦兹变换中直接得出。

质速关系狭义相对论预言，与经典力学不同，物体的质量不再是与其运动状态无关的量，它依赖于物体

的运动速度。运动物体速度为v时的质量为，式中m0为物体的静质量，当物体的速度趋于光速时，物体的质量趋于无穷大。

关于狭义相对论中的质量，还存在另一种观点，认为只有一种不变的质量，即物体的静质量，无法明确定义运动质量。两种观点对于狭义相对论的基本看法上没有分歧，只是对质量概念的引入上存在分歧。后一种观点在概念引入的逻辑严谨性上更为可取，而前一种观点对于某些物理现象，如回旋加速器的加速限制、康普顿效应以及光线的引力偏折等，作浅显说明颇为有效。

质能关系狭义相对论最重要的预言是物体的能量E和质量m有当量关系，E＝mc2。与物体静质量m0相联系的能量E0＝m0c2。质能关系是核能释放的理论基础。

(3)意义：

狭义相对论经受了广泛的实验检验，所有的实验都没有检测到同狭义相对论有什么不一致的结果。狭义相对论是基础牢靠、逻辑结构严谨和形式完美的物理理论。广泛应用于许多学科，和量子力学成为近代物理学的两大理论支柱。在现代物理学中，成为检验基本粒子相互作用的各种可能形式的试金石，只有符合狭义相对论的那些理论才有考虑的必要，这就严格限制了各种理论成立的可能性。

2．量子力学

二十世纪初，物理学取得了两大突破：一个是普朗克提出了作用量子的概念；一个是爱因斯坦提出的狭义相对论的时空观。

100多年前的1900年，德国科学家普朗克提出量子概念，１９２５年到１９２６年，海森伯和薛定谔最终建立了量子力学，解决了原子物理、光谱等基本问题，取得了巨大成功。之后，量子力学朝两个重要方向发展：一是向更小（如原子以下）尺度的应用，原子核物理学就是在量子力学指引下发展的，进而发展为目前的基本粒子物理学。量子力学使人类对物质世界的认识从宏观层次跨进了微观层次。

量子力学的另一个发展方向，就是把量子力学用于处理更大尺度上的问题，比如分子的问题（即量子化学问题）和固体物理或凝聚态物理的问题。从研究对象的尺度看，从固体物理到地球物理、行星物理，再到天体物理和宇宙物理，其研究范围越来越大。

从１９２５年之后，几乎所有的二十世纪的物质文明都是从相对论和量子力学这两个物理基础科学的发展衍生的。原子构造、分子构造、核能、激光、半导体、超导体、x光、超级计算机……假如没有狭义相对论和量子力学，这一切都不会有。相对论和量子力学作为物理学的基础，已成为现代精密科学的两大柱石。二者的结合，不仅使物理学本身日新月异，而且也使物理学以外的其他自然科学改变了面貌。

3．广义相对论

1915年，爱因斯坦（1879──1955）发表了他的广义相对论。他解释了引力作用和加速度作用没有差别的原因。他还解释了引力是如何和时空弯曲联系起来的，利用数学，爱因斯坦指出物体使周围空间、时间弯曲，在物体具有很大的相对质量（例如一颗恒星）时，这种弯曲可使从它旁边经过的任何其它事物(即使是光线)改变路径。