6.6 經(jīng)典力學(xué)的局限性

1、61 17 世紀(jì)牛頓力學(xué)構(gòu)成了體系 . 可以說，這是物理學(xué)第一次偉大的綜合。牛頓建立了兩個(gè)定律，一個(gè)是運(yùn)動(dòng)定律，一個(gè)是萬有引力定律，并發(fā)展了變量數(shù)學(xué)微積分，具有解決實(shí)際問題的能力。他開拓了天體力學(xué)這一科學(xué)，海王星和冥王星的發(fā)現(xiàn)就充分顯示了這一點(diǎn) 。2牛頓伽利略、第谷哥白尼、亞里士多德笛卡爾、胡克、哈雷等牛頓所說：“如果說我看得遠(yuǎn)，那是因?yàn)槲艺驹诰奕藗兊募缟??！?經(jīng)典力學(xué)金字塔的建立開普勒 像一切科學(xué)一樣，它沒有也不會(huì)窮盡一切真理，它也有自己的局限性它像一切科學(xué)理論一樣，是一部“未完成的交響曲”那么經(jīng)典力學(xué)在什么范圍內(nèi)適用呢?有怎樣的局限性呢? 4一、從低速到高速 例如：在一個(gè)無限大的光滑水平面

2、上，有一質(zhì)量為m的物體，在一個(gè)水平恒力F的作用下，從靜止開始運(yùn)動(dòng)。根據(jù)牛頓第二定律可知物體將以加速度a=F/m做勻加速直線運(yùn)動(dòng)。由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式可知：物體的速度v=at推理：隨著時(shí)間的推移，物體的速度不斷增大，最終可使物體獲得任意速度。但事實(shí)并非如此，常識(shí)告訴我們，物體運(yùn)動(dòng)速度是有極限的，現(xiàn)在已知的最大速度是光速，且現(xiàn)在也無法使物體運(yùn)動(dòng)超越這個(gè)速度。速度遠(yuǎn)小于光速時(shí)，經(jīng)典力學(xué)完全適用。當(dāng)物體的速度接近光速時(shí)，經(jīng)典力學(xué)就不適用了。 Fm5 愛因斯坦在狹義相對(duì)論中闡述了物體以接近光速運(yùn)動(dòng)所遵循的規(guī)律，得出了一些不同與經(jīng)典力學(xué)的觀念和結(jié)論。在宇宙中唯一不變的是光在真空中的速度，其它任何事物速度、長度、質(zhì)

3、量和經(jīng)過的時(shí)間，都隨觀察者的參考系（特定觀察）而變化。20世紀(jì)初，愛因斯坦（18791955）建立了狹義相對(duì)論6Einstein 對(duì)相對(duì)論的解釋: 當(dāng)你和一個(gè)漂亮姑娘在一起坐一小時(shí),你感覺只坐了一分鐘,當(dāng)你坐在火爐旁一分鐘,就好象坐了一小時(shí),這就是相對(duì)論。Albert Einstein世紀(jì)偉人7什么是低速，什么是高速？ 通常所見的物體的運(yùn)動(dòng)皆為低速運(yùn)動(dòng)，如行駛的汽車，發(fā)射的導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星及宇宙飛船等與光速相接近的速度稱為高速，有些微觀粒子在一定條件下其速度可以與光速相接近。 8在宏觀低速的世界：一切都理所當(dāng)然？宏觀物體低速運(yùn)動(dòng)（遠(yuǎn)小于光速），經(jīng)典力學(xué)完全適用。時(shí)間和空間沒有聯(lián)系，相互獨(dú)立，與物

4、體及其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都沒有關(guān)系。當(dāng)一些問題(如微觀領(lǐng)域的深入)牛頓解釋不了時(shí)，它就只好用上帝的萬能來解釋，為此牛頓花費(fèi)了后半生的心血，這正是牛頓的悲劇。物體的相關(guān)物理量（位移、質(zhì)量、大小等）與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都無關(guān)。例如：船在水中流，水速2m/s，船相對(duì)于水順流而下1m/s，則船相對(duì)于岸3m/s.例如：生活經(jīng)驗(yàn)：空間如大房間，提供運(yùn)動(dòng)舞臺(tái)，但不干擾演出，空間獨(dú)立于物體及其運(yùn)動(dòng)存在。 例如：生活經(jīng)驗(yàn)：時(shí)間如長河，均勻流逝，任何都影響不了它，時(shí)間也是獨(dú)立的。所以：不管選什么參考系，不管物體怎么運(yùn)動(dòng)，物體的位移、時(shí)間、長度、質(zhì)量等等的測量結(jié)果肯定是一樣的，這是天經(jīng)地義的。一、經(jīng)典時(shí)空觀（絕對(duì)時(shí)空觀）：（1）

5、同時(shí)的絕對(duì)性（2）時(shí)間間隔的絕對(duì)性（3）空間距離的絕對(duì)性經(jīng)典時(shí)空觀與相對(duì)論時(shí)空觀 時(shí)間、長度和質(zhì)量這三者都與參考系的運(yùn)動(dòng)無關(guān)。11 經(jīng)典時(shí)空觀與相對(duì)論時(shí)空觀二、相對(duì)論時(shí)空觀:（1）同時(shí)是相對(duì)的（3）動(dòng)尺變短（4）運(yùn)動(dòng)的物體質(zhì)量變大（1）不同慣性參考系，物理規(guī)律相同1、兩條基本假設(shè)：（2）任何慣性系，光速不變2、狹義相對(duì)論結(jié)論：（2）動(dòng)鐘變慢 時(shí)間、長度和質(zhì)量這三者都與參考系的運(yùn)動(dòng)有關(guān)。12光速同時(shí)時(shí)間與空間質(zhì)量經(jīng)典時(shí)空觀狹義相對(duì)論時(shí)空觀相對(duì)的絕對(duì)的（不變）絕對(duì)的與運(yùn)動(dòng)無關(guān)，絕對(duì)的與運(yùn)動(dòng)無關(guān)，不變的相對(duì)的與運(yùn)動(dòng)有關(guān)，相對(duì)的隨速度增加而增大經(jīng)典時(shí)空觀與相對(duì)論時(shí)空觀13（1）相對(duì)時(shí)間 狹義相對(duì)論認(rèn)為

6、時(shí)間不是絕對(duì)的（即固定不變的）。愛因斯坦指出，隨著物體（觀察者所見到的）運(yùn)動(dòng)速度的加快，時(shí)間會(huì)變慢。 使用同步原子鐘已證實(shí)了這個(gè)結(jié)論的正確性，將一個(gè)鐘表留在地面上，而攜帶另一個(gè)以很快速度移動(dòng)（如在噴氣式飛機(jī)上），隨后進(jìn)行比較，動(dòng)的鐘表總比另一個(gè)稍微慢一點(diǎn)。 狹義相對(duì)論結(jié)論t0為物體靜止的時(shí)間，t是物體速度為v時(shí)的時(shí)間，c是真空中的光速 動(dòng)時(shí)鐘變慢14（2）相對(duì)長度 愛爾蘭物理學(xué)家佛茲杰拉德(18511901)提出，物質(zhì)會(huì)在運(yùn)動(dòng)的方向上收縮（縮?。?，這意味著根據(jù)一個(gè)靜止觀察者的觀點(diǎn)，一枚以接近光線運(yùn)行的火箭所表現(xiàn)出的長度會(huì)比它靜止時(shí)更短，盡管乘坐火箭的人看來并沒有什么兩樣。 愛因斯坦指出，任何物

7、體以光速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其長度將會(huì)縮短為零。L0為物體靜止時(shí)的長度L是物體速度為v時(shí)的長度c是真空中的光速 動(dòng)長度變短15（3）相對(duì)質(zhì)量 在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量是不變的，但愛因斯坦的狹義相對(duì)論指出，物體的質(zhì)量隨速度的增大而增大m0為物體靜止似的質(zhì)量m是物體速度為v時(shí)的長度c是真空中的光速 動(dòng)質(zhì)量增大16二、宏觀到微觀 19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，人們相繼發(fā)現(xiàn)了電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子，發(fā)現(xiàn)它們不僅具有粒子性，面且具有波動(dòng)性，它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不能用經(jīng)典力學(xué)描述 20世紀(jì)20年代，建立了量子力學(xué)，它能夠正確地描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性，并在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮了重要作用 17三.從弱引力到強(qiáng)引力物體間的萬有引力

8、是弱引力，經(jīng)典力學(xué)適用天體半徑減小到一定程度時(shí)(太陽的引力半徑為3 km，地球的引力半徑為1 m ),如白矮星中子星，密度特別大，天體間的引力非常大 ，屬于強(qiáng)引力。經(jīng)典力學(xué)不再使用。黑洞這種極端條件下的宇宙天體。它有極強(qiáng)的吸引力，光也無法逃脫。愛因斯坦廣義相對(duì)論18 相對(duì)論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，是否表示經(jīng)典力學(xué)失去了意義? 相對(duì)論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，說明人類對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)更加廣泛和深入，而不表示經(jīng)典力學(xué)失去了意義它只是使人們認(rèn)識(shí)到經(jīng)典力學(xué)有它的適用范圍：只適用于低速運(yùn)動(dòng)，不適用于高速運(yùn)動(dòng)，只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界。討論與交流 19 經(jīng)典力學(xué)有它的適用范圍：只適用于低速運(yùn)動(dòng)，不適用于高速運(yùn)動(dòng)；只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界；只適用于弱引力情況，不適用于強(qiáng)引力情況。 對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)（速度接近真空中的光速），需要應(yīng)用愛因斯坦的狹義相對(duì)論。當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于真空中的光速時(shí)，相對(duì)論物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別。 對(duì)于微觀世界，需要應(yīng)用量子力學(xué)。當(dāng)普朗克常