經(jīng)典力學(xué)的局限性-高一下學(xué)期物理人教版必修2

學(xué)習(xí)目標(biāo)：重、難點(diǎn)：1、經(jīng)典力學(xué)的局限性和范圍第六章萬有引力與航天6.6經(jīng)典力學(xué)的局限性制作者：河南駐馬店高級(jí)中學(xué)李陽*

經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動(dòng)定律，萬有引力定律更確立了牛頓的地位，牛頓運(yùn)動(dòng)定律和萬有引力定律在宏觀、低速、弱引力的廣闊領(lǐng)域，經(jīng)受實(shí)踐檢驗(yàn)。

如：18世紀(jì)60年代，力學(xué)與熱力學(xué)的發(fā)展及其與生產(chǎn)的結(jié)合，使機(jī)器和蒸汽機(jī)得到改進(jìn)和推廣，引發(fā)了第一次工業(yè)革命。

如：由牛頓力學(xué)定律導(dǎo)出的動(dòng)量守恒定律、機(jī)械能守恒律等是航空航天技術(shù)理論的基礎(chǔ)。火箭、人造地球衛(wèi)星、航天飛機(jī)、宇宙飛船、行星探測(cè)器等航天器的發(fā)射，都是牛頓力學(xué)規(guī)律的應(yīng)用范例…………一、經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展過程及偉大成就牛頓說：“如果說我看得遠(yuǎn)，那是因?yàn)槲艺驹诰奕藗兊募缟??！敝卮蟪删蜁r(shí)間阿基米德發(fā)現(xiàn)浮力定律公元前三世紀(jì)開普勒發(fā)現(xiàn)行星運(yùn)動(dòng)定律1609，1619伽利略闡明了運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性原理1632伽利略發(fā)現(xiàn)了自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律、慣性原理1638帕斯卡發(fā)現(xiàn)帕斯卡原理1653馬德堡半球?qū)嶒?yàn)、驗(yàn)證大氣壓力1663發(fā)現(xiàn)胡克定律——彈簧彈力和形變的關(guān)系1678牛頓發(fā)表《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，闡明了運(yùn)動(dòng)定律和萬有引力定律1687牛頓說：“如果說我看得遠(yuǎn)，那是因?yàn)槲艺驹诰奕藗兊募缟?。”科學(xué)家亞里士多德伽利略笛卡兒惠更斯牛頓國別年代古希臘，前384～前322意大利，1564～1642法國，1596～1650荷蘭，1629～1695英國，1642～1727主要的科學(xué)研究方法觀察、思維、推理。觀察實(shí)驗(yàn)、假設(shè)、數(shù)學(xué)推理實(shí)驗(yàn)觀察、數(shù)學(xué)推理實(shí)驗(yàn)、數(shù)學(xué)推理歸納與演繹、綜合與分析、實(shí)驗(yàn)觀察力學(xué)方面的主要成就①力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因。②重的物體比輕的物體下落得快。①自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律②力學(xué)相對(duì)性原理慣性定律①制成了世界上第一架計(jì)時(shí)擺鐘。②測(cè)量出重力加速度值。①三大運(yùn)動(dòng)定律、②萬有引力定律。牛頓說：“如果說我看得遠(yuǎn)，那是因?yàn)槲艺驹诰奕藗兊募缟?。?一)、經(jīng)典時(shí)空觀（絕對(duì)時(shí)空觀）：（1）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)性超新星爆發(fā)的持續(xù)時(shí)間：實(shí)際：2年??？牛頓：25年。{

時(shí)間、長(zhǎng)度和質(zhì)量這三者都與參考系的運(yùn)動(dòng)無關(guān)?！Ь骋?、從低速到高速二、經(jīng)典物理學(xué)的困境經(jīng)典力學(xué)中的空間和時(shí)間力學(xué)的目的在于描述物體在空間中的位置如何隨“時(shí)間”而改變．這里，“位置”和“空間”應(yīng)如何理解是不清楚的．設(shè)一列火車正在勻速地行駛，我站在車廂窗口松手丟下（不是用力投擲）一塊石頭到路基上.那么，如果不計(jì)空氣阻力的影響，我看見石頭是沿直線落下的．從人行道上觀察這一舉動(dòng)的行人則看到石頭是沿拋物線落到地面上的．現(xiàn)在問：石頭所經(jīng)過的各個(gè)“位置”是“的確”在一條直線上，還是在一條拋物線上的呢？借助于這一實(shí)例可以清楚地知道不會(huì)有獨(dú)立存在的軌線（“路程——曲線”）；而只有相對(duì)于特定的參考物體的軌線．牛頓力學(xué)的絕對(duì)時(shí)空觀

絕對(duì)的，真正的和數(shù)學(xué)的時(shí)間自己流逝著，并由于它的本性而均勻的與任何外界對(duì)象無關(guān)的流逝著。——牛頓絕對(duì)空間，就其本質(zhì)來說，獨(dú)立于外界任何事物，總是始終如一和靜止不動(dòng)的。——牛頓經(jīng)典力學(xué)受速度限制的分析牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀認(rèn)為，同一物體運(yùn)動(dòng)的時(shí)間和長(zhǎng)度（位移）在不同的參考系中，測(cè)量結(jié)果是相同的?！八_爾瓦阿弟”大船1632年,伽利略在“薩爾瓦阿蒂”大船上做過的實(shí)驗(yàn)：伽利略相對(duì)性原理:在彼此作勻速直線運(yùn)動(dòng)的慣性系中，一切力學(xué)現(xiàn)象都具有相同的規(guī)律。(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(zhǎng)度和質(zhì)量這三者都與參考系的運(yùn)動(dòng)有關(guān)。*愛因斯坦狹義相對(duì)論

“照亮我的道路,并不斷給我新的勇氣去愉快地正視生活理想的是善、是美、是真”。

“人只有獻(xiàn)身社會(huì),才能找出那實(shí)際上是短暫而又有風(fēng)險(xiǎn)的生命的意義”!他剖析自己的科學(xué)感受時(shí)說：Einstein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?！?/p>

科學(xué)的頭腦就是去懷疑,去證實(shí),

去發(fā)現(xiàn)的精神!”AlbertEinstein世紀(jì)偉人光速同時(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：經(jīng)典力學(xué)僅適用于低速運(yùn)動(dòng)物體；高速運(yùn)動(dòng)物體用狹義相對(duì)論解釋。結(jié)論1：自然和自然的法則在黑暗中隱藏；上帝說，讓牛頓去吧！于是一切都被照亮。魔鬼說，讓愛因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。相對(duì)論原稿相對(duì)論好象是：“光彩奪目的火箭，它在黑暗的夜空，突然劃出一道道十分強(qiáng)烈的光輝，照亮了廣闊的未知領(lǐng)域?！薄虏剂_意

瞬間一別路漫漫，但覺未過光速關(guān)。鐘尺合須靜里用，云山偏向動(dòng)中看。時(shí)空相對(duì)非虛語，質(zhì)能并增豈等閑。權(quán)將電波傳信息，只緣相見難上難?？缂嗥谛请H游，一別瞬息見三秋。動(dòng)境鐘尺多疑難，因果規(guī)律乃存留。質(zhì)能守恒驚人數(shù)，時(shí)空相對(duì)盡眼收。權(quán)將光波通信息，歸來尚須苦作舟。倫琴發(fā)現(xiàn)X射線湯姆生發(fā)現(xiàn)電子貝克勒耳發(fā)現(xiàn)天然放射線宏觀領(lǐng)域微觀世界——困境二、從宏觀到微觀二、經(jīng)典物理學(xué)的困境

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子不僅具有粒子性，同時(shí)還具有波動(dòng)性，它們的運(yùn)動(dòng)在很多情況下不能用經(jīng)典力學(xué)來說明。普朗克創(chuàng)立量子力學(xué)經(jīng)典力學(xué)僅適用于宏觀世界；微觀世界用量子力學(xué)解釋。結(jié)論2：普朗克常量：h=6.63×10-34J.s

牛頓的萬有引力定律取得了巨大的成就，但在一些問題上也遇到了困難。例如：水星的公轉(zhuǎn)軌道在不斷旋進(jìn)（參見教材圖6.6-1），其實(shí)際觀察值要比經(jīng)典力學(xué)的預(yù)言值多。1915年，愛因斯坦創(chuàng)立的廣義相對(duì)論對(duì)此則能作出很好的解釋，同時(shí)還預(yù)言光線經(jīng)過大質(zhì)量星體附近時(shí)會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，且已被觀測(cè)證實(shí)。另外，根據(jù)牛頓的理論，當(dāng)天體被壓縮成半徑幾乎為0的一個(gè)點(diǎn)時(shí)，引力趨于無窮大；而愛因斯坦的理論則認(rèn)為，引力趨于無窮大發(fā)生在半徑接近一個(gè)“引力半徑”的時(shí)候，這個(gè)引力半徑的值由天體的質(zhì)量決定。當(dāng)天體的實(shí)際半徑接近引力半徑時(shí)，由愛因斯坦和牛頓引力理論計(jì)算出的力的差異急劇增大，在強(qiáng)引力情況下牛頓引力理論不再適用?！Ь橙娜跻Φ綇?qiáng)引力經(jīng)典力學(xué)僅適用弱引力；強(qiáng)引力用廣義相對(duì)論解釋。結(jié)論3：二、經(jīng)典物理學(xué)的困境總結(jié)：經(jīng)典力學(xué)的適用范圍：

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)普朗克常數(shù)可以忽略不計(jì)時(shí)，量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別。對(duì)于強(qiáng)引力情況，需要應(yīng)用廣義相對(duì)論。當(dāng)天體的實(shí)際半徑遠(yuǎn)大于它們的引力半徑時(shí)，愛因斯坦引力理論和牛頓引力理論計(jì)算出的力的差異并不很大。經(jīng)典力學(xué)狹義相對(duì)論廣義相對(duì)論量子力學(xué)互為補(bǔ)充，互不矛盾，互不否定共同支撐起物理學(xué)科的骨架。宏觀低速高速微觀世界強(qiáng)引力【提示】經(jīng)典力學(xué)只適用于處理宏觀物體的低速運(yùn)動(dòng)。例1.牛頓定律能適用于下列哪些情況？

A.研究原子中電子的運(yùn)動(dòng)

B.研究“神州”五號(hào)的高速發(fā)射

C.研究地球繞太陽的運(yùn)動(dòng)

D.研究飛機(jī)從深圳飛往北京的航線【答案】不矛盾。牛頓力學(xué)規(guī)律只在慣性參考系中成立。例2.兩臺(tái)升降機(jī)甲、乙同時(shí)自由下落甲上的人看到乙是靜止的，也就是說，在甲看來，乙的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并沒有改變，但是乙確實(shí)受到向下的地球引力。根據(jù)牛頓定律，受到外力作用的物體，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一定會(huì)改變，這不是有矛盾嗎？你是如何理解的？例3.有關(guān)科學(xué)家和涉及的事實(shí)，正確的說法是

A．哥白尼創(chuàng)立了日心說

B．伽利略發(fā)現(xiàn)了行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律

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