6.6-經(jīng)典力學(xué)的局限性

6.6經(jīng)典力學(xué)的局限性教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)與技能1．知道牛頓運(yùn)動(dòng)定律的適用范圍．2．了解經(jīng)典力學(xué)在科學(xué)研究和生產(chǎn)技術(shù)中的廣泛應(yīng)用．3.知道相對(duì)論、量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的關(guān)系.過(guò)程與方法通過(guò)閱讀課文體會(huì)一切科學(xué)都有自己的局限性，新的理論會(huì)不斷完善和補(bǔ)充舊的理論，人類對(duì)科學(xué)的認(rèn)識(shí)是無(wú)止境的．情感、態(tài)度與價(jià)值觀通過(guò)對(duì)牛頓力學(xué)適用范圍的討論，使學(xué)生知道物理中的結(jié)論和規(guī)律一般都有其適用范圍，認(rèn)識(shí)知識(shí)的變化性和無(wú)窮性，培養(yǎng)獻(xiàn)身于科學(xué)的時(shí)代精神．我們認(rèn)識(shí)物理這門學(xué)科，已經(jīng)有兩年半了，同學(xué)們，你有沒(méi)有意識(shí)到自己是幸運(yùn)的？我們從一開始就被直接帶入了這座宏偉壯麗的物理學(xué)大廈。而這座大廈是由一大批杰出的物理學(xué)家前赴后繼、嘔心瀝血構(gòu)建而成的。今天，我們?cè)诹私馕锢韺W(xué)開展過(guò)程當(dāng)中，也結(jié)識(shí)幾個(gè)早就和我們所學(xué)的知識(shí)一同陪伴在我們身邊的物理學(xué)界的偉大人物。收集整理經(jīng)典力學(xué)開展過(guò)程中重大成就事件，并按時(shí)間順序由遠(yuǎn)及近排列，你是否發(fā)現(xiàn)取得重大成就的時(shí)間間隔越來(lái)越短？這說(shuō)明了什么？一.經(jīng)典力學(xué)的開展歷程重大成就時(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(wàn)有引力定律1687請(qǐng)分析比較以下科學(xué)家對(duì)經(jīng)典力學(xué)的奉獻(xiàn)亞里士多德伽利略笛卡兒惠更斯牛頓國(guó)別生活年代古希臘，約公元前384～公元前322年意大利，1564～1642年法國(guó)，1596～1650年荷蘭，1629～1695年英國(guó)，1642～1727年主要的科學(xué)研究方法觀察、思維、推理觀察實(shí)驗(yàn)、假設(shè)、數(shù)學(xué)推理三者相結(jié)合實(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)觀察等力學(xué)方面的主要成就兩個(gè)反面的結(jié)論：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)量出重力加速度的值。①三大運(yùn)動(dòng)定律、②萬(wàn)有引力定律。經(jīng)典力學(xué)開展的三個(gè)階段第一階段：伽利略、牛頓時(shí)代之前。人們對(duì)力學(xué)現(xiàn)象的研究大多直接反映在技術(shù)之中或完全融合在哲學(xué)之內(nèi)，物理學(xué)就整體而言還沒(méi)有成為獨(dú)立的科學(xué)。這個(gè)階段對(duì)力學(xué)作出突出奉獻(xiàn)的是阿基米德。第二階段：從伽利略到牛頓。是經(jīng)典力學(xué)從根本要領(lǐng)、根本定律到建成理論體系的階段，在這一階段有一系列的科學(xué)家為經(jīng)典力學(xué)打下重要根底。第三階段：牛頓之后。經(jīng)典力學(xué)又有新的開展，這一階段主要是后人對(duì)經(jīng)典力學(xué)的表述形式和應(yīng)用對(duì)象進(jìn)行了拓展和完善。二.經(jīng)典力學(xué)的偉大成就⑴把人類對(duì)整個(gè)自然界的認(rèn)識(shí)推進(jìn)到一個(gè)新水平，牛頓從力學(xué)上證明了自然界的統(tǒng)一；⑵經(jīng)典力學(xué)的建立首次明確了一切自然科學(xué)理論應(yīng)有的根本特征，這標(biāo)志著近代理論自然科學(xué)的誕生，也成為其他各門自然科學(xué)的典范；⑶經(jīng)典力學(xué)的建立對(duì)自然科學(xué)和科技的開展、社會(huì)的進(jìn)步具有深遠(yuǎn)影響：①經(jīng)典力學(xué)形成的科學(xué)研究方法的推廣應(yīng)用；②經(jīng)典力學(xué)與其他根底科學(xué)相結(jié)合產(chǎn)生了許多交叉學(xué)科，促進(jìn)了自然科學(xué)的進(jìn)一步開展；③經(jīng)典力學(xué)在科學(xué)技術(shù)上有廣泛的應(yīng)用，促進(jìn)了社會(huì)文明的開展。17世紀(jì)牛頓力學(xué)構(gòu)成了體系?？梢哉f(shuō)，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(wàn)有引力定律，并開展了變量數(shù)學(xué)微積分，具有解決實(shí)際問(wèn)題的能力。他開拓了天體力學(xué)，海王星和冥王星的發(fā)現(xiàn)就充分顯示了這一點(diǎn).牛頓力學(xué)的絕對(duì)時(shí)空觀:

伽利略和牛頓的絕對(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.牛頓的局限

1)絕對(duì)時(shí)空觀認(rèn)為時(shí)間與空間無(wú)關(guān)，時(shí)空與運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)，是絕對(duì)的物理量。2)當(dāng)一些問(wèn)題牛頓解釋不了時(shí)，它就只好用上帝的萬(wàn)能來(lái)解釋，為此牛頓花費(fèi)了后半生的心血，這正是牛頓的悲劇。1905年，愛因斯坦〔1879─1955〕發(fā)表了狹義相對(duì)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(zhǎng)度、質(zhì)量和經(jīng)過(guò)的時(shí)間，都隨觀察者的參考系〔特定觀察〕而變化。三、狹義相對(duì)論的根本原理〔1〕相對(duì)時(shí)間狹義相對(duì)論認(rèn)為時(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，靜止的鐘表總比另一個(gè)稍微快一點(diǎn)。1、相對(duì)性原理〔1〕相對(duì)時(shí)間1、相對(duì)性原理〔2〕相對(duì)長(zhǎng)度愛爾蘭物理學(xué)家佛茲杰拉德(1851─1901)提出，物質(zhì)會(huì)在運(yùn)動(dòng)的方向上收縮〔縮小〕，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(zhǎng)度會(huì)比它靜止時(shí)更短，盡管乘坐火箭的人看來(lái)并沒(méi)有什么兩樣。愛因斯坦指出，任何物體以光速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其長(zhǎng)度將會(huì)縮短為零。1、相對(duì)性原理〔2〕相對(duì)長(zhǎng)度1、相對(duì)性原理〔3〕相對(duì)質(zhì)量物體運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量與靜止質(zhì)量的關(guān)系1、相對(duì)性原理2、光速不變?cè)韺?duì)任何慣性系,在真空中沿任意方向傳播的光速都相同,且與光源的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)。即誰(shuí)測(cè)真空中的光速都是c

,與慣性系的選擇及光源無(wú)關(guān)。例：宇宙飛船以20萬(wàn)km/s的速度飛行,人在飛船上向前發(fā)一束光,光在飛船中以光速c傳播,地球上的人測(cè)得光速多大？萬(wàn)Km/s按運(yùn)動(dòng)合成得:實(shí)際測(cè)得:萬(wàn)Km/s愛因斯坦理論是牛頓理論的開展注意一切物理規(guī)律力學(xué)規(guī)律“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〞。他剖析自己的科學(xué)感受時(shí)說(shuō)：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(jué)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?！翱茖W(xué)的頭腦就是去疑心,去證實(shí),去發(fā)現(xiàn)的精神!〞AlbertEinstein世紀(jì)偉人相對(duì)論好象是：“榮耀奪目的火箭，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。〞——德布羅意因此，當(dāng)物體的速度遠(yuǎn)小于真空中的光速時(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。四、經(jīng)典力學(xué)難以解釋微觀粒子的運(yùn)動(dòng)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(lái)說(shuō)明。20世紀(jì)20年代量子力學(xué)的出現(xiàn)，才很好地揭示了微觀世界的根本規(guī)律。五、強(qiáng)引力作用下出現(xiàn)的問(wèn)題

牛頓的萬(wàn)有引力定律取得了巨大的成就，但在一些問(wèn)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7.6-1〕，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)此那么能作出很好的解釋，同時(shí)還預(yù)言光線經(jīng)過(guò)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(wú)窮大；而愛因斯坦的理論那么認(rèn)為，引力趨于無(wú)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。六、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(méi)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(méi)有區(qū)別。對(duì)于強(qiáng)引力情況，需要應(yīng)用愛因斯坦引力理論。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。課堂小結(jié)經(jīng)典力學(xué)規(guī)律只能用于：宏觀物體、低速運(yùn)動(dòng)、弱引力。牛頓定律能適用于以下哪些情況？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(yáng)的運(yùn)動(dòng)D、研究飛機(jī)從深圳飛往北京的航線【答案】BCD【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)。練習(xí)1有關(guān)物體的質(zhì)量與速度的關(guān)系的說(shuō)法,正確的選項(xiàng)是〔〕A．物體的質(zhì)量與物體的運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)B．物體的質(zhì)量隨物體的運(yùn)動(dòng)速度增大而增大C．物體的質(zhì)量隨物體的運(yùn)動(dòng)速度增大而減少D．當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度接近光速時(shí)，質(zhì)量趨于零B練習(xí)2愛因斯坦給后人的信

一天，愛因斯坦正在撰寫光電效應(yīng)定律的論文，美國(guó)總統(tǒng)羅斯福打來(lái)，讓他給5000年后的人們寫一封信。愛因斯坦笑了，說(shuō)：“總統(tǒng)，您真會(huì)開玩笑，要我寫些什么呢？〞羅斯福非常鄭重地說(shuō)：“把我們這個(gè)時(shí)代人們的思想和科學(xué)的開展，告訴5000年后的人們，讓他們對(duì)我們有所了解。〞“這樣的信，即使寫了也沒(méi)法寄??！〞愛因斯坦說(shuō)，“沒(méi)有這樣的郵差。〞“這個(gè)，我考慮過(guò)。〞羅斯福成竹在胸，“有的。我們給他們做一個(gè)平安固定的信箱，5000年后，他們到那里去取就是了……〞愛因斯坦饒有興趣地點(diǎn)點(diǎn)頭說(shuō)：“還是總統(tǒng)有方法。〞羅斯福1933年任美國(guó)第32屆總統(tǒng)，業(yè)績(jī)輝煌。他所以叫愛因斯坦給5000年后的人們寫信，要的是名人效應(yīng)。愛因斯坦是偉大的科學(xué)家，在物理學(xué)的許多方面做出了卓越的奉獻(xiàn)，特別是相對(duì)論，揭示了空間—時(shí)間的辯證關(guān)系，無(wú)論在科學(xué)上還是在哲學(xué)上，都具有重要的歷史意義。1938年8月10日，愛因斯坦寫了?致后人書?——

“我們的時(shí)代富于創(chuàng)造思想。我們的發(fā)現(xiàn)本應(yīng)該可以大大地使我們的生活輕松愉快。我們利用電能橫渡大洋。我們使用電能來(lái)減輕人類的繁重的體力勞動(dòng)。我們學(xué)會(huì)了飛行。我們利用電波很容易地把消息發(fā)到全球各地去。〞“但是，雖然有著這一切，我們的商品的生產(chǎn)和分配是完全無(wú)組織的，人們必須生活在憂慮中，擔(dān)憂被人從經(jīng)濟(jì)生活中拋出，失去一切。除此之外，生活在不同國(guó)家中的人們每隔一個(gè)長(zhǎng)短不等的時(shí)間就要進(jìn)行互相殺戮，因此，每一個(gè)想到未來(lái)的人必然都生活在經(jīng)常的憂慮中。〞“我相信，我們的后人將懷著一種理所當(dāng)然的優(yōu)越感讀上面這幾行文字吧。〞

愛因斯坦的這封給后人的信是用特制的墨水和紙寫成的。與其它的文件一起裝進(jìn)一個(gè)特制的鋼體里，埋入紐約當(dāng)時(shí)準(zhǔn)備開工興建的國(guó)際博覽會(huì)建筑地基下面15米的花崗巖洞