第8.1節(jié) 牛頓力學的局限性（解析版）

第八章牛頓力學的局限性與相對論初步8.1牛頓力學的局限性??目標導航學問要點難易度1.牛頓力學不能解釋：不能超過c、以太不存在、電子能級、強引力場2.牛頓力學適用范圍：宏觀、低速、弱引力場3.相對論沒有完全否定牛頓力學★★★★??學問精講一、牛頓力學局限性1.牛頓力學無法解釋的現(xiàn)象(1)粒子加速不行能超過光速按牛頓力學計算，質(zhì)子質(zhì)量為1.67×10-27kg，當把一個質(zhì)子能量加速到1.6×10-10J時，速度=1.46c>c，這和試驗觀看不相符。通常用γ因子來描述高速粒子的性質(zhì)：當粒子的速度很小時，γ≈1；當粒子的速度接近光速時，伽馬因子會趨近于無窮大，說明質(zhì)量無限增加。(2)以太不存在按牛頓力學，光的傳播需要一種叫以太的介質(zhì)，布滿宇宙空間，但邁克耳孫莫雷試驗證明不存在。(3)電子的能級電子在原子核正電荷的庫侖力作用下繞核運轉(zhuǎn)，其軌道半徑是連續(xù)的；無法解釋電子軌道能級量子化，原子光譜，激光等。(4)強引力場的天體運動一個質(zhì)量為m，半徑為R的天體，其引力場的強弱通常用引力常數(shù)，引力常數(shù)越小引力場越弱。地球的引力常數(shù)約為10-9，太陽引力常數(shù)約為10-6，而對于中子星，這個值約為10-1，黑洞則接近于1。牛頓力學在弱引力場天體運動方面取得了很大的成功，但無法正確描述強引力場天體的運動。2.牛頓力學局限性：牛頓力學的適用范圍是低速宏觀物體。(1)低速運動。當物體以接近光速運動時，有些與牛頓力學的結(jié)論不相同。(2)宏觀物體的運動。電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子的運動不能用牛頓力學來說明。(3)弱引力場。中子星、黑洞不能用牛頓力學描述。3.牛頓力學沒有被相對論完全否定，當物體運動的速度遠小于光速c時，相對論與牛頓力學沒有區(qū)分。例1.下列關(guān)于經(jīng)典力學的說法正確的是()A.經(jīng)典力學適用于宏觀、低速(遠小于光速)運動的物體B.經(jīng)典力學適用于微觀、高速(接近光速)運動的粒子C.相對論和量子力學的消滅，表明經(jīng)典力學已被完全否定了D.經(jīng)典力學在理論和實踐上取得了巨大的成功，從地面到天體的運動都聽從經(jīng)典力學的規(guī)律，因此任何狀況下都適用答案：A解析：經(jīng)典力學是狹義相對論在低速(v?c)條件下的近似，即只要速度遠小于光速，經(jīng)過數(shù)學變換狹義相對論的公式就全部變化為經(jīng)典力學的公式，故A正確，B、D錯誤；相對論與量子力學并沒有否定經(jīng)典力學，而是在其基礎上進展起來的，故C錯誤。??鞏固練習1.下列運動中不能用經(jīng)典力學規(guī)律描述的是()A.子彈的飛行 B.和諧號從深圳向廣州奔馳C.人造衛(wèi)星繞地球運動 D.粒子接近光速的運動答案：D解析：子彈的飛行、火車的運動及人造衛(wèi)星繞地球的運動，都屬于宏觀、低速，經(jīng)典力學能適用，而粒子接近光速的運動，不能適用于經(jīng)典力學，故選D。2.下列物理現(xiàn)象中，哪些可以在牛頓力學的框架下得到解釋？哪些不能在牛頓力學的框架下得到解釋？試簡述理由。(1)地球繞太陽公轉(zhuǎn)；(2)量子通信；(3)引力波；(4)加速器中高能粒子的運動；(5)激光；(6)電子的軌道運動：(7)水星的軌道進動；(8)黑體輻射的能量分布答案：(1)牛頓力學適用于低速、宏觀的運動，地球繞太陽的公轉(zhuǎn)可以用牛頓力學解釋;(2)量子通信又稱量子隱形傳送，量子通信是由量子態(tài)攜帶信息的通信方式，它利用光子等基本粒子的量子糾纏原理實現(xiàn)保密通信過程，量子通信是利用了微觀粒子，故不能在牛頓力學的框架下得到解釋;(3)引力波是高速運動問題，故不能在牛頓力學的框架下得到解釋。(4)加速器中高能粒子的運動是高速運動問題，故不能在牛頓力學的框架下得到解釋。(5)激光是高速運動問題，故不能在生頓力學的框架下得到解釋。(6)電子的軌道運動是量子力學的爭辯范疇，而不是牛頓力學所能完全解釋的。(7)水星的軌道進動是由于相對論效應的存在而導致的，牛頓力學未能精確?????猜測這一現(xiàn)象，由于它沒有考慮到高速運動下時間和空間的相對性。相對論供應了更精確的描述，解釋了水星軌道的進動。(8)黑體輻射的能量分布也是牛頓力學無法解釋的現(xiàn)象之一。這一問題在19世紀末引發(fā)了物理學界的“紫外災難”，由于依據(jù)經(jīng)典物理學的理論猜測，黑體在高頻輻射下會放射出無窮大的能量，這與試驗觀測結(jié)果嚴峻不符。量子力學的進展解決了這個問題，供應了正確的黑體輻射能量分布公式。3.(多選)下列運動中經(jīng)典力學規(guī)律適用的是()A.子彈的飛行 B.飛船繞地球的運行C.列車的運行 D.粒子接近光速的運動答案：ABC解析：經(jīng)典力學的適用范圍是宏觀、低速的情形，子彈的飛行、飛船繞地球的運行、列車的運動，經(jīng)典力學能適用，A、B、C正確；對于微觀、高速的情形經(jīng)典力學不再適用，D錯誤。4.計算下表中物體運動速度的γ因子：運動物體步行的人奔跑中的運動員高鐵衛(wèi)星從地球逃逸的衛(wèi)星加速器中的高能粒子速度5km/h10m/s300km/h3.08km/s11.2km/s0.9999c答案：步行的人γ≈1 奔跑中的運動員γ≈1 高鐵γ≈1 衛(wèi)星γ≈1 從地球逃逸的衛(wèi)星γ≈1 加速器中的高能粒子γ≈70.715.北京正負電子對撞機是我國第一臺高能加速器，可以將電子能量加速到3.52×10-10J(2.2GeV)。依據(jù)牛頓力學，這個電子的速度是多大？這種狀況下，牛頓力學是否適用？為什么？答案：依據(jù)牛頓力學，由題可知電子的動能:，則，該遠速度大于光速，所以牛頓力學不適用。6.對于質(zhì)量為1.4倍太陽質(zhì)量、半徑與地球相同的白矮星，計算它的引力常數(shù)，牛頓力學可以正確描寫白矮星的運動嗎？簡述