經(jīng)典力學(xué)的成就與局限性

武勝中學(xué)吳建兵靜力學(xué)(描述靜止物體)運(yùn)動(dòng)學(xué)(描述物體運(yùn)動(dòng))動(dòng)力學(xué)(描述物體受力作用下的運(yùn)動(dòng))經(jīng)典力學(xué)(牛頓力學(xué))經(jīng)典力學(xué)模塊分類牛頓伽利略、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稀?經(jīng)典力學(xué)金字塔的建立開普勒萬有引力定律牛頓三大定律亞里士多德伽利略笛卡兒惠更斯牛頓國別生活年代古希臘,約公元前384～公元前322年意大利,1564～1642年法國,1596～1650年荷蘭,1629～1695年英國,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、②萬有引力定律?？茖W(xué)家對(duì)經(jīng)典力學(xué)的貢獻(xiàn)

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)。

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)?；鸺⑷嗽斓厍蛐l(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……1905年,出生于德國的美籍物理學(xué)家阿爾伯特·愛因斯坦(1879-1955)發(fā)表了狹義相對(duì)論。這個(gè)理論指出在宇宙中唯一不變的是光線在真空中的速度,其它任何事物──速度、長(zhǎng)度、質(zhì)量和經(jīng)過的時(shí)間,都隨觀察者的參考系(特定觀察)而變化。牛頓建立的經(jīng)典力學(xué)已相當(dāng)完善,愛因斯坦為什么還要提出相對(duì)論。相對(duì)論是否全盤否定了牛頓的經(jīng)典力學(xué)理論?經(jīng)典力學(xué)的局限性和適用范圍?

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)一架飛機(jī)正在勻速地行駛,從飛機(jī)上投下一枚炸彈。那么,如果不計(jì)空氣阻力的影響,飛行員看見炸彈是沿直線落下的。從地面上觀察這一舉動(dòng)的行人則看到炸彈是沿拋物線落到地面上的。一、對(duì)牛頓運(yùn)動(dòng)定律受參考系限制的認(rèn)識(shí)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?？梢?在非慣性系中,牛頓定律不再成立?，F(xiàn)在問:炸彈所經(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?經(jīng)典力學(xué)(牛頓運(yùn)動(dòng)定律)在慣性系中成立(適用)。二、經(jīng)典力學(xué)受速度限制的分析在經(jīng)典力學(xué)中,物體的質(zhì)量是不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的。但是,按照20世紀(jì)初著名物理學(xué)家愛因斯坦建立的狹義相對(duì)論,質(zhì)量要隨物體運(yùn)動(dòng)速度的增大而增大。物體的質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系:式中m0是物體靜止時(shí)的質(zhì)量,m是物體速度為v時(shí)的質(zhì)量,c是真空中的光速。

可見,當(dāng)v<<c時(shí),m≈m0;當(dāng)v趨近于c時(shí),m趨近于無窮大。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。經(jīng)典力學(xué)(牛頓運(yùn)動(dòng)定律)在低速運(yùn)動(dòng)的物體(低速世界)中成立(適用)。設(shè)河流中的水相對(duì)于河岸的速度為v水岸,船相對(duì)于水的速度為v船水,則在經(jīng)典力學(xué)中,船相對(duì)于岸的速度為：這似乎是天經(jīng)地義的。但是,這個(gè)關(guān)系式涉及兩個(gè)不同的慣性參考系,而速度總是與位移(空間長(zhǎng)度)及時(shí)間間隔的測(cè)量相聯(lián)系。相對(duì)論認(rèn)為,同一過程的位移和時(shí)間的測(cè)量在不同參考系中是不同的,因而上式不能成立。(矢量和)當(dāng)一些問題牛頓解釋不了時(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。不敢相信圖中的橫線是平行的,不過它就是平行的兩個(gè)位于中心的圓哪個(gè)大?其實(shí)一樣大的!

三、經(jīng)典力學(xué)在分析宏觀與微觀的困難第二次革命的導(dǎo)火索是物理學(xué)史上的三大發(fā)現(xiàn):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,使物理學(xué)的研究從宏觀領(lǐng)域進(jìn)入了微觀世界。人們發(fā)現(xiàn),微觀粒子所表現(xiàn)出的現(xiàn)象用經(jīng)典物理理論根本無法解釋。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)來說明。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基本規(guī)律。經(jīng)典力學(xué)(牛頓運(yùn)動(dòng)定律)在宏觀世界中成立(適用),微觀世界不適用。普朗克創(chuàng)立量子力學(xué)四、兩種不同的時(shí)空觀"科學(xué)漫步"欄目中提到了牛頓和愛因斯坦的兩種不同的時(shí)空觀。牛頓認(rèn)為:空間是獨(dú)立于物體及其運(yùn)動(dòng)而存在的,時(shí)間也是獨(dú)立于物體及其運(yùn)動(dòng)而存在的,這是一種經(jīng)典時(shí)空觀。

愛因斯坦則認(rèn)為:在研究物體的高速運(yùn)動(dòng)(速度接近真空中的光速)時(shí),物體的長(zhǎng)度即物體占有的空間,以及物理過程、化學(xué)過程,甚至還有生命過程的持續(xù)時(shí)間,都與它們的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān),空間與時(shí)間不再與物體及其運(yùn)動(dòng)無關(guān)而獨(dú)立存在。這是一種嶄新的時(shí)空觀。(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

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)。(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

經(jīng)典時(shí)空觀狹義相對(duì)論時(shí)空觀光速

同時(shí)

時(shí)間與空間

質(zhì)量

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)空觀五、強(qiáng)引力作用下出現(xiàn)的問題

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),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。牛頓運(yùn)動(dòng)定律只適用于弱引力,在強(qiáng)引力的作用下,牛頓的引力理論不再成立。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?？傊?/p>

經(jīng)典力學(xué)只適用于低速、宏觀、弱引力的情況。當(dāng)物體的速度遠(yuǎn)小于光速c時(shí),相對(duì)論物理學(xué)和經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別。當(dāng)另一個(gè)重要的常數(shù)即"普朗克常量"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。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)引力七、牛頓的科學(xué)方法"科學(xué)足跡"中總結(jié)了牛頓的科學(xué)方法,這些科學(xué)方法值得我們借鑒。

重視實(shí)驗(yàn):重視實(shí)驗(yàn),從歸納入手,這是牛頓科學(xué)方法論的基礎(chǔ)。

邏輯推論:為了歸納成功,不僅需要大量的可靠資料與廣博的知識(shí),而且要有清晰的邏輯頭腦。

數(shù)學(xué)歸納:事物之間的本質(zhì)聯(lián)系只有通過數(shù)學(xué)才能歸納為能夠測(cè)量、應(yīng)用和檢驗(yàn)的公式和定律。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。AlbertEinstein世紀(jì)偉人補(bǔ)充內(nèi)容1.狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)

狹義相對(duì)論的整套理論是基于以下兩個(gè)基本假設(shè)之上的：a.愛因斯坦相對(duì)性原理:在不同的參考系中,一切物理規(guī)律都是相同的。b.光速不變?cè)?真空中的光速在不同的參考系中都是相同的。2.時(shí)間的相對(duì)性——鐘慢效應(yīng)式中v是運(yùn)動(dòng)物體的速度,c是真空中的光速,△t′是運(yùn)動(dòng)體中的觀察者觀察到的時(shí)間間隔,△t是地面上的觀察者觀察到的時(shí)間間隔。由于<1,所以△t>△t′,即運(yùn)動(dòng)體中的觀察者觀察到的時(shí)間間隔變短了,從地面上觀察運(yùn)動(dòng)物體的時(shí)間變慢了。這就是所謂的"鐘慢效應(yīng)"。時(shí)間的相對(duì)性符合以下規(guī)律:3.空間的相對(duì)性——尺縮效應(yīng)式中v是運(yùn)動(dòng)物體的速度,c是真空中的光速,L′是運(yùn)動(dòng)體中的觀察者測(cè)得的長(zhǎng)度,L是地面上的觀察者測(cè)得的長(zhǎng)度。<1,所以L<L′,即地面上的觀察者觀察到運(yùn)動(dòng)體的長(zhǎng)度變短了,這就是所謂的"尺縮效應(yīng)"。由于空間的相對(duì)性符合以下規(guī)律:4.相對(duì)論速度疊加公式相對(duì)論的速度疊加公式為:

5.廣義相對(duì)論的兩個(gè)基本原理廣義相對(duì)論有以下兩條基本原理:廣義相對(duì)性原理:在任何參考系中(包括慣性參考系和非慣性參考系)物理規(guī)律都是相同的。等效原理:一個(gè)均勻的引力場(chǎng)與一個(gè)做勻加速運(yùn)動(dòng)得到參考系是等效的。