經(jīng)典力學的局限性

我們認識物理這門學科，已經(jīng)有兩年半了，同學們，你有沒有意識到自己是幸運的？我們從一開始就被直接帶入了這座宏偉壯麗的物理學大廈。而這座大廈是由一大批杰出的物理學家前赴后繼、嘔心瀝血構建而成的。今天，我們在了解物理學發(fā)展過程當中，也結識幾個早就和我們所學的知識一同陪伴在我們身邊的物理學界的偉大人物。收集整理經(jīng)典力學發(fā)展過程中重大成就事件，并按時間順序由遠及近排列，你是否發(fā)現(xiàn)取得重大成就的時間間隔越來越短？這說明了什么？一.經(jīng)典力學的發(fā)展歷程重大成就時間阿基米德發(fā)現(xiàn)浮力定律公元前三世紀開普勒發(fā)現(xiàn)行星運動定律1609，1619伽利略闡明了運動的相對性原理1632伽利略發(fā)現(xiàn)了自由落體運動規(guī)律、慣性原理1638帕斯卡發(fā)現(xiàn)帕斯卡原理1653馬德堡半球實驗、驗證大氣壓力1663發(fā)現(xiàn)胡克定律——彈簧彈力和形變的關系1678牛頓發(fā)表《自然哲學的數(shù)學原理》，闡明了運動定律和萬有引力定律1687請分析比較下列科學家對經(jīng)典力學的貢獻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年主要的科學研究方法觀察、思維、推理觀察實驗、假設、數(shù)學推理三者相結合實驗觀察、數(shù)學推理實驗、數(shù)學推理歸納與演繹、綜合與分析、實驗觀察等力學方面的主要成就兩個反面的結論：①力是維持物體運動的原因。②重的物體比輕的物體下落得快。①自由落體運動規(guī)律②力學相對性原理慣性定律①制成了世界上第一架計時擺鐘。②測量出重力加速度的值。①三大運動定律、②萬有引力定律。經(jīng)典力學發(fā)展的三個階段第一階段：

伽利略、牛頓時代之前。人們對力學現(xiàn)象的研究大多直接反映在技術之中或完全融合在哲學之內(nèi)，物理學就整體而言還沒有成為獨立的科學。這個階段對力學作出突出貢獻的是阿基米德。第二階段：

從伽利略到牛頓。是經(jīng)典力學從基本要領、基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家為經(jīng)典力學打下重要基礎。第三階段：

牛頓之后。經(jīng)典力學又有新的發(fā)展，這一階段主要是后人對經(jīng)典力學的表述形式和應用對象進行了拓展和完善。二.經(jīng)典力學的偉大成就⑴把人類對整個自然界的認識推進到一個新水平，牛頓從力學上證明了自然界的統(tǒng)一；⑵經(jīng)典力學的建立首次明確了一切自然科學理論應有的基本特征，這標志著近代理論自然科學的誕生，也成為其他各門自然科學的典范；⑶經(jīng)典力學的建立對自然科學和科技的發(fā)展、社會的進步具有深遠影響：①經(jīng)典力學形成的科學研究方法的推廣應用；②經(jīng)典力學與其他基礎科學相結合產(chǎn)生了許多交叉學科，促進了自然科學的進一步發(fā)展；③經(jīng)典力學在科學技術上有廣泛的應用，促進了社會文明的發(fā)展。

17世紀牛頓力學構成了體系?？梢哉f，這是物理學第一次偉大的綜合。牛頓建立了兩個定律:一個是運動定律,一個是萬有引力定律，并發(fā)展了變量數(shù)學微積分，具有解決實際問題的能力。他開拓了天體力學，海王星和冥王星的發(fā)現(xiàn)就充分顯示了這一點.牛頓力學的絕對時空觀:

伽利略和牛頓的絕對時空觀認為,同一物體運動的時間和長度(位移)在不同的參考系中,測量結果是相同的.牛頓的局限

1)絕對時空觀認為時間與空間無關，時空與運動無關，是絕對的物理量。2)當一些問題牛頓解釋不了時，它就只好用上帝的萬能來解釋，為此牛頓花費了后半生的心血，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)量和經(jīng)過的時間，都隨觀察者的參考系（特定觀察）而變化。三、狹義相對論的基本原理（1）相對時間

狹義相對論認為時間不是絕對的（即固定不變的）。愛因斯坦指出，隨著物體（觀察者所見到的）運動速度的加快，時間會變慢。使用同步原子鐘已證實了這個結論的正確性，將一個鐘表留在地面上，而攜帶另一個以很快速度移動（如在噴氣式飛機上），隨后進行比較，靜止的鐘表總比另一個稍微快一點。1、相對性原理（1）相對時間1、相對性原理（2）相對長度

愛爾蘭物理學家佛茲杰拉德(1851─1901)提出，物質(zhì)會在運動的方向上收縮（縮?。?，這意味著根據(jù)一個靜止觀察者的觀點，一枚以接近光線運行的火箭所表現(xiàn)出的長度會比它靜止時更短，盡管乘坐火箭的人看來并沒有什么兩樣。愛因斯坦指出，任何物體以光速運動時，其長度將會縮短為零。1、相對性原理（2）相對長度

1、相對性原理（3）相對質(zhì)量物體運動時的質(zhì)量與靜止質(zhì)量的關系1、相對性原理2、光速不變原理對任何慣性系,在真空中沿任意方向傳播的光速都相同,且與光源的運動狀態(tài)無關。即誰測真空中的光速都是c

,與慣性系的選擇及光源無關。例：宇宙飛船以20萬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,地球上的人測得光速多大？萬Km/s按運動合成得:實際測得:萬Km/s愛因斯坦理論是牛頓理論的發(fā)展注意一切物理規(guī)律力學規(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”。他剖析自己的科學感受時說：Einstein對相對論的解釋:當你和一個漂亮姑娘在一起坐一小時,你感覺只坐了一分鐘,當你坐在火爐旁一分鐘,就好象坐了一小時,這就是相對論?！翱茖W的頭腦就是去懷疑,去證實,去發(fā)現(xiàn)的精神!”AlbertEinstein世紀偉人相對論好象是：“光彩奪目的火箭，它在黑暗的夜空，突然劃出一道道十分強烈的光輝，照亮了廣闊的未知領域。”

——德布羅意

因此，當物體的速度遠小于真空中的光速時，經(jīng)典力學完全適用；當物體的速度接近光速時，經(jīng)典力學就不適用了。四、經(jīng)典力學難以解釋微觀粒子的運動

科學家們發(fā)現(xiàn)，電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子不僅具有粒子性，同時還具有波動性，它們的運動在很多情況下不能用經(jīng)典力學來說明。20世紀20年代量子力學的出現(xiàn)，才很好地揭示了微觀世界的基本規(guī)律。五、強引力作用下出現(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：水星的公轉軌道在不斷旋進（參見教材圖），其實際觀察值要比經(jīng)典力學的預言值多。1915年，愛因斯坦創(chuàng)立的廣義相對論對此則能作出很好的解釋，同時還預言光線經(jīng)過大質(zhì)量星體附近時會發(fā)生偏轉，且已被觀測證實。另外，根據(jù)牛頓的理論，當天體被壓縮成半徑幾乎為0的一個點時，引力趨于無窮大；而愛因斯坦的理論則認為，引力趨于無窮大發(fā)生在半徑接近一個“引力半徑”的時候，這個引力半徑的值由天體的質(zhì)量決定。當天體的實際半徑接近引力半徑時，由愛因斯坦和牛頓引力理論計算出的力的差異急劇增大，在強引力情況下牛頓引力理論不再適用。六、經(jīng)典力學的適用范圍經(jīng)典力學有它的適用范圍：只適用于低速運動，不適用于高速運動；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，不適用于強引力情況。對于高速運動（速度接近真空中的光速），需要應用愛因斯坦的相對論。當物體的運動速度遠小于真空中的光速時，相對論物理學與經(jīng)典物理學的結論沒有區(qū)別。對于微觀世界，需要應用量子力學。當普朗克常數(shù)可以忽略不計時，量子力學和經(jīng)典力學的結論沒有區(qū)別。對于強引力情況，需要應用愛因斯坦引力理論。當天體的實際半徑遠大于它們的引力半徑時，愛因斯坦引力理論和牛頓引力理論計算出的力的差異并不很大。課堂小結經(jīng)典力學規(guī)律只能用于：宏觀物體、低速運動、弱引力。牛頓定律能適用于下列哪些情況？A、研究原子中電子的運動B、研究“神州”五號的高速發(fā)射C、研究地球繞太陽的運動D、研究飛機從深圳飛往北京的航線【答案】BCD【提示】經(jīng)典力學只適用于處理宏觀物體的低速運動。練習1有關物體的質(zhì)量與速度的關系的說法,正確的是（）A．物體的質(zhì)量與物體的運動速度無關B．物體的質(zhì)量隨物體的運動速度增大而增大C．物體的質(zhì)量隨物體的運動速度增大而減少D．當物體的運動速度接近光速時，質(zhì)量趨于零B練習2

愛因斯坦給后人的信

一天，愛因斯坦正在撰寫光電效應定律的論文，美國總統(tǒng)羅斯福打來電話，讓他給5000年后的人們寫一封信。愛因斯坦笑了，說：“總統(tǒng)，您真會開玩笑，要我寫些什么呢？”羅斯福非常鄭重地說：“把我們這個時代人們的思想和科學的發(fā)展，告訴5000年后的人們，讓他們對我們有所了解。”“這樣的信，即使寫了也沒法寄啊！”愛因斯坦說，“沒有這樣的郵差?！薄斑@個，我考慮過。”羅斯福成竹在胸，“有的。我們給他們做一個安全固定的信箱，5000年后，他們到那里去取就是了……”愛因斯坦饒有興趣地點點頭說：“還是總統(tǒng)有辦法?！绷_斯福1933年任美國第32屆總統(tǒng)，業(yè)績輝煌。他所以叫愛因斯坦給5000年后的人們寫信，要的是名人效應。愛因斯坦是偉大的科學家，在物理學的許多方面做出了卓越的貢獻，特別是相對論，揭示了空間—時間的辯證關系，無論在科學上還是在哲學上，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》——

“我們的時代富于創(chuàng)造思想。我們的發(fā)現(xiàn)本應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。我們使用電能來減輕人類的繁重的體力勞動。我們學會了飛行。我們利用電波很容易地把消息發(fā)到全球各地去?！薄暗?，雖然有著這一切，我們的商品的生產(chǎn)和分配是完全無組織的，人們必須生活在憂慮中，擔心被人從經(jīng)濟生活中拋出，失去一切。除此之外，生活在不同國家中的人們每隔一個長短不等的時間就要進行互相殺戮，因此，每一個想到未來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一個特制的鋼體里，埋入紐約當時準備動工興建的國際博覽會建筑地基下面15米的花崗巖洞內(nèi)，地面立有一碑柱，要人