高中物理第六章萬(wàn)有引力與航天6.6經(jīng)典力學(xué)的局限性

6經(jīng)典力學(xué)不足第1頁(yè)經(jīng)典力學(xué)基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動(dòng)定律，萬(wàn)有引力定律更是樹(shù)立了人們對(duì)牛頓物理學(xué)尊敬。著名物理學(xué)家楊振寧曾贊頌到：“假如一定要舉出某個(gè)人、某一天作為近代科學(xué)誕生標(biāo)志，我選牛頓《自然哲學(xué)數(shù)學(xué)原理》在1687年出版那一天?！钡?頁(yè)像一切科學(xué)一樣，它沒(méi)有也不會(huì)窮盡一切真理，它也有自己不足．它像一切科學(xué)理論一樣，是一部“未完成交響曲”．那么經(jīng)典力學(xué)在什么范圍內(nèi)適用呢?有怎樣不足呢?第3頁(yè)一、從低速到高速比如：在一個(gè)無(wú)限大光滑水平面上，有一質(zhì)量為m物體，在一個(gè)水平恒力F作用下，從靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。依據(jù)牛頓第二定律可知物體將以加速度a=F/m做勻加速直線運(yùn)動(dòng)。由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式可知：物體速度v=at推理：伴隨時(shí)間推移，物體速度不停增大，最終可使物體取得任意速度。但事實(shí)并非如此。常識(shí)告訴我們，物體運(yùn)動(dòng)速度是有極限，現(xiàn)在已知最大速度是光速，且現(xiàn)在也無(wú)法使物體運(yùn)動(dòng)超越這個(gè)速度，這是經(jīng)典力學(xué)無(wú)法解答。這是什么原因造成呢？是否經(jīng)典力學(xué)錯(cuò)誤？Fm第4頁(yè)

愛(ài)因斯坦在狹義相對(duì)論中闡述了物體以靠近光速運(yùn)動(dòng)所遵照規(guī)律，得出了一些不一樣與經(jīng)典力學(xué)觀念和結(jié)論。1、在經(jīng)典力學(xué)中，物體質(zhì)量是不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變，而狹義相對(duì)論認(rèn)為：物體質(zhì)量要隨物體運(yùn)動(dòng)速度增大而增大，即第5頁(yè)比如：(1)v＝0．8c時(shí)，物體質(zhì)量約增大到靜止質(zhì)量1．7倍，這時(shí)經(jīng)典力學(xué)就不再適用了．(2)如地球以v＝30km／s速度繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)時(shí)，它質(zhì)量增大十分微小，能夠忽略不計(jì)，經(jīng)典力學(xué)完全適用。質(zhì)速關(guān)系

說(shuō)明m0為靜止質(zhì)量，m是物體速度為v時(shí)質(zhì)量，c是真空中光速

第6頁(yè)2、運(yùn)動(dòng)物體和靜止物體相比不但質(zhì)量變了，而且沿運(yùn)動(dòng)方向長(zhǎng)度和時(shí)間都要改變，都含有相對(duì)性。下面事例能夠幫助我們了解相對(duì)論1971年8月一天，一名前蘇聯(lián)飛行員例行飛行時(shí)，無(wú)意中“闖進(jìn)”古埃及，他看到一座座金字塔剛才奠起塔基……1982年一位北約飛行員在一次飛行訓(xùn)練中，視野里竟然出現(xiàn)了數(shù)百只恐龍，飛機(jī)竟然來(lái)到史前非洲大陸。1970年一架272客機(jī)在飛向邁阿密?chē)?guó)際機(jī)場(chǎng)旅途中，也無(wú)故“失蹤”了10分鐘，10分鐘后，客機(jī)又在原來(lái)地方出現(xiàn)。失蹤一剎那，教授們惟一解釋是時(shí)間“靜止”不動(dòng)了第7頁(yè)時(shí)間和空間是什么？第8頁(yè)時(shí)間和空間是什么？第9頁(yè)二、宏觀到微觀

19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，人們相繼發(fā)覺(jué)了電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子，發(fā)覺(jué)它們不但含有粒子性，面且含有波動(dòng)性，它們運(yùn)動(dòng)規(guī)律不能用經(jīng)典力學(xué)描述．20世紀(jì)20年代，建立了量子力學(xué)，它能夠正確地描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律性，并在當(dāng)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮了主要作用．經(jīng)典力學(xué)普通不適合用于微觀粒子．

普朗克創(chuàng)建量子力學(xué)第10頁(yè)相對(duì)論和量子力學(xué)出現(xiàn)，是否表示經(jīng)典力學(xué)失去了意義?相對(duì)論和量子力學(xué)出現(xiàn)，說(shuō)明人類(lèi)對(duì)自然界認(rèn)識(shí)愈加廣泛和深入，而不表示經(jīng)典力學(xué)失去了意義．它只是使人們認(rèn)識(shí)到經(jīng)典力學(xué)有它適用范圍：只適合用于低速運(yùn)動(dòng)，不適合用于高速運(yùn)動(dòng)，只適合用于宏觀世界，不適合用于微觀世界。討論與交流

第11頁(yè)三、從弱引力到強(qiáng)引力

萬(wàn)有引力屬于弱引力．利用萬(wàn)有引力定律能夠解釋天體運(yùn)動(dòng)，并預(yù)言和發(fā)覺(jué)了海王星和冥王星，首次把天上星體運(yùn)動(dòng)規(guī)律與地面物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律統(tǒng)一起來(lái)．

不過(guò)宇宙中有一些天體，比如白矮星，他們質(zhì)量靠近太陽(yáng)，半徑卻與地球差不多，所以密度高達(dá)108～1010kg/m3;中子星密度更是達(dá)1016～1019kg/m3。這些天體表面引力比我們常見(jiàn)引力強(qiáng)多，牛頓引力理論已經(jīng)不適用了。第12頁(yè)按牛頓萬(wàn)有引力定律推算，行星運(yùn)動(dòng)應(yīng)該是一些橢圓或圓，行星沿著這些橢圓或圓做周期性運(yùn)動(dòng)，與實(shí)際觀察結(jié)果不符．經(jīng)典力學(xué)也能作出一些解釋，不過(guò)，水星旋進(jìn)實(shí)際觀察值比經(jīng)典力學(xué)預(yù)言值多．經(jīng)典力學(xué)解釋不能令人滿意．愛(ài)因斯坦依據(jù)廣義相對(duì)論計(jì)算出水星近日點(diǎn)旋進(jìn)還應(yīng)有43’附加值，同時(shí)還預(yù)言了光線在經(jīng)過(guò)大質(zhì)量星體附近時(shí)，如經(jīng)過(guò)太陽(yáng)附近時(shí)會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象．而且都被觀察證實(shí)．討論與交流

1、實(shí)際天文觀察，行星運(yùn)行軌道并不是嚴(yán)格閉合，它們近日點(diǎn)在不停地旋進(jìn)．經(jīng)典力學(xué)解釋令人滿意嗎?用什么理論來(lái)圓滿地進(jìn)行了解釋?第13頁(yè)假定一個(gè)球形天體質(zhì)量不變，并經(jīng)過(guò)壓縮減小它半徑，天體表面上引力將會(huì)增加，半徑降低到原來(lái)二分之一，引力增加到原來(lái)4倍。這就是日常說(shuō)“反平方”規(guī)律。愛(ài)因斯坦引力理論表明，這個(gè)力實(shí)際上增加更加快些。天體半徑越小，這種差異越大。當(dāng)引力趨于無(wú)窮大時(shí)，被壓縮天體半徑靠近值——“引力半徑”．在太陽(yáng)或行星引力場(chǎng)中，由愛(ài)因斯坦和牛頓理論計(jì)算出力差異并不很大．但當(dāng)日體實(shí)際半徑靠近引力半徑時(shí)，這種差異將急劇增大．這就是說(shuō)，在強(qiáng)引力情況下，牛頓萬(wàn)有引力理論將不再適用．討論與交流

2、何為天體引力半徑?

第14頁(yè)對(duì)于這么科學(xué)發(fā)展過(guò)程，英國(guó)劇作家蕭伯納曾詼諧地說(shuō)：“科學(xué)總是從正確走向錯(cuò)誤．”這種調(diào)侃倒也不失為一個(gè)幽默表述．討論與交流

第15頁(yè)討論與交流

3、歷史上科學(xué)成就與新科學(xué)成就關(guān)系是什么?

歷史上科學(xué)成就不會(huì)被新科學(xué)成就所否定，而是作為一些條件下局部情形，被包含在新科學(xué)成就之中．如：當(dāng)物體速度遠(yuǎn)小于光速c(3X108m／s)時(shí)，相對(duì)論與經(jīng)典理論結(jié)論沒(méi)有區(qū)分；當(dāng)另一個(gè)主要常數(shù)即“普朗克常數(shù)”h(6．63X10-34J·s)能夠忽略不計(jì)時(shí)．量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)結(jié)論沒(méi)有區(qū)分．相對(duì)論和量子力學(xué)都沒(méi)有否定過(guò)去科學(xué)，而只認(rèn)為過(guò)去科學(xué)是自己在一定條件下特殊情形．第16頁(yè)相對(duì)論和量子力學(xué)是哪一個(gè)更廣泛理論特殊情形呢？我們現(xiàn)在還不知道……”討論與交流

第17頁(yè)以牛頓運(yùn)動(dòng)定律為基礎(chǔ)經(jīng)典力學(xué)適用范圍是什么?總結(jié)經(jīng)典力學(xué)只適合用于處理低速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，不能用來(lái)處理高速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，經(jīng)典力學(xué)只適合用于宏觀物體，普通不