高中物理第六章萬有引力與航天6.6經(jīng)典力學的局限性

6經(jīng)典力學不足第1頁經(jīng)典力學基礎是牛頓運動定律，萬有引力定律更是樹立了人們對牛頓物理學尊敬。著名物理學家楊振寧曾贊頌到：“假如一定要舉出某個人、某一天作為近代科學誕生標志，我選牛頓《自然哲學數(shù)學原理》在1687年出版那一天。”第2頁像一切科學一樣，它沒有也不會窮盡一切真理，它也有自己不足．它像一切科學理論一樣，是一部“未完成交響曲”．那么經(jīng)典力學在什么范圍內(nèi)適用呢?有怎樣不足呢?第3頁一、從低速到高速比如：在一個無限大光滑水平面上，有一質(zhì)量為m物體，在一個水平恒力F作用下，從靜止開始運動。依據(jù)牛頓第二定律可知物體將以加速度a=F/m做勻加速直線運動。由運動學公式可知：物體速度v=at推理：伴隨時間推移，物體速度不停增大，最終可使物體取得任意速度。但事實并非如此。常識告訴我們，物體運動速度是有極限，現(xiàn)在已知最大速度是光速，且現(xiàn)在也無法使物體運動超越這個速度，這是經(jīng)典力學無法解答。這是什么原因造成呢？是否經(jīng)典力學錯誤？Fm第4頁

愛因斯坦在狹義相對論中闡述了物體以靠近光速運動所遵照規(guī)律，得出了一些不一樣與經(jīng)典力學觀念和結(jié)論。1、在經(jīng)典力學中，物體質(zhì)量是不隨運動狀態(tài)改變，而狹義相對論認為：物體質(zhì)量要隨物體運動速度增大而增大，即第5頁比如：(1)v＝0．8c時，物體質(zhì)量約增大到靜止質(zhì)量1．7倍，這時經(jīng)典力學就不再適用了．(2)如地球以v＝30km／s速度繞太陽公轉(zhuǎn)時，它質(zhì)量增大十分微小，能夠忽略不計，經(jīng)典力學完全適用。質(zhì)速關系

說明m0為靜止質(zhì)量，m是物體速度為v時質(zhì)量，c是真空中光速

第6頁2、運動物體和靜止物體相比不但質(zhì)量變了，而且沿運動方向長度和時間都要改變，都含有相對性。下面事例能夠幫助我們了解相對論1971年8月一天，一名前蘇聯(lián)飛行員例行飛行時，無意中“闖進”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練中，視野里竟然出現(xiàn)了數(shù)百只恐龍，飛機竟然來到史前非洲大陸。1970年一架272客機在飛向邁阿密國際機場旅途中，也無故“失蹤”了10分鐘，10分鐘后，客機又在原來地方出現(xiàn)。失蹤一剎那，教授們惟一解釋是時間“靜止”不動了第7頁時間和空間是什么？第8頁時間和空間是什么？第9頁二、宏觀到微觀

19世紀末到20世紀初，人們相繼發(fā)覺了電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子，發(fā)覺它們不但含有粒子性，面且含有波動性，它們運動規(guī)律不能用經(jīng)典力學描述．20世紀20年代，建立了量子力學，它能夠正確地描述微觀粒子運動規(guī)律性，并在當代科學技術中發(fā)揮了主要作用．經(jīng)典力學普通不適合用于微觀粒子．

普朗克創(chuàng)建量子力學第10頁相對論和量子力學出現(xiàn)，是否表示經(jīng)典力學失去了意義?相對論和量子力學出現(xiàn)，說明人類對自然界認識愈加廣泛和深入，而不表示經(jīng)典力學失去了意義．它只是使人們認識到經(jīng)典力學有它適用范圍：只適合用于低速運動，不適合用于高速運動，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頁三、從弱引力到強引力

萬有引力屬于弱引力．利用萬有引力定律能夠解釋天體運動，并預言和發(fā)覺了海王星和冥王星，首次把天上星體運動規(guī)律與地面物體運動規(guī)律統(tǒng)一起來．

不過宇宙中有一些天體，比如白矮星，他們質(zhì)量靠近太陽，半徑卻與地球差不多，所以密度高達108～1010kg/m3;中子星密度更是達1016～1019kg/m3。這些天體表面引力比我們常見引力強多，牛頓引力理論已經(jīng)不適用了。第12頁按牛頓萬有引力定律推算，行星運動應該是一些橢圓或圓，行星沿著這些橢圓或圓做周期性運動，與實際觀察結(jié)果不符．經(jīng)典力學也能作出一些解釋，不過，水星旋進實際觀察值比經(jīng)典力學預言值多．經(jīng)典力學解釋不能令人滿意．愛因斯坦依據(jù)廣義相對論計算出水星近日點旋進還應有43’附加值，同時還預言了光線在經(jīng)過大質(zhì)量星體附近時，如經(jīng)過太陽附近時會發(fā)生偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象．而且都被觀察證實．討論與交流

1、實際天文觀察，行星運行軌道并不是嚴格閉合，它們近日點在不停地旋進．經(jīng)典力學解釋令人滿意嗎?用什么理論來圓滿地進行了解釋?第13頁假定一個球形天體質(zhì)量不變，并經(jīng)過壓縮減小它半徑，天體表面上引力將會增加，半徑降低到原來二分之一，引力增加到原來4倍。這就是日常說“反平方”規(guī)律。愛因斯坦引力理論表明，這個力實際上增加更加快些。天體半徑越小，這種差異越大。當引力趨于無窮大時，被壓縮天體半徑靠近值——“引力半徑”．在太陽或行星引力場中，由愛因斯坦和牛頓理論計算出力差異并不很大．但當日體實際半徑靠近引力半徑時，這種差異將急劇增大．這就是說，在強引力情況下，牛頓萬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頁對于這么科學發(fā)展過程，英國劇作家蕭伯納曾詼諧地說：“科學總是從正確走向錯誤．”這種調(diào)侃倒也不失為一個幽默表述．討論與交流

第15頁討論與交流

3、歷史上科學成就與新科學成就關系是什么?

歷史上科學成就不會被新科學成就所否定，而是作為一些條件下局部情形，被包含在新科學成就之中．如：當物體速度遠小于光速c(3X108m／s)時，相對論與經(jīng)典理論結(jié)論沒有區(qū)分；當另一個主要常數(shù)即“普朗克常數(shù)”h(6．63X10-34J·s)能夠忽略不計時．量子力學和經(jīng)典力學結(jié)論沒有區(qū)分．相對論和量子力學都沒有否定過去科學，而只認為過去科學是自己在一定條件下特殊情形．第16頁相對論和量子力學是哪一個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頁以牛頓運動定律為基礎經(jīng)典力學適用范圍是什么?總結(jié)經(jīng)典力學只適合用于處理低速運動問題，不能用來處理高速運動問題，經(jīng)典力學只適合用于宏觀物體，普通不