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歡迎進(jìn)入物理課堂 經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動定律 萬有引力定律更是樹立了人們對牛頓物理學(xué)的尊敬 著名物理學(xué)家楊振寧曾贊頌到 如果一定要舉出某個(gè)人 某一天作為近代科學(xué)誕生的標(biāo)志 我選牛頓 自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理 在1687年出版的那一天 像一切科學(xué)一樣 它沒有也不會窮盡一切真理 它也有自己的局限性 它像一切科學(xué)理論一樣 是一部 未完成的交響曲 那么經(jīng)典力學(xué)在什么范圍內(nèi)適用呢 有怎樣的局限性呢 一 從低速到高速 例如 在一個(gè)無限大的光滑水平面上 有一質(zhì)量為m的物體 在一個(gè)水平恒力F的作用下 從靜止開始運(yùn)動 根據(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 由運(yùn)動學(xué)公式可知 物體的速度v at 推理 隨著時(shí)間的推移 物體的速度不斷增大 最終可使物體獲得任意速度 但事實(shí)并非如此 常識告訴我們 物體運(yùn)動速度是有極限的 現(xiàn)在已知的最大速度是光速 且現(xiàn)在也無法使物體運(yùn)動超越這個(gè)速度 這是經(jīng)典力學(xué)無法解答的 這是什么原因造成的呢 是否經(jīng)典力學(xué)的錯(cuò)誤 愛因斯坦在狹義相對論中闡述了物體以接近光速運(yùn)動所遵循的規(guī)律 得出了一些不同與經(jīng)典力學(xué)的觀念和結(jié)論 1 在經(jīng)典力學(xué)中 物體的質(zhì)量是不隨運(yùn)動狀態(tài)改變的 而狹義相對論認(rèn)為 物體的質(zhì)量要隨物體運(yùn)動速度的增大而增大 即 例如 1 v 0 8c時(shí) 物體的質(zhì)量約增大到靜止質(zhì)量的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的速度繞太陽公轉(zhuǎn)時(shí) 它的質(zhì)量增大十分微小 可以忽略不計(jì) 經(jīng)典力學(xué)完全適用 質(zhì)速關(guān)系 說明 m0為靜止質(zhì)量 m是物體速度為v時(shí)的質(zhì)量 c是真空中的光速 2 運(yùn)動的物體和靜止的物體相比不僅質(zhì)量變了 而且沿運(yùn)動方向的長度和時(shí)間都要變化 都具有相對性 下面的事例可以幫助我們理解相對論 1971年8月的一天 一名前蘇聯(lián)飛行員例行飛行時(shí) 無意中 闖入 古埃及 他看到一座座金字塔剛剛奠起塔基 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)竟然來到史前非洲大陸 1970年一架272客機(jī)在飛向邁阿密國際機(jī)場的旅途中 也無故 失蹤 了10分鐘 10分鐘后 客機(jī)又在原來的地方出現(xiàn) 失蹤的一剎那 專家們的惟一的解釋是時(shí)間 靜止 不動了 時(shí)間和空間是什么 時(shí)間和空間是什么 二 宏觀到微觀 19世紀(jì)末到20世紀(jì)初 人們相繼發(fā)現(xiàn)了電子 質(zhì)子 中子等微觀粒子 發(fā)現(xiàn)它們不僅具有粒子性 面且具有波動性 它們的運(yùn)動規(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)動的規(guī)律性 并在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮了重要作用 經(jīng)典力學(xué)一般不適用于微觀粒子 普朗克創(chuàng)立量子力學(xué) 相對論和量子力學(xué)的出現(xiàn) 是否表示經(jīng)典力學(xué)失去了意義 相對論和量子力學(xué)的出現(xiàn) 說明人類對自然界的認(rèn)識更加廣泛和深入 而不表示經(jīng)典力學(xué)失去了意義 它只是使人們認(rèn)識到經(jīng)典力學(xué)有它的適用范圍 只適用于低速運(yùn)動 不適用于高速運(yùn)動 只適用于宏觀世界 不適用于微觀世界 討論與交流 三 從弱引力到強(qiáng)引力 萬有引力屬于弱引力 利用萬有引力定律可以解釋天體的運(yùn)動 并預(yù)言和發(fā)現(xiàn)了海王星和冥王星 首次把天上的星體運(yùn)動規(guī)律與地面物體的運(yùn)動規(guī)律統(tǒng)一起來 但是宇宙中有一些天體 例如白矮星 他們的質(zhì)量接近太陽 半徑卻與地球差不多 因此密度高達(dá)108 1010kg m3 中子星的密度更是達(dá)1016 1019kg m3 這些天體表面的引力比我們常見的引力強(qiáng)的多 牛頓的引力理論已經(jīng)不適用了 按牛頓的萬有引力定律推算 行星的運(yùn)動應(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 與實(shí)際觀測結(jié)果不符 經(jīng)典力學(xué)也能作出一些解釋 但是 水星旋進(jìn)的實(shí)際觀測值比經(jīng)典力學(xué)的預(yù)言值多 經(jīng)典力學(xué)的解釋不能令人滿意 愛因斯坦根據(jù)廣義相對論計(jì)算出水星近日點(diǎn)的旋進(jìn)還應(yīng)有43 的附加值 同時(shí)還預(yù)言了光線在經(jīng)過大質(zhì)量的星體附近時(shí) 如經(jīng)過太陽附近時(shí)會發(fā)生偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象 并且都被觀測證實(shí) 討論與交流 1 實(shí)際的天文觀測 行星的運(yùn)行軌道并不是嚴(yán)格閉合的 它們的近日點(diǎn)在不斷地旋進(jìn) 經(jīng)典力學(xué)的解釋令人滿意嗎 用什么理論來圓滿地進(jìn)行了解釋 假定一個(gè)球形天體的質(zhì)量不變 并通過壓縮減小它的半徑 天體表面上的引力將會增加 半徑減少到原來的二分之一 引力增加到原來的4倍 這就是平常說的 反平方 規(guī)律 愛因斯坦引力理論表明 這個(gè)力實(shí)際上增加的更快些 天體半徑越小 這種差別越大 當(dāng)引力趨于無窮大時(shí) 被壓縮天體半徑接近的值 引力半徑 在太陽或行星的引力場中 由愛因斯坦和牛頓的理論計(jì)算出的力的差異并不很大 但當(dāng)天體的實(shí)際半徑接近引力半徑時(shí) 這種差異將急劇增大 這就是說 在強(qiáng)引力的情況下 牛頓的萬有引力理論將不再適用 討論與交流 2 何為天體的引力半徑 對于這樣的科學(xué)發(fā)展過程 英國劇作家蕭伯納曾詼諧地說 科學(xué)總是從正確走向錯(cuò)誤 這種調(diào)侃倒也不失為一種幽默的表述 討論與交流 討論與交流 3 歷史上的科學(xué)成就與新的科學(xué)成就的關(guān)系是什么 歷史上的科學(xué)成就不會被新的科學(xué)成就所否定 而是作為某些條件下的局部情形 被包括在新的科學(xué)成就之中 如 當(dāng)物體的速度遠(yuǎn)小于光速c 3X108m s 時(shí) 相對論與經(jīng)典理論的結(jié)論沒有區(qū)別 當(dāng)另一個(gè)重要常數(shù)即 普朗克常數(shù) h 6 63X10 34J s 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 相對論和量子力學(xué)都沒有否定過去的科學(xué) 而只認(rèn)為過去的科學(xué)是自己在一定條件下的特殊情形 相對論和量子力學(xué)是哪一種更廣泛的理論的特殊情形呢 我們現(xiàn)在還不知道 討論與交流 以牛頓運(yùn)動定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)的適用范圍是什么 總結(jié) 經(jīng)典力學(xué)只適用于解決低速運(yùn)動問題 不能用來處理高速運(yùn)動問題 經(jīng)典力學(xué)只適用于宏觀物體 一般不適用于微觀粒子 經(jīng)典力學(xué)只適用于解決弱引力問題 不能用來處理強(qiáng)引力問題 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全