经典力学的局限性
(一)新课导入
自从17世纪以来,以牛顿运动定律为基础的经典力学不断发晨,如:在宏观、低速、弱引力的广阔领域,包括天体力学的研究中取得了巨大的成就,经典力学在科学研究和生产技术中有了广泛的应用,如从地面物体的运动到天体的运动,从大气的流动到地壳的变动,从拦河筑坝、修建桥梁到设计各种机械;从自行车到汽车、火车、飞机等各种交通工其:从投出的篮球到发射火箭、人造卫星、宇宙飞船……从而证明了牛顿运动定律的正确性。
但是,经典力学也不是万能的,像一切科学一样,它没有也不会穷尽一切真理,它也有自己的局限性.它像一切科学理论一样,是一部“未完成的交响曲”,那么经典力学在什么范围内适用呢?有怎样的局限性呢?这节课我们就来了解这方面的知识。
(二)新课教学
1、从低速到高速
请同学们阅读教材“从低速到高速”部分,回答低速与高速的概念、质速关系、速度合成与两个公设。
(低速到高速的概念,通常所见的物体的运动皆为低速运动,如行驶的汽车,发射的导弹、人造卫星及宇宙飞船等,有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近,这样的速度称为高速。
)
质速关系是:在经典力学中,物体的质量是不变的,但爱因斯坦的狭义相对论指出,物体的质量随速度的增大而增大,即:其中Db为静止质量,m是物体速度为v时的质量,c 是真空中的光速。
例如:(1)v=0.8c时,物体的质量约增大到静止质量的1.7倍,这时经典力学就不再适用了。
(2)如地球以v=30km/s的速度绕太阳公转时,m=l 010 lOlmo,它的质量增大十分微小,可以忽略不计。
速度合成与两个公设。
一条河流中的水以相对河岸的速度v水岸流动,河中的船以相对于河水的速度v船水顺流而下,在经典力学中,船相对于岸的速度即为v船岸=v船水+v水岸经验告诉我们,这简直是天经地义的,但是,仔细一看,这个关系式涉及两个不同的惯性参考系,而速度总是与位移(空间长度)及时间间隔的测量相联系,在牛顿看来,位移和时间的测量与参考系无关,正是在这种时空的观念下,上式才成立,然而,相对论认为,同一过程的位移和时间的测量在不同的参考系中是不同的,因而上式不能成立,经典力学也就不再适用了。
(1)相对性原理:物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式。
(2)光速不变原理:在一切惯性参考系中,测量到的真空中的光速都一样。
经典力学是适用于低速运动的物体还是适用于高速运动的物体呢?(适用于低速运动的物体)
阅读教材科学漫步部分,体会时间和空间是什么?
2、从宏观到微观
请同学们阅读教材“从宏观到微观”部分,并说明经典力学是适用于宏观物体还是微观物体。
(19世纪末到20世纪初,人们相继发现了电子、质子、中子等微观粒子,发现它们不仅具有粒子性,面且具有波动性,它们的运动规律不能用经典力学描述。
)20世纪20年代,建立了量子力学,它能够正确地描述微观粒子运动的规律性,并在现代科学技术中发挥了重要作用。
经典力学一般不适用于微观粒子。
相对论和量子力学的出现,是否表示经典力学失去了意义?(相对论和量子力学的出现,说明人类对自然界的认识更加广泛和深入,而不表示经典力学失去了意义,它只是使人们认识到经典力学有它的适用范围:只适用于低速运动,不适用于高速运动,只适用于宏观世界,不适用于微观世界。
)
3、从弱引力到强引力
请同学们阅读教材“从弱引力到强引力”部分,并回答问题:何为弱引力?何为强引力?(万有引力属于弱引力,利用万有引力定律可以解释天体的运动,并预言和发现了海王星和冥王星,首次把天上的星体运动规律与地面物体的运动规律统一起来。
)
爱因斯坦引力理论表明,当天体半径减小到一定程度时(太阳的引力半径为3 km,地球的引力半径为1 m),天体间的引力就趋于无穷大。
讨论与交流
(1)实际的天文观测,行星的运行轨道并不是严格闭合的,它们的近日点在不断地旋进,经典力学的解释令人满意吗?(用什么理论来圆满地进行了解释?按牛顿的万有引力定律推算,行星的运动应该是一些椭圆或圆,行星沿着这些椭圆或圆做周期性运动,与实际观测结果不符,经典力学也能作出一些解释,但是,水星旋进的实际观测值比经典力学的预言值多,经典力学的解释不能令人满意。
)
爱因斯坦根据广义相对论计算出水星近日点的旋进还应有43’的附加值,同时还预言了光线在经过大质量的星体附近时,如经过太阳附近时会发生偏转现象,并且都被观测证实。
(2)何为天体的引力半径?
假定一个球形天体的质量不变,并通过压缩减小它的半径,天体表面上的引力将会增加,当引力趋于无穷大时,被压缩天体半径接近的值——“引力半径”。
只要天体的实际半径远大于它们的引力半径,那么爱因斯坦和牛顿的理论计算出的力的差异并不很大,但当天体的实际半径接近引力半径时,这种差异将急剧增大,这就是说,在强引力的情况下,牛顿的万有引力理论将不再适用。
对于这样的科学发展过程,英国剧作家萧伯纳曾诙谐地说,‘科学总是从正确走向错误”这种调佩倒也不失为一种幽默的表述。
(3)历史上的科学成就与新的科学成就的关系是什么?
历史上的科学成就不会被新的科学成就所否定,而是作为某些条件下的局部情形,被包括在新的科学成就之中,如:当物体的速度远小于光速c(3X108m/s)时,相对论与经典理论的结论没有区别;当另一个重要常数即“普朗克常数”h(6.63X10-34J·s)可以忽略不计时,量子力学和经典力学的结论没有区别,相对论和量子力学都没有否定过去的科学,面只认为过去的科学是自己在一定条件下的特殊情形。
实例探究
例1:以牛顿运动定律为基础的经典力学,在科学研究和生产技术中有哪些应用?
参考答案:经典力学在科学研究和生产技术中有广泛的应用,经典力学与天文学相结合建立了天体力学;经典力学和工程实际相结合,建立了应用力学,如水利学,材料力学、结构力学等。
从地面上各种物体的运动到天体的运动:从大气的流动到地壳的变动:从拦柯筑坝、修建桥梁到设计各种机械;从自行车到汽车、火车、飞机等现代交通工具的运动,从投出篮球到发射导弹、卫星、宇宙飞船等等,所有这些都服从经典力学规律。
例2:以牛顿运动定律为基础的经典力学的适用范围是什么?
参考答案:经典力学只适用于解决低速运动问题,不能用来处理高速运动问题,经典力学只适用于宏观物体,一般不适用于微观粒子:经典力学只适用于解决弱引力问题,不能用来处理强引力问题。
课堂训练
(1)20世纪初,著名物理学家爱因斯坦提出了,改变了经典力学的一些结论,在经典力学中,物体的质量是的,而相对论指出质量随着速度变化而。
(2)20世纪初期,建立了,它能够正确地描述微观粒子的运动规律。
(3)经典力学只适用于解决问题,不能用来处理——问题,经典力学只适用于物体,一般不适用于。
(4)微观粒子的运动不仅具有性.同时具有波动性.它们的运动规律很多情况下不能用经典力学来说明.要增强正确描述微观粒子的运动规律,需要用。
(5)牛顿运动规律只适用于物体的运动,狭义相对论阐述物体在以的速度运动时所遵从的规律。
参考答案
(1)狭义相对论固定不变变化(2)量子力学(3)低速运动高速运动宏观微观粒子
(4)粒子量子力学(5)宏观、低速接近光速
小结
本节学习了经典力学的局限性:
(1)从低速到高速:在经典力学中,物体的质量m是不随运动状态改变的,而狭义相对论指出,质量要随着物体的运动速度的增大而增大。
即
(2)从宏观到微观:相对论和量子力学的出现,并不说明经典力学失去了意义,只说明它有一定的适用范围:只适用于低速运动,不适用于高速运动;只适用于宏观世界,不适用于微观世界。
(3)从弱引力到强引力:相对论物理学与经典物理学的结论没有区别.相对论与量子力学都没有否定过去的科学,而只是认为科学在一定条件下有其特殊性,经典力学只适用于弱引力,不适用于强引力。
板书设计:
第六节经典力学的局限性
1、从低速到高速经典力学只适用于低速运动
2、从宏观到微观经典力学只适用于宏观物体
3、从弱引力到强引力万有引力定律只适用于弱引力。