學習目標：重、難點：1、經典力學的局限性和范圍第六章萬有引力與航天6.6經典力學的局限性制作者：河南駐馬店高級中學李陽*

經典力學的基礎是牛頓運動定律，萬有引力定律更確立了牛頓的地位，牛頓運動定律和萬有引力定律在宏觀、低速、弱引力的廣闊領域，經受實踐檢驗。

如：18世紀60年代，力學與熱力學的發展及其與生產的結合，使機器和蒸汽機得到改進和推廣，引發了第一次工業革命。

如：由牛頓力學定律導出的動量守恒定律、機械能守恒律等是航空航天技術理論的基礎。火箭、人造地球衛星、航天飛機、宇宙飛船、行星探測器等航天器的發射，都是牛頓力學規律的應用范例…………一、經典力學的發展過程及偉大成就牛頓說：“如果說我看得遠，那是因為我站在巨人們的肩上。”重大成就時間阿基米德發現浮力定律公元前三世紀開普勒發現行星運動定律1609，1619伽利略闡明了運動的相對性原理1632伽利略發現了自由落體運動規律、慣性原理1638帕斯卡發現帕斯卡原理1653馬德堡半球實驗、驗證大氣壓力1663發現胡克定律——彈簧彈力和形變的關系1678牛頓發表《自然哲學的數學原理》，闡明了運動定律和萬有引力定律1687牛頓說：“如果說我看得遠，那是因為我站在巨人們的肩上。”科學家亞里士多德伽利略笛卡兒惠更斯牛頓國別年代古希臘，前384～前322意大利，1564～1642法國，1596～1650荷蘭，1629～1695英國，1642～1727主要的科學研究方法觀察、思維、推理。觀察實驗、假設、數學推理實驗觀察、數學推理實驗、數學推理歸納與演繹、綜合與分析、實驗觀察力學方面的主要成就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測量出重力加速度值。①三大運動定律、②萬有引力定律。牛頓說：“如果說我看得遠，那是因為我站在巨人們的肩上。”(一)、經典時空觀（絕對時空觀）：（1）同時的絕對性（2）時間間隔的絕對性（3）空間距離的絕對性超新星爆發的持續時間：實際：2年！？牛頓：25年。{

時間、長度和質量這三者都與參考系的運動無關。——困境一、從低速到高速二、經典物理學的困境經典力學中的空間和時間力學的目的在于描述物體在空間中的位置如何隨“時間”而改變．這里，“位置”和“空間”應如何理解是不清楚的．設一列火車正在勻速地行駛，我站在車廂窗口松手丟下（不是用力投擲）一塊石頭到路基上.那么，如果不計空氣阻力的影響，我看見石頭是沿直線落下的．從人行道上觀察這一舉動的行人則看到石頭是沿拋物線落到地面上的．現在問：石頭所經過的各個“位置”是“的確”在一條直線上，還是在一條拋物線上的呢？借助于這一實例可以清楚地知道不會有獨立存在的軌線（“路程——曲線”）；而只有相對于特定的參考物體的軌線．牛頓力學的絕對時空觀

絕對的，真正的和數學的時間自己流逝著，并由于它的本性而均勻的與任何外界對象無關的流逝著。——牛頓絕對空間，就其本質來說，獨立于外界任何事物，總是始終如一和靜止不動的。——牛頓經典力學受速度限制的分析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。“薩爾瓦阿弟”大船1632年,伽利略在“薩爾瓦阿蒂”大船上做過的實驗：伽利略相對性原理:在彼此作勻速直線運動的慣性系中，一切力學現象都具有相同的規律。(二)、相對論時空觀:（1）同時是相對的（3）動尺變短（4）運動的物體質量變大（1）不同慣性參考系，物理規律相同1、兩條基本假設：（2）任何慣性系，光速不變2、狹義相對論結論：（2）動鐘變慢

時間、長度和質量這三者都與參考系的運動有關。*愛因斯坦狹義相對論

“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”。

“人只有獻身社會,才能找出那實際上是短暫而又有風險的生命的意義”!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。“

科學的頭腦就是去懷疑,去證實,

去發現的精神!”AlbertEinstein世紀偉人光速同時時間與空間質量經典時空觀狹義相對論時空觀相對的絕對的（不變）絕對的與運動無關，絕對的與運動無關，不變的相對的與運動有關，相對的隨速度增加而增大經典時空觀與相對論時空觀：經典力學僅適用于低速運動物體；高速運動物體用狹義相對論解釋。結論1：自然和自然的法則在黑暗中隱藏；上帝說，讓牛頓去吧！于是一切都被照亮。魔鬼說，讓愛因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。相對論原稿相對論好象是：“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

瞬間一別路漫漫，但覺未過光速關。鐘尺合須靜里用，云山偏向動中看。時空相對非虛語，質能并增豈等閑。權將電波傳信息，只緣相見難上難。跨箭相期星際游，一別瞬息見三秋。動境鐘尺多疑難，因果規律乃存留。質能守恒驚人數，時空相對盡眼收。權將光波通信息，歸來尚須苦作舟。倫琴發現X射線湯姆生發現電子貝克勒耳發現天然放射線宏觀領域微觀世界——困境二、從宏觀到微觀二、經典物理學的困境

科學家們發現，電子、質子、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典力學來說明。普朗克創立量子力學經典力學僅適用于宏觀世界；微觀世界用量子力學解釋。結論2：普朗克常量：h=6.63×10-34J.s

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6.6-1），其實際觀察值要比經典力學的預言值多。1915年，愛因斯坦創立的廣義相對論對此則能作出很好的解釋，同時還預言光線經過大質量星體附近時會發生偏轉，且已被觀測證實。另外，根據牛頓的理論，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。——困境三、從弱引力到強引力經典力學僅適用弱引力；強引力用廣義相對論解釋。結論3：二、經典物理學的困境總結：經典力學的適用范圍：

經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狹義相對論。當物體的運動速度遠小于真空中的光速時，相對論物理學與經典物理學的結論沒有區別。對于微觀世界，需要應用量子力學。當普朗克常數可以忽略不計時，量子力學和經典力學的結論沒有區別。對于強引力情況，需要應用廣義相對論。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。經典力學狹義相對論廣義相對論量子力學互為補充，互不矛盾，互不否定共同支撐起物理學科的骨架。宏觀低速高速微觀世界強引力【提示】經典力學只適用于處理宏觀物體的低速運動。例1.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】不矛盾。牛頓力學規律只在慣性參考系中成立。例2.兩臺升降機甲、乙同時自由下落甲上的人看到乙是靜止的，也就是說，在甲看來，乙的運動狀態并沒有改變，但是乙確實受到向下的地球引力。根據牛頓定律，受到外力作用的物體，其運動狀態一定會改變，這不是有矛盾嗎？你是如何理解的？例3.有關科學家和涉及的事實，正確的說法是

A．哥白尼創立了日心說

B．伽利略發現了行星運動規律

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