1、第六章第六章 万有引力与航天万有引力与航天 第第6节经典力学的局限性节经典力学的局限性 1了解经典力学的发展历程和伟大成就了解经典力学的发展历程和伟大成就2认识经典力学的局部性和适用范围认识经典力学的局部性和适用范围学习目标导航学习目标导航 一、从低速到高速一、从低速到高速1在经典力学中，物体的质量是不随运动的状态在经典力学中，物体的质量是不随运动的状态_的，而狭义相对论指出，质量要随着物体运动的，而狭义相对论指出，质量要随着物体运动速度的速度的_而而_，即，即_，式中，式中m0是物体静止时的质量，是物体静止时的质量，m是物体速度为是物体速度为v时的质量，时的质量，c是真是真空中的光速空中的光
2、速教材自主研读教材自主研读 在低速运动中，物体的质量增大十分微小，可以忽略，在低速运动中，物体的质量增大十分微小，可以忽略，经典力学完全适用但如果物体的速度接近光速，物体的经典力学完全适用但如果物体的速度接近光速，物体的质量明显增大，经典力学就不适用了质量明显增大，经典力学就不适用了2 在 牛 顿 看来，位移 和 时 间 的 测 量 与 参 考 系 在 牛 顿 看来，位移 和 时 间 的 测 量 与 参 考 系_，相对论认为，同一过程的位移和时间的测量，相对论认为，同一过程的位移和时间的测量在不同参考系中是在不同参考系中是_的的二、从宏观到微观二、从宏观到微观119世纪末世纪末20世纪初，物理
3、学研究深入到微观世界，世纪初，物理学研究深入到微观世界，发现了电子、质子、中子等微观粒子，而且发现它们不仅发现了电子、质子、中子等微观粒子，而且发现它们不仅具有具有_，同时还具有，同时还具有_.20世纪世纪20年代，年代，_建立，它能够正确地描述微观粒子运动的规律建立，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性，并在现代科学技术中发挥了重要作用2经典力学的适用范围：只适用于经典力学的适用范围：只适用于_运动，运动，不适用于不适用于_运动；只适用于运动；只适用于_世界，不世界，不适用于适用于_世界世界三、从弱引力到强引力三、从弱引力到强引力爱因斯坦的广义相对论说明：
4、在爱因斯坦的广义相对论说明：在_的作用下，的作用下，牛顿引力理论将不再适用牛顿引力理论将不再适用 知识要点精析知识要点精析 3速度合成与两个假设：在经典力学中，速度合成与两个假设：在经典力学中，v船岸船岸v船水船水v水岸水岸，但在两个不同参考系中，上式不成立，但在两个不同参考系中，上式不成立.1905年，爱年，爱因斯坦提出了两条假设因斯坦提出了两条假设(狭义相对论的基础狭义相对论的基础)：相对性原理：物理规律在一切惯性参考系中都具有相相对性原理：物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式同的形式光速不变原理：在一切惯性参考系中，测量到的真空光速不变原理：在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速
5、中的光速c都一样都一样 特别提醒：特别提醒： 物体的质量是它的固有属性，是相对不变的这一结物体的质量是它的固有属性，是相对不变的这一结论成立的前提是物体做低速运动，在高速运动中物体的质论成立的前提是物体做低速运动，在高速运动中物体的质量要随运动速度的增大而增大量要随运动速度的增大而增大要点要点2 从宏观到微观从宏观到微观1宏观世界物体运动的特点：物体具有确定的运动宏观世界物体运动的特点：物体具有确定的运动轨迹，根据质点的运动规律和牛顿运动定律可以准确的预轨迹，根据质点的运动规律和牛顿运动定律可以准确的预测质点在某时刻的位置测质点在某时刻的位置2微观世界粒子运动的特点：微观世界粒子运动的特点：1
6、9世纪末到世纪末到20世纪初，世纪初，人们发现的电子、质子、中子等微观粒子，不仅具有粒子人们发现的电子、质子、中子等微观粒子，不仅具有粒子性同时还能产生干涉、衍射现象干涉和衍射是波所特有性同时还能产生干涉、衍射现象干涉和衍射是波所特有的性质，也就是说微观粒子具有波动性它们的运动规律的性质，也就是说微观粒子具有波动性它们的运动规律在很多情况下不能用经典力学来说明在很多情况下不能用经典力学来说明320世纪，建立的量子力学研究表明，微观粒子既世纪，建立的量子力学研究表明，微观粒子既表现为粒子性又表现为波动性，粒子的能量等物理量只能表现为粒子性又表现为波动性，粒子的能量等物理量只能取分立的数值，粒子的
7、速度和位置具有不确定性，粒子的取分立的数值，粒子的速度和位置具有不确定性，粒子的状态只能用粒子在空间出现的概率来描述状态只能用粒子在空间出现的概率来描述要点要点3 从弱引力到强引力从弱引力到强引力1弱引力与强引力弱引力与强引力(1)每一个天体都有一个引力半径，半径的大小由天体每一个天体都有一个引力半径，半径的大小由天体的质量决定；的质量决定；(2)当天体间的距离远大于引力半径时，它们当天体间的距离远大于引力半径时，它们间的引力就是弱引力；间的引力就是弱引力；(3)当天体间的距离远小于引力半径当天体间的距离远小于引力半径时，它们间的引力就是强引力时，它们间的引力就是强引力2经典力学与行星轨道的矛
8、盾经典力学与行星轨道的矛盾按牛顿的万有引力理论，行星应该沿着一些椭圆或圆按牛顿的万有引力理论，行星应该沿着一些椭圆或圆轨道做周期性运动，而天文观测表明，行星的轨道并不是轨道做周期性运动，而天文观测表明，行星的轨道并不是严格闭合的，它们的近日点在不断地旋进，如水星的运严格闭合的，它们的近日点在不断地旋进，如水星的运动动实际观测到的水星的运动情况与爱因斯坦广义相对论实际观测到的水星的运动情况与爱因斯坦广义相对论的计算结果吻合的很好的计算结果吻合的很好3经典力学的适用范围经典力学的适用范围在弱引力的情况下，牛顿引力理论适用，在强引力的在弱引力的情况下，牛顿引力理论适用，在强引力的情况下，牛顿引力理论
9、不再适用情况下，牛顿引力理论不再适用万有引力属于弱引力利用万有引力定律可以解释天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，首次使天上、体的运动，并预言和发现了海王星和冥王星，首次使天上、地下物体的运动规律统一起来地下物体的运动规律统一起来万有引力定律虽然成功解释了天体的运动，但在一些万有引力定律虽然成功解释了天体的运动，但在一些具体问题方面并不完美，直到爱因斯坦创立了相对论具体问题方面并不完美，直到爱因斯坦创立了相对论(新新的时空与引力理论的时空与引力理论)，才圆满解决了经典力学所不能解释，才圆满解决了经典力学所不能解释的问题的问题要点要点4 经典力学
10、与相对论、量子理论的关系经典力学与相对论、量子理论的关系1两种理论是历史发展的不同产物两种理论是历史发展的不同产物我们对自然界的认识过程都是从肤浅到深刻，从片面我们对自然界的认识过程都是从肤浅到深刻，从片面到全面，一步步深入，一步步完善的，所以理论的完善也到全面，一步步深入，一步步完善的，所以理论的完善也需要一个过程在历史发展的不同阶段，人类建立了经典需要一个过程在历史发展的不同阶段，人类建立了经典力学和相对论、量子力学两套物理学理论经典力学理论力学和相对论、量子力学两套物理学理论经典力学理论不可能穷尽一切真理，必有其局限性，现在可认为经典力不可能穷尽一切真理，必有其局限性，现在可认为经典力学
11、理论是狭义相对论和量子理论的特例学理论是狭义相对论和量子理论的特例2两种理论的适用范围不同两种理论的适用范围不同经典力学理论适用于弱引力作用下，低速运动的宏观经典力学理论适用于弱引力作用下，低速运动的宏观物体而它在强引力作用下，或高速运动或微观世界不适物体而它在强引力作用下，或高速运动或微观世界不适用用近期建立的相对论原理及量子力学是一种全新的时空近期建立的相对论原理及量子力学是一种全新的时空与引力理论，它并没有否定经典力学理论，是在经典力学与引力理论，它并没有否定经典力学理论，是在经典力学基础上加以完善，适用范围更广、更全面基础上加以完善，适用范围更广、更全面3小船在河中顺流而下，在经典力学
12、中，时间和空小船在河中顺流而下，在经典力学中，时间和空间互不相干，它们的存在和测量均与运动无关，故有间互不相干，它们的存在和测量均与运动无关，故有v船岸船岸v船水船水v水岸水岸但相对论认为，速度总与位移及时间间隔但相对论认为，速度总与位移及时间间隔的测量相联系，因而上式不成立的测量相联系，因而上式不成立4牛顿的万有引力定律认为：物体的半径减半，引牛顿的万有引力定律认为：物体的半径减半，引力增到原来的四倍，即符合力增到原来的四倍，即符合“平方反比平方反比”规律爱因斯坦规律爱因斯坦引力理论表明：物体间的距离减小时，它们间的引力比引力理论表明：物体间的距离减小时，它们间的引力比“平方反比平方反比”规
13、律增加得更快，距离越小，这种差别就越规律增加得更快，距离越小，这种差别就越大大题型题型1 质量的相对论效应质量的相对论效应例例1 一个原来静止的电子，经电压加速后，获得的一个原来静止的电子，经电压加速后，获得的速度为速度为v6106 m/s.问电子的质量增大了还是减小了？问电子的质量增大了还是减小了？改变了百分之几？改变了百分之几？题型分类指导题型分类指导 分析：分析：由爱因斯坦相对论可知，当物体的运动速度接由爱因斯坦相对论可知，当物体的运动速度接近光速时，质量变化明显，而且越接近光速越显著近光速时，质量变化明显，而且越接近光速越显著答案：答案：增大了增大了0.02%规律总结：规律总结：只有在
14、速度非常大的情况下，相对论效应才明只有在速度非常大的情况下，相对论效应才明显；在低速时，相对论效应很不明显，可忽略不计显；在低速时，相对论效应很不明显，可忽略不计变式训练变式训练1当物体的速度当物体的速度v0.8c(c为真空中的光速为真空中的光速)时，质量增大到原质量的时，质量增大到原质量的_倍倍答案：答案：1.7题型题型2 经典时空观和相对论经典时空观和相对论例例2 继哥白尼提出继哥白尼提出“太阳中心说太阳中心说”、开普勒提出行、开普勒提出行星运动三定律后，牛顿站在巨人的肩膀上，创立了经典力星运动三定律后，牛顿站在巨人的肩膀上，创立了经典力学，揭示了包括行星在内的宏观物体的运动规律；爱因斯学
15、，揭示了包括行星在内的宏观物体的运动规律；爱因斯坦既批判了牛顿力学的不足，又进一步发展了牛顿的经典坦既批判了牛顿力学的不足，又进一步发展了牛顿的经典力学，创立了相对论这说明力学，创立了相对论这说明()A世界无限扩大，人不可能认识世界，只能认识世世界无限扩大，人不可能认识世界，只能认识世界的一部分界的一部分B人的意识具有能动性，能够正确地反映客观世界人的意识具有能动性，能够正确地反映客观世界C人对世界的每一个正确认识都有局限性，需要发人对世界的每一个正确认识都有局限性，需要发展和深化展和深化D第一个认识都可能被后人推翻，人不可能获得正第一个认识都可能被后人推翻，人不可能获得正确的认识确的认识答案
16、：答案：BC解析：解析：发现总是来源于认识过程，观点总是为解释发发现总是来源于认识过程，观点总是为解释发现而提出的，主动认识世界，积极思考问题，追求解决现而提出的，主动认识世界，积极思考问题，追求解决(解释解释)问题，这是科学研究的基本轨迹问题，这是科学研究的基本轨迹任何一个人对客观世界的认识都要受当时的客观条件任何一个人对客观世界的认识都要受当时的客观条件和科学水平的制约，所以所形成的和科学水平的制约，所以所形成的“正确理论正确理论”都有一定都有一定的局限性，爱因斯坦的相对论是对牛顿力学理论的发展和的局限性，爱因斯坦的相对论是对牛顿力学理论的发展和深化，但也有人正在向爱因斯坦理论挑战深化，但
17、也有人正在向爱因斯坦理论挑战 规律总结：规律总结：一切科学的发展都是人们主动认识世界的过程，一切科学的发展都是人们主动认识世界的过程，而每个人的研究又都是建立在前人的基础上，通过自己的而每个人的研究又都是建立在前人的基础上，通过自己的努力去发展和提高科学的成就总是在某些条件下的局部努力去发展和提高科学的成就总是在某些条件下的局部形成，在新的科学成就形成后，它将被包括在其中爱因形成，在新的科学成就形成后，它将被包括在其中爱因斯坦的相对论并没有否定牛顿力学的理论，而是把它看成斯坦的相对论并没有否定牛顿力学的理论，而是把它看成是在一定条件下的特殊情形是在一定条件下的特殊情形变式训练变式训练2下列说法
18、中正确的是下列说法中正确的是()A经典力学适用于任何情况下的任何物体经典力学适用于任何情况下的任何物体B狭义相对论否定了经典力学狭义相对论否定了经典力学C量子力学能够描述微观粒子运动的规律性量子力学能够描述微观粒子运动的规律性D万有引力定律也适用于强相互作用力万有引力定律也适用于强相互作用力答案：答案：C解析：解析：经典力学只适用于宏观、低速、弱引力的情况，经典力学只适用于宏观、低速、弱引力的情况，A是错误的；狭义相对论没有否定经典力学，在宏观低速是错误的；狭义相对论没有否定经典力学，在宏观低速情况下，相对论的结论与经典力学没有区别，情况下，相对论的结论与经典力学没有区别，B错误；量错误；量子
19、力学正确的描述了微观粒子运动的规律性，子力学正确的描述了微观粒子运动的规律性，C是正确的；是正确的；万有引力定律只适用于弱相互作用力，而对于强相互作用万有引力定律只适用于弱相互作用力，而对于强相互作用力是不适用的，力是不适用的，D是错误的是错误的小结：小结：经典力学可以说是相对论和量子力学的特例，经典力学可以说是相对论和量子力学的特例，二者并不矛盾二者并不矛盾随堂巩固训练随堂巩固训练 C在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变D相对论与量子力学否定了经典力学理论相对论与量子力学否定了经典力学理论答案：答案：BC解析：解析：经典力学理论只适用于宏观、低
20、速运动的物体，经典力学理论只适用于宏观、低速运动的物体，A错，错，B对；在经典力学中，物体的速度对；在经典力学中，物体的速度vc，所以物体，所以物体的质量不随运动状态而改变，但相对论和量子力学并不否的质量不随运动状态而改变，但相对论和量子力学并不否定经典力学，认为它是在一定条件下的特殊情形，定经典力学，认为它是在一定条件下的特殊情形，C正确，正确，D错误错误2关于狭义相对论和经典力学，下列说法中正确的关于狭义相对论和经典力学，下列说法中正确的是是()A狭义相对论和经典力学是相互独立、互不相容的狭义相对论和经典力学是相互独立、互不相容的两种理论两种理论B狭义相对论和经典力学其实是同一理论狭义相对
21、论和经典力学其实是同一理论C物体在高速运动时，物体的运动服从狭义相对论物体在高速运动时，物体的运动服从狭义相对论理论，在低速运动时，物体的运动服从牛顿运动定律理论，在低速运动时，物体的运动服从牛顿运动定律D以上说法都是错误的以上说法都是错误的答案：答案：C解析：解析：狭义相对论与经典力学并不是矛盾的，当物体狭义相对论与经典力学并不是矛盾的，当物体的运动速度远小于光速的运动速度远小于光速c时，相对论物理学与经典物理学时，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别的结论没有区别3如果真空中的光速为如果真空中的光速为c3108 m/s，当一个物体，当一个物体的运动速度为的运动速度为v12.4108 m/s时，质量为时，质量为3 kg，当它的速，当它的速度为度为v21.8108 m/s时，质量为多少？时，质量为多少？答案：答案：2.25 kg
