2020年高中物理配套导学案:6.6《经典力学的局限性》1(人教版必修2).docx
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1、六、 经典力学的局限性 要点导学1以牛顿运动定律为基础的经典力学,在万有引力定律建立后,更趋完善。几乎能解释当时所能看到的从天体到地面上的物体的运动现象,而且是那么地与实际相符合。于是经典力学就被人们广泛接受,并被用到实际中去,带来了很多新技术革命,对人们的生产和生活带来了重大的影响。2经典力学的局限和任何理论一样,经典力学也有它的局限性,有它的适用范围。(1)从低速到高速狭义相对论:当物体运动的速度比真空中的光速小得多时,质量、时间和长度的变化很小,可以忽视,经典力学完全适用。但假如物体运动速度可以和光速相比较时,质量、时间和长度的变化就很大,经典力学就不再适用,狭义相对论阐述了物体在以接近
2、光速运动时所遵循的规律。(2)从宏观到微观量子力学:物理学争辩深化到微观世界,发觉微观粒子不但具有粒子的性质,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。这是牛顿经典力学无法解释的。正是在这种情形下,量子力学应运而生,量子力学能够很好地解释微观粒子的运动规律。(3)从弱引力到强引力广义相对论:天文观测发觉行星的轨道并不严格闭合,它们的近日点在不断地旋进。这种现象称为行星的轨道旋进。这是用牛顿万有引力定律无法得到满足解释的。爱因斯坦创立了广义相对论,依据广义相对论计算出的水星近日点的旋进与天文观测能很好地吻合,爱因斯坦创立的广义相对论是一种新的时空引力理论,爱
3、因斯坦还依据广义相对论预言了光线在经过大质量星体四周时会发生偏转,这也是被天文观测所证明的。依据牛顿万有引力定律,假定一个球形天体总质量不变,并通过压缩减小它的半径,天体表面上的引力将会增加。半径减小到原来的二分之一,引力增大到原来的四倍。爱因斯坦引力理论表明,这个力实际上增大得更快些。天体半径越小,这种差别越大。依据牛顿的理论,当天体被压缩成半径几乎为零的一个点时,引力趋于无穷大。爱因斯坦的理论则不然,引力趋于无穷大发生在半径接近一个“引力半径”的时候。这个引力半径的值由天体的质量打算,例如太阳的引力半径为3km,地球的引力半径为1m。因此,只要天体的实际半径远大于它们的引力半径,那么由爱因
4、斯坦和牛顿引力理论计算出的力的差异并不大。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,在强引力的状况下,牛顿引力理论将不再适用。3经典力学适用于低速运动;适用于宏观世界;适用于弱引力状况。对于高速运动、微观世界、强引力状况,经典力学与实际状况差异很大,不再适用。所谓高速和低速,是指与光速相比。这里说的低速是指远小于真空中光速的状况。所谓微观世界,是指进入原子、电子、质子、中子等微观粒子的争辩领域。所谓弱引力是指天体半径远大于它的“引力半径”的状况。值得指出的是,相对论和量子力学的毁灭并不表示经典力学失去了意义,事实上在低速、宏观和弱引力状况下经典力学与相对论和量子力学相差并
5、不大,经典力学完全适用。相对论和量子力学的毁灭,说明人类对自然界的生疏更加广泛和深化。相对论和量子力学的科学成就不是否定经典力学,而是把它作为自己在确定条件下的特殊情形。 拓展阅读 1狭义相对论(special relativity) 适用于惯性系,从时间、空间等基本概念动身将力学和电磁学统一起来的物理理论。1905年由A.爱因斯坦创建 。这个理论在涉及高速运动现象时,同经典物理理论显示出重要的区分。 (1) 产生 :到19世纪末,经典物理理论已经相当完善,当时物理学界较为普遍地认为物理理论已大功告成,剩下的不过是提高计算和测量的精度而已。然而某些涉及高速运动的物理现象显示了与经典理论的冲突,
6、而且整个经典物理理论显得很不和谐:电磁理论依据经典的伽利略变换不满足相对性原理,表明存在确定静止的参考系,而探测确定静止参考系的种种努力均告失败。好像存在着经典力学无法说明的极限速度。电子的质量依靠于它的速度。在这种形势下,有见地的物理学家预感到物理学中正孕育着一场深刻的革命。爱因斯坦立足于物理概念要以观看到的事实为依据,而不能以先验的概念强加于客观事实,他考察了一些普遍的物理事实和经典物理学中如运动、时间、空间等基本概念,看出以下两点具有根本的重要性,并把它们作为建立新理论的基本原理:狭义相对性原理,不仅力学试验,而且电磁学试验也无法确定自身惯性系的运动状态,也就是说,在一切惯性系中的物理定
7、律都具有相同的形式。光速不变原理,真空中的光速对不同惯性系的观看者来说都是c。承认这两条原理,牛顿的确定时间、确定空间观念必需修改,异地同时概念只具有相对意义。在此基础上,爱因斯坦建立了狭义相对论。 (2)主要内容 :洛伦兹变换 在狭义相对论中,洛伦兹变换是最基本的关系式,狭义相对论的运动学结论和时空性质,犹如时性的相对性、长度收缩、时间延缓、速度变换公式、相对论多普勒效应等都可以从洛伦兹变换中直接得出。质速关系 狭义相对论预言,与经典力学不同,物体的质量不再是与其运动状态无关的量,它依靠于物体的运动速度。运动物体速度为v时的质量为,式中m0为物体的静质量,当物体的速度趋于光速时,物体的质量趋
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