6.6 经典力学的局限性
学习目标
1.了解经典力学的发展历程和伟大成就。
2.认识经典力学的局限性和适用范围。
3.初步了解微观和高速世界中的奇妙现象。
4.感受人类对客观世界不断探究的精神和情感。
知识梳理
1.经典力学:经典力学的基础是①牛顿运动定律,在②低速、③宏观、弱引力的广阔区域,经典力学取得了巨大的成就。21·cn·jy·com
2.狭义相对论阐述物体以接近④光的速度运动时所遵从的规律。
3.在经典力学中,物体的质量是⑤不随运动状态而改变的;而狭义相对论指出,物体质量是随着运动速度增大而⑥增大的,即存在公式m=⑦ 。?【来源：21·世纪·教育·网】
4.经典力学认为位移和时间的测量与参考系⑧无关,相对论认为,同一过程的位移和时间的测量与参考系⑨有关,在不同的参考系中不同。21·世纪*教育网
5.经典力学的适用范围:只适用于⑩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。www-2-1-cnjy-com
6.20世纪20年代,建立了量子力学,它正确描述了微观粒子(填“宏观粒子”或“微观粒子”)的运动规律,并在现代科学技术中发挥了重要作用;爱因斯坦的广义相对论说明,在强引力(填“强引力”或“弱引力”)的作用下,牛顿的引力理论将不再适用;相对论和量子力学都没有否定经典力学,而是认为经典力学是自己在一定条件下的特殊情形。2-1-c-n-j-y
重点难点探究
主题1:经典力学的局限性
问题:阅读课本“经典力学的局限性”的内容,回答下列问题。
(1)总结经典力学有哪些局限性,它的适用范围是什么?
(2)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?
主题2:爱因斯坦的狭义相对论
问题:根据爱因斯坦的狭义相对论知,质量要随着物体的速度增大而增大,即m=。请讨论:如果你使一个物体不断地加速,它的速度会增大到等于光速甚至大于光速吗?为什么?
达标检测
1.下列说法正确的是( )。
A.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
C.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
2.关于经典力学和相对论,下列说法正确的是( )。
A.经典力学和相对论是各自独立的学说,互不相容
B.相对论是在否定了经典力学的基础上建立起来的
C.相对论和经典力学是两种不同的学说,二者没有联系
D.经典力学包含于相对论之中,经典力学是相对论的特例
3.继哥白尼提出“太阳中心说”、开普勒提出行星运动三定律后,牛顿站在巨人的肩膀上,创立了经典力学,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力学,创立了相对论,这说明( )。21教育网
A.世界无限扩大,人不可能认识世界,只能认识一部分
B.人的意识有能动性,能够正确地反映客观世界
C.人们对世界的每一个正确认识都有局限性,需要发展和深化
D.每一个认识都可能被后人推翻,人不可能获得正确的认识
4.在粒子对撞机中,有一个电子经过高压加速,速度达到光速的0.5倍。试求此时电子的质量为静止时的多少倍。21世纪教育网版权所有
答案
知识梳理
①牛顿运动定律 ②低速 ③宏观 ④光 ⑤不随运动状态而改变 ⑥增大 ⑦ ⑧无关 ⑨有关 ⑩低速 高速 宏观 微观 微观粒子 强引力www.21-cn-jy.com
重点难点探究
主题1:(1)①经典力学只适用于低速运动,不适用于高速运动。
②经典力学只适用于宏观世界,不适用于微观世界。
③经典力学只适用于弱引力,不适用于强引力。
④牛顿经典力学的局限性在于只适用于低速、宏观、弱引力的物体。
(2)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,如水力学、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。21cnjy.com
主题2:由m=可知,当v=c时,m应无穷大,随着质量不断增大,产生的加速度会不断减小,为保持加速度不减小,同样的力产生加速度的力要不断增大,这样使加速变得越来越困难,因此,不管物体怎样加速,它的速度不会等于光速,只能小于光速。2·1·c·n·j·y
达标检测
1.C 2.D 3.BC 4. 1.155倍
6．经典力学的局限性
三维目标
知识与技能
1．知道牛顿运动定律的适用范围；
2．了解经典力学在科学研究和生产技术中的广泛应用；
3．知道质量与速度的关系，知道高速运动中必须考虑速度随时。
过程与方法
通过阅读课文体会一切科学都有自己的局限性，新的理论会不断完善和补充旧的理论，人类对科学的认识是无止境的。www.21-cn-jy.com
情感、态度与价值观
通过对牛顿力学适用范围的讨论，使学生知道物理中的结论和规律一般都有其适用范围，认识知识的变化性和无穷性，培养献身于科学的时代精神。2·1·c·n·j·y
教学重点
牛顿运动定律的适用范围。
教学难点
高速运动的物体，速度和质量之间的关系。
教学方法
探究、讲授、讨论、练习
教具准备
多媒体课件
教学过程
［新课导入］
经典力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律更是树立了人们对牛顿物理学的尊敬。牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的广阔领域，包括天体力学的研究中，经受了实践的检验，取得了巨大的成就。著名物理学家杨振宁曾赞颂道：“如果一定要举出某个人、某一天作为近代科学诞生的标志，我选牛顿《自然哲学的数学原理》在1687年出版的那一天。”【来源：21·世纪·教育·网】
是的，从地面上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、飞机等现代交通工具的运动；从投出篮球到发射导弹、人造卫星、宇宙飞船……所有这些都服从经典力学的规律。经典力学在如此广阔的领域里与实际相符合，显示了牛顿运动定律的正确性和经典力学的魅力。
但是，像一切科学一样，经典力学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。21·世纪*教育网
［新课教学］
一、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、速度合成的两个公式。
1．低速与高速
（1）低速运动
经典力学中各种物体的运动，速度都远小于真空中的光速。处理这些运动，经典力学完全适用。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。www-2-1-cnjy-com
物体运动的速度远小于光速的运动，称为低速运动。
（2）高速运动
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。
2．质速关系
20世纪初，著名物理学家爱因斯坦建立了狭义相对论。狭义相对论阐述物体在以接近光的速度运动时所遵从的规律。它得出了一些不同于经典力学的观念和结论。
例如，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，质量要随着物体运动速度的增大而增大，即21世纪教育网版权所有
式中m0是物体静止时的质量，m是物体速度为v时的质量，c是真空中的光速。
依上式计算，在低速运动中，如地球以3×104 m/s的速度绕太阳公转时，它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c，如速度v＝0.8c时，物体的质量约增大到静止质量的1.7倍。这时，经典力学就不适用了。
3．速度合成与时空观
（1）速度合成公式
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21cnjy.com
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。21*cnjy*com
（2）时空观
①经典力学的绝对时空观
经典力学认为时间和空间是相互独立的，对时间间隔和空间间隔的测量不会因为参考系的运动而改变。
②狭义相对论基本原理
A．爱因斯坦相对性原理：物理定律在所有惯性参考系内都是等价的。
B．光速不变原理：在所有惯性系中，光在真空中的速度恒等于。
③狭义相对论时空观
A．同时性的相对性
在一个惯性系中测得是同时发生的两件事，在另一惯性系中测量可能不是同时发生的。
B．时间测量（间隔）的相对性──时间延缓
若在一惯性系内同一地点，先后发生两事件时间间隔Δt0 （称原时或固有时），在以相对速率v运动的另一惯性系内测得时间间隔为Δt，则有【来源：21cnj*y.co*m】
C．空间测量的相对性──长度收缩
当棒沿两个惯性系相对运动方向放置，在相对棒静止的惯性系内测得棒的长度为Δl0（称原长或固有长度），在相对棒以v运动的惯性系里测得棒的长度为Δl，则有
二、从宏观到微观
1．经典力学只适用于宏观世界，量子力学适用于微观世界
19世纪末和20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，而且发现它们不仅具有粒子性，同时还具有波动性，它们的运动规律在很多情况下不能用经典力学来说明。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。这就是说，经典力学一般不适用于微观粒子。21教育网
2．经典力学有它的适用范围
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。【版权所有：21教育】
经典力学只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界。
三、从弱引力到强引力
万有引力定律的发现解释了天体运动的规律，并预言和发现了海王星和冥王星，它还首次使地面物体的运动规律与天上的星体运动规律统一起来，把经典力学推上了当时科学的顶峰。2-1-c-n-j-y
1．行星轨道的旋进
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。然而，实际的天文观测告诉我们，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，如图所示。21教育名师原创作品
经典力学可以对此做出一些解释。不过，水星旋进的实际观测值比经典力学的预言值多。自19世纪以来，这个问题就引起了科学界的注意，但得不到令人满意的解释。1915年，爱因斯坦创立了广义相对论，这是一种新的时空与引力的理论。他根据广义相对论计算出水星近日点的旋进还应有每百年43″的附加值，同时还预言光线在经过大质量星体附近时，如经过太阳附近时会发生偏转等现象，这些都被观测证实。21*cnjy*com
2．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”。
根据牛顿万有引力定律，假定一个球形天体的总质量不变，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，引力增到原来的四倍。爱因斯坦引力理论表明，这个力实际上增加得更快些。天体的半径越小，这种差别越大。根据牛顿的理论，当天体被压缩成半径几乎为0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决定，例如太阳的引力半径为3 km，地球的引力半径为1 m。21·cn·jy·com
因此，只要天体的实际半径远大于它们的引力半径，那么由爱因斯坦和牛顿引力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，牛顿引力理论将不再适用。所以，万有引力定律只适用于弱引力。
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。”这种调侃倒也不失为一种幽默的表述。【出处：21教育名师】
3．历史上的科学成就与新的科学成就的关系
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。当物体的运动速度远小于光速c（3×108 m/s）时，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别；当另一个重要常数即“普朗克常数”h（6.63×10－34J·s）可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别。相对论与量子力学都没有否定过去的科学，而只认为过去的科学是自己在一定条件下的特殊情形。
相对论和量子力学是哪一种更广泛理论的特殊情形呢？我们现在还不知道……
［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。
（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。
［布置作业］
略。
板书设计
6．经典力学的局限性
一、从低速到高速
1．低速与高速
（1）低速运动
物体运动的速度远小于光速的运动，称为低速运动。
（2）高速运动
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。
2．质速关系
3．速度合成与时空观
（1）速度合成公式
v船岸＝v船水＋v水岸
（2）时空观
①经典力学的绝对时空观
经典力学认为时间和空间是相互独立的，对时间间隔和空间间隔的测量不会因为参考系的运动而改变。
②狭义相对论基本原理
A．爱因斯坦相对性原理：物理定律在所有惯性参考系内都是等价的。
B．光速不变原理：在所有惯性系中，光在真空中的速度恒等于。
③狭义相对论时空观
A．同时性的相对性
B．时间测量（间隔）的相对性──时间延缓
C．空间测量的相对性──长度收缩
二、从宏观到微观
1．经典力学只适用于宏观世界，量子力学适用于微观世界
2．经典力学有它的适用范围
经典力学只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界。
三、从弱引力到强引力
1．行星轨道的旋进
2．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”。
3．历史上的科学成就与新的科学成就的关系
