第六章 万有引力与航天
经典力学的局限性
自然和自然的法则在黑暗中隐藏；上帝说，让牛顿去吧！于是一切都被照亮。魔鬼说，让爱因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。
亚里士多德：经验主义：
必须有力作用在物体上物体才能运动
伽利略：理想实验（斜面）：
物体保持运动不需要力维持
笛卡尔：如果运动中物体没受到力，
将以同一速度沿以直线运动。
牛顿：牛顿定律（惯性定律，
加速度定律，作用反作用定律）
牛顿运动定律
一、经典力学的发展过程
哥白尼：日心说
第谷：20年精心观测数据
开普勒研究第谷数据得三个定律
胡克、哈雷进一步认识
牛顿解决椭圆并延伸到万物间有力
万有引力定律
一、经典力学的发展过程
17世纪牛顿力学构成了体系。可以说，这是物理学第一次伟大的综合。牛顿建立了两个定律:一个是运动定律,一个是万有引力定律，并发展了变量数学微积分，具有解决实际问题的能力。他开拓了天体力学，海王星和冥王星的发现就充分显示了这一点 .
经典力学的基础是牛顿运动定律,万有引力定律更确立了牛顿的地位,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,经受实践检验。
由牛顿力学定律导出的动量守恒定律、机械能守恒律等是航空航天技术理论的基础。火箭、人造地球卫星、航天飞机、宇宙飞船、行星探测器等航天器的发射,都是牛顿力学规律的应用范例……
经
典
力
学
的
成
就
和
局
限
性
二、经典力学遇到的两朵乌云
1、迈克尔逊莫雷实验测得光速是不变的。
经典力学不能解决高速运动问题（接近光速）
2、黑体辐射出的能量不是连续的
经典力学不能解释微观领域中物质结构和能量不连续的现象
火车
从地面上物体的运动到天体的运动，从现代的交通工具到人造卫星、宇宙飞船等，这些运动都需要服从经典力学的规律。
飞机
宇宙飞船
如：在一个无限大的光滑水平面上，有一质量为m的物体，在一个水平恒力F的作用下，从静止开始运动。根据牛顿第二定律可知物体将以加速度a=F/m做匀加速直线运动。
由运动学公式可知：物体的速度v=at
推理：随着时间的推移，物体的速度不断增大，最终可使物体获得任意速度。但事实并非如此，常识告诉我们，物体运动速度是有极限的，现在已知的最大速度是光速，且现在也无法使物体运动超越这个速度。速度远小于光速时，经典力学完全适用。当物体的速度接近光速时，经典力学就不适用了。
F
m
（一）、经典力学受速度限制的分析
根据质点的运动规律，应用牛顿力学可以准确地预测质点在某时刻的位置和速度。
到了19世纪末，面对高速运动的微观粒子发生的现象，经典力学遇到了困难.在新事物面前，爱因斯坦打破了传统的时空观，于1905年发表了题为《论运动物体的电动力学》的论文，提出了狭义相对性原理和光速不变原理，创建了狭义相对
论.狭义相对论一深奥难懂著称，并且他的出
现，使整个世界都处于震惊和争论之中，
相对论时空观:
（1）同时是相对的
（3）动尺变短
（4）运动的物体质量变大
（1）不同惯性参考系，物理规律相同
1、两条基本假设：
（2）任何惯性系，光速不变
2、狭义相对论结论：
（2）动钟变慢
时间、长度和质量这三者都与参考系的运动有关。
天上一天，地上一年
一个跟头十万八千里
经典时空观 狭义相对论时空观
光速
同时
时间与空间
质量
相对的
绝对的(不变)
绝对的
与运动无关,绝对的
与运动无关,不变的
相对的
与运动有关,相对的
随速度增加而增大
经典时空观与相对论时空观
（二）、经典力学在分析宏观与微观的困难
第二次革命的导火索是物理学史上的三大发现:伦琴发现X射线、汤姆生发现电子 、贝克勒耳发现天然放射线,使物理学的研究从宏观领域进入了微观世界。人们发现,微观粒子所表现出的现象用经典物理理论根本无法解释。
伦琴发现X射线
汤姆生发现电子
贝克勒耳发现
天然放射线
宏观领域
微观世界
小球穿越略大于球的孔
根据质点的运动规律，应用牛顿力学可以准确地预测质点在某时刻的位置
电子云
电子有波粒二象性，它不像宏观物体的运动那样有确定的轨道，因此画不出它的运动轨迹。我们不能预言它在某一时刻究竟出现在核外空间的哪个地方，只能知道它在某处出现的机会有多少。为此，就以单位体积内电子出现几率，即几率密度大小，用小白点的疏密来表示。小白点密处表示电子出现的几率密度大，小白点疏处几率密度小，看上去好像一片带负电的云状物笼罩在原子核周围，因此叫电子云。
经典力学难以解释微观粒子的运动:
科学家们发现,电子、质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性,同时还具有波动性,它们的运动在很多情况下不能用经典力学来说明。20世纪20 年代量子力学的出现,才很好地揭示了微观世界的基本规律。
经典力学(牛顿运动定律)在宏观世界中成立(适用),微观世界不适用。
普朗克创立量子力学
1.宏观世界粒子的运动特点：
粒子具有确定的运动轨迹，根据质点的运动规律，应用牛顿力学可以准确地预测质点在某时刻的位置。
2.微观粒子的运动特点：
就单个粒子来说，其运动没有确定的运动轨迹，微观粒子既有粒子性，又有波动性。
宏观世界与微观世界的区别
经典力学(牛顿运动定律)在宏观世界中成立(适用),微观世界不适用。
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。
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(3×108m/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(6.63×10-34J·s)可以忽略不计时．量子力学和经典力学的结论没有区别．相对论和量子力学都没有否定过去的科学。
阅读课本第50页，归纳牛顿万有引力定律与爱因斯坦引力理论的主要差异：
三、强引力作用下出现的问题
（1）牛顿的万有引力定律认为：物体的半径减小时，其表面上的万有引力与半径的二次方成反比地增大，对于半径接近于零质点的物体，其表面上的万有引力接近于无穷大.
（2）爱因斯坦理论认为：物体的半径减小时，其表面上的万有引力比二次方成反比规律增大得快，引力趋于无穷大发生在接近一个“引力半径”的时候.
（3）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.
牛顿万有引力定律与爱因斯坦引力理论的主要差异：
物体间的万有引力是弱引力，经典力学适用
天体半径减小到一定程度时, 天体间的引力非常大 ，属于强引力。经典力学不再适用。
爱因斯坦广义相对论
三、强引力作用下出现的问题
经典力学
弱引力
低速
宏观
强引力
高速
微观
广义相对论
狭义相对论
量子力学
相对论、量子力学和经典力学的关系：
互为补充，互不矛盾，互不否定共同支撑起物理学科的骨架。
小结：经典力学的适用范围
空间弯曲 黑洞 时空穿梭
《物理世界奇遇记》
谢谢
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万有引力与航天
第6节 经典力学的局限性
一、不定项选择
1. 经典力学不能适用于下列哪些运动( )
A. 火箭的发射 B. 宇宙飞船绕地球的运动
C. “勇气号”宇宙探测器在火星着陆 D. 微观粒子的波动性
2. 关于经典力学和量子力学，下列说法中正确的是( )
A. 不论是对宏观物体，还是微观粒子，经典力学和量子力学都是适用的
B. 量子力学适用于宏观物体的运动；经典力学适用于微观粒子的运动
C. 经典力学适用于宏观物体的运动；量子力学适用于微观粒子的运动
D. 上述说法都是错误的
3. (多选)关于经典力学、相对论与量子论的说法正确的是 ( )
A. 当物体的速度接近光速时，经典力学就不适用了
B. 相对论和量子力学的出现，使经典力学失去了意义
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
4. (多选)物理学的发展丰富了人类对物质世界的认识，推动了科学技术的创新和革命，促进了物质生产的繁荣与人类文明的进步，下列表述正确的是( )
A. 牛顿发现了万有引力定律 B. 牛顿通过实验证实了万有引力定律
C. 相对论的创立表明经典力学已不再适用 D. 爱因斯坦建立了狭义相对论，把物理学推进到高
5．牛顿定律不适用于下列哪些情况( )
A．研究原子中电子的运动
B．研究“神舟十号”飞船的高速发射
C．研究地球绕太阳的运动
D．研究飞机从北京飞往纽约的航线
6．在日常生活中，我们并没有发现物体的质量随着物体运动速度的变化而变化，其原因是( )
A．运动中物体无法称量质量
B．物体的速度远小于光速，质量变化极小
C．物体的质量太大
D．物体的质量不随速度的变化而变化
7．（多选）物理学的发展丰富了人类对物质世界的认识，推动了科学技术的创新和革命，促进了物质生产的繁荣与人类文明的进步，下列表述正确的是( )
A．牛顿发现了万有引力定律
B．牛顿通过实验证实了万有引力定律
C．相对论的创立表明经典力学已不再适用
D．爱因斯坦建立了狭义相对论，把物理学推进到高速领域
8．对于时空观的认识，下列说法正确的是( )
A．相对论给出了物体在低速运动时所遵循的规律
B．相对论具有普遍性，经典物理学为它在低速运动时的特例
C．相对论的出现使经典物理学在自己的适用范围内不再继续发挥作用
D．经典物理学建立在实验的基础上，它的结论又受到无数次实验的检验，因此在任何情况下都适用
9、（多选）下列服从经典力学规律的是( )
A.自行车、汽车、火车、飞机等交通工具的运动
B.发射导弹、人造卫星、宇宙飞船
C.物体运动的速率接近于真空中的光速
D.地壳的变动
10、（多选）关于经典力学和狭义相对论，下列说法中正确的是( )
A.经典力学只适用于低速运动，不适用于高速运动(速度接近于真空中的光速)
B.狭义相对论只适用于高速运动(速度接近于真空中的光速)，不适用于低速运动
C.经典力学既适用于低速运动，也适用于高速运动(速度接近于真空中的光速)
D.狭义相对论既适用于高速运动(速度接近于真空中的光速)，也适用于低速运动
答案与解析
1.【答案】D
【解析】经典力学适用于宏观物体的低速运动，故经典力学对A、B、C都能适用，对D不适用。
2.【答案】C
【解析】 经典力学适用于低速运动、宏观物体，不适用于高速、微观粒子。量子力学不适用于宏观物体，适用于微观粒子，故选项C正确。
3.【答案】AC
【解析】经典力学只适用于低速宏观的物体，故A正确；相对论和量子力学的出现，并没有否定经典4.【答案】AD【解析】万有引力定律是牛顿发现的，但在实验室里加以验证是卡文迪许进行的，A对、B错；相对论并没有否定经典力学，经典力学对于低速、宏观运动仍适用，C错；狭义相对论的建立，是人类取得的重大成就，从而把物理学推到更高领域，D对。
5【答案】A
6.【答案】B
【解析】日常生活中见到的物体的速度都很小，由m＝可知，当v?c时，m≈m0，故B选项正确．
7.【答案】AD
【解析】万有引力定律是牛顿发现的，但在实验室里加以验证是卡文迪许进行的，A对，B错．相对论并没有否定经典力学，经典力学对于低速、宏观运动仍适用，C错．狭义相对论的建立，是人类取得的重大成就，从而把物理学推到更高领域，D对．
8.【答案】B
9.ABD
10.AD
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第六章 万有引力与航天
第6节 经典力学的局限性
【学习目标】
（1）知道经典力学的局限性和适用范围.
（2）了解经典力学在科学研究和生产技术中的广泛应用；
（3）初步了解微观和高速世界中的奇妙现象
（4）知道相对论、量子力学和经典力学的关系.
【重点难点】
1.牛顿运动定律的适用范围。
2.高速运动的物体，速度和质量之间的关系。
【课前预习】
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 若一个物体静止时的质量为，则当它以速度运动时，共质量m= 。
2.每一个天体都有一个引力半径，半径的大小由 决定；只要天体实际半径 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 。但当天体的实际半径接近引力半径时，这种差异 。
3.19世纪末和20世纪以来，物理学的研究深入到 ，发现 、 、
等微观粒子不仅有、 ，而且有 ，它们的运动规律不能用经典力学来说明。
4..经典力学的适用范围
(1)经典力学有它的适用范围：只适用于 运动，不适用于 运动；只适用于 世界，不适用于 世界；只适用于 情况，不适用于 情况.
(2)对于高速运动(速度接近真空中的光速)，需要应用爱因斯坦的相对论.当物体的运动速度远小于真空中的光速时，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别.
(3)对于微观世界，需要应用量子力学.当普朗克常量可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别.
(4)对于强引力情况，需要应用爱因斯坦引力理论.当天体的实际半径远大于它们的引力半径时，爱因斯坦引力理论和牛顿万有引力定律计算出的力的差异并不很大.
本节学习了经典力学的局限性：
【合作探究一】阅读课本P48的1-3段，说出经典力学的成就
【合作探究二】阅读课本P48-50的“从低速到高速”内容，思考并小组讨论下面的问题：
1.在经典力学和狭义相对论中，物体的质量有何不同？
2.在经典力学和狭义相对论中，位移和时间的测量结果在不同参考系中有何区别？
【合作探究三】阅读课本P50的“从宏观到微观”内容，写出经典力学的适用范围是什么？
【合作探究四】阅读课本P50-51的“从弱引力到强引力”内容，思考并小组讨论下面的问题：
经典力学与行星轨道的矛盾是什么？
由经典力学与行星轨道的矛盾说明了什么？
3.归纳牛顿万有引力定律与爱因斯坦引力理论的主要差异.
4.经典力学和相对论及量子力学的关系如何？
[课堂总结]：
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．
【课堂训练】
1．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
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．经典力学不能适用下列哪些运动（ ）
A．火箭的发射 B．宇宙飞船绕地球的运动
C．“勇气号”宇宙探测器 D．微观粒子的波动性
3．对于下列说法正确的是（ ）
A．经典力学的质量是不变的
B．经典力学的时间和空间是独立于物体运动的
C．爱因斯坦的狭义相对论研究的是物体在低速运动时所遵循的规律
D．爱因斯坦的狭义相对论研究的是物体在高速运动时所遵循的规律
4．下列说法正确的是（ ）
A．微观粒子的运动速度超过光速，因此经典力学不适用
B．微观粒子的质量是不确定的，因此经典力学不适用
C．微观粒子具有波粒二象性，因此经典力学不适用
D．量子力学仅适用于微观粒子的运动
5．对于公式m＝，下列说法中正确的是( )
A．式中的m是物体以速度v运动时的质量
B．当物体的运动速度v>0时，物体的质量m>m0，即物体的质量改变了，故经典力学不适用，所以是不正确的
C．当物体以较小速度运动时，质量变化非常小，经典力学理论仍然适用，只有当物体以接近光速的速度运动时，质量变化才明显，故经典力学适用于低速运动，而不适用于高速运动物体
D．通常由于物体的运动速度太小，故质量的变化引不起我们的感觉，在分析地球上物体的运动时，不必考虑质量的变化
6．经典力学只适用于“宏观世界”，这里的“宏观世界”是指（ ）
A．行星、恒星、星系等巨大的物质领域
B．地球表面上的物质世界
C．人眼能看到的物质世界
D．不涉及分子、原子、电子等微观粒子的物质世界
7．关于经典力学和量子力学，下面说法中正确的是（ ）
A．不论是对宏观物体，还是微观粒子，经典力学和量子力学都是适用的
B．量子力学适用于宏观物体的运动；经典力学适用于微观粒子的运动
C．经典力学适用于宏观物体的运动；量子力学适用于微观粒子的运动
D．经典力学是量子力学在一定条件下的特殊情形
答案：
【课前预习】
1.相对论 不变 变化的
2.天体的质量；远大于；并不很大；将急剧增大
3.微观世界 电子 质子 中子 粒子性 波动性
4.低速 高速 宏观 微观 弱引力 强引力
【合作探究一】答案 1.经典力学的基础是牛顿运动定律.牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的广阔区域，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.
2.牛顿运动三定律和万有引力定律把天体的运动与地面上物体的运动统一起来，是人类对自然界认识的第一次大综合，是人类认识史上的一次重大飞跃.
【合作探究二】答案 1.在经典力学中，物体的质量不随运动状态的改变而改变，而在狭义相对论中，质量要随着物体运动速度的增大而增大.
2.在经典力学中，同一过程的位移和时间的测量结果在不同参考系中是相同的；在狭义相对论中，同一过程的位移和时间的测量结果在不同参考系中是不同的.
【合作探究三】答案 适用于宏观世界、低速运动.
【合作探究四】答案 按牛顿的万有引力定律推算，行星应该沿着一些椭圆做周期性运动，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，如水星的运动.
答案 经典力学只适用于弱引力场，而不适用于强引力场.
答案 牛顿万有引力定律与爱因斯坦引力理论的主要差异：
(1)行星的运动，在近日点和远日点，引力的变化规律不完全相同，导致轨道不闭合、近日点旋进.
(2)牛顿的万有引力定律认为：物体的半径减小时，其表面上的万有引力与半径的二次方成反比地增大，对于半径接近于零的物体，其表面上的万有引力接近于无穷大.
爱因斯坦引力理论认为：物体的半径减小时，其表面上的万有引力比“平方反比”规律增大得快，引力趋于无穷大发生在接近一个“引力半径”的时候.
只要天体的实际半径远大于它们的引力半径，那么由爱因斯坦引力理论和牛顿引力理论计算出的引力的差异并不很大，但当天体的半径接近引力半径时，这种差异将急剧增大，也就是说，在强引力的情况下，牛顿引力理论将不再适用.
答案 经典力学是相对论及量子力学在一定条件下的特例，它包含于相对论和量子力学中，相对论和量子力学的建立并没有否定经典力学.
【课堂练习】
1．C
2．D
3．ABD
4．C
5．ACD
6．D
7．CD
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