第六节 经典力学局限性课后认真阅读课本在相对论物理学的教科书中，通 常描写着一个使人难以能理解的故事， 一对年轻的孪生兄弟，哥哥乘坐一艘接 近光速运动的宇宙飞船，从地球出发， 在太空遨游一圈之后返回地球，使人瞠 目结舌的事发生了，他的弟弟早已是两 鬓斑白，满脸皱纹的古稀老人，而他自 己却还是一个十七八岁的英俊少年。 一、经典力学的适用范围：一、经典力学的适用范围：宏观、低速、弱引力二、经典力学局限性：二、经典力学局限性：1、不能解决高速运动高速运动问题（接近光速）2、不适用于微观领域中微观领域中物质结构和能量 不连续的现象三、从低速到高速阅读课本“从低速到高速”部分，回答 ：1、在经典力学和狭义相对论中，物体 的质量有何不同？ 2. 狭义相对论中物体的质量表达式是 怎样的？ 3. .经典力学中和狭义相对论对位移和 时间在不同的参考系中的测量有何不 同的看法？什么是低速，什么是高速？ 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与光 速相接近的速度称为高速，有些微 观粒子在一定条件下其速度可以与 光速相接近。 1、在经典力学和狭义相对论中，对物体 质量的认识有何不同呢？ 在经典力学中，物体的质量是不变 的，但爱因斯坦的狭义相对论指出，物 体的质量随速度的增大而增大2. 狭义相对论中物体的质量表达式是怎 样的？m0为静止质 量，m是物体 速度为v时的 质量，c是真 空中的光速3.经典力学中和狭义相对论对位移和时间 再不同的参考系中的测量有何不同的看法 ？在经典力学中位移和时间的测量再 不同的参考系中是相同的，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。 一、经典时空观（绝对时空观）：（1）同时的绝对性 （2）时间间隔的绝对性 （3）空间距离的绝对性超新星爆发的持续时间：经经典典时时空空观观与与相相对论时对论时 空空观观实际：2年！？牛顿：25年。时间、长度和质量这三者都与参考系 的运动无关。以牛顿运动定律为基础的经典力 学中，空间间隔（长度）s、时间t和 质量m这三个物理量都与物体的运动 速度无关.一根尺子静止时这样长，当它运 动时还是这样长；一分钟不论处于静 止状态还是处于运动状态，其快慢保 持不变；一个物体静止时的质量和运 动时的质量一样. -.这就是经典力学的绝对时空观. 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， 二、相对论时空观:长度、时间和质量都是随物体 的运动速度而变化的（都与参 考系的运动有关）。长度、时间和质量随速度的变 化关系可以用下列方程表达式 ：相对时间（钟慢效应 ） v都是物体的运动速度，c是真空中的光 速，t和t0分别为在相对静止和运动的系 统中测得的时间 相对长度（尺缩效应 ） v都是物体的运动速度，c是真空中的光速，L0和L分别为在相对静止和运动系统中 沿速度方向测得的物体的长度； 当宏观物体的运动速度远小于光 速时（vc），则上面的一些结果 就变为LL0，tt0，mm0，因而对 于宏观低速运动的物体，使用牛顿 定律来处理问题，还是足够精确的.继狭义相对论之后，1915年爱因斯坦 又建立了广义相对论，指出空间时间 不可能离开物质而独立存在，空间的结构 和性质取决于物质的分布，使人类对于时 间、空间和引力现象的认识大大深化了.“ 狭义相对论”和“广义相对论”统称为相对论 .时至今日，相对论的所有结论和预言都被 大量的事实和观测所证实，并且在微观粒 子和宇宙的结构和演化等许多方面发挥着 重要作用，以普遍被人们接受。关于相对 论的知识我们会在以后的学习中学习到.四、从宏观到微观阅读课文并思考：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。五、从弱引力到强引力阅读课文并思考：1、经典力学与行星轨道的矛盾是什么？2、归纳万有引力定律与爱因斯坦引力理论 的主要差异，3、经典力学和相对论量子力学的关系如何 ？1、经典力学与行星轨道的矛盾是什么？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，与实际观测结果不 符，行星的轨道并不是严格闭合的，它们 的近日点在不断旋进2、归纳万有引力定律与爱因斯坦引力 理论 的主要差异：1）牛顿的万有引力定律认为：物体 的半径减小，其表面的万有引力与半 径的二次方成反比的增大，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。2）爱因斯坦理论认为：物体的半径减 小时，其表面的万有引力比二次方成反 比规律增大得多，引力趋于无穷大，发 生在接近一个“引力半径”的时候。何为天体的引力半径?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” 只要天体的实际半径远大于它们的 引力半径，那么爱因斯坦和牛顿的理 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，牛顿的万有引力理论将 不再适用 3、经典力学和相对论量子力学的关系 如何？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(3X108ms)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(663X10- 34Js)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。检测题有关科学家和涉及的事实，正确 的说法是 A哥白尼创立了日心说B伽利略发现了行星运动规律C. 惠更斯解决了弹性碰撞问题D爱因斯坦提出了量子论( A C( A C ) )检测题一列火车以速度v相对地面运动如果地面上的人测 得，某光源发出的闪光同时到达车厢的前壁和后壁 ，以下说法中正确的是 A火车上的人测得，闪光先到达前壁B火车上的人测得，闪光先到达后壁C火车上的人测得，闪光同时到达车厢的前壁 和后壁D条件不足，无法确定( A )( A )检测题有三个完全相同的时钟，时钟A放在地面上 ，时钟B、C分别放在两个火箭上，以速度vB 和vC朝同一方向飞行，vBvC 对于地面上 的观察者来说，则以下说法中正确的是A时钟A走得最慢 B时钟B走得最慢C时钟C走得最慢 D时钟C走得最快( ( C C ) )检测题如果有一支静止时长30 m的火箭，以光速 的二分之一的速度从观察者的身边掠过 ，以下说法中正确的是 A地面上的观察者测得的火箭长为30 m B地面上的观察者测得的火箭长小于30 m C地面上的观察者测得的火箭长大于30 m D火箭上的观察者测得的火箭长为30 m( ( BDBD ) )检测题有关物体的质量与速度的关系的说法, 正确的 是 A物体的质量与物体的运动速度无关B物体的质量随物体的运动速度增大而增大C物体的质量随物体的运动速度增大而减少D当物体的运动速度接近光速时，质量趋于零( ( B B ) )按照狭义相对论，不仅“同时”是相对的，有时候，甚至事 情的先后也都是相对的。举一个例子，一节长为10米的列 车，A在车后部，B在车前部。当列车以0.6c的高速度通过 一个站台的时候,突然站台上的人看到A先向B开枪,过了 12.5毫微秒,B又向A发射。因而站台上的人作证：这场枪 战是由A挑起的。但是，车上的乘客却提供相反的情况， 他们说，是B先开枪，过了10毫微秒，A才动手。事件是 由B发动的。到底是谁先动手呢？没有绝对的答案。在这个具 体事件中，谁先谁后是有相对性的。在列车参考 系中，B先A后，而在车站参考系中则是A先B后。选择的参考系不同，对运动的描述就不同：例如：让两小球从同一高度同时自由下落。符合牛顿运动定律不符合牛顿运动定律惯性系非惯性系Return