经典力学的局限性

阅读思考： 1、经典力学取得了哪些辉煌的成就？ 2、经典力学在哪些领域不能适用？能说出为什么吗？ 3、经典力学的适用范围是什么？ 4、相对论和量子力学的出现是否否定了牛顿的经典力学？应该怎样认识？

相对论介绍 狭义相对论和广义相对论的区别 前者用于惯性系,后者用于非惯性系 前者描述由光速不变原理引发的一系列事情 后者用黎曼几何描述非欧的空间 相对论是关于时空和引力的基本理论，主要由爱因斯坦创立，分为狭义相对论(特殊相对论)和广义相对论(一般相对论)。相对论的基本假设是光速不变原理，相对性原理和等效原理。相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。奠定了经典物理学基础的经典力学，不适用于高速运动的物体和微观条件下的物体。相对论解决了高速运动问题；量子力学解决了微观亚原子条件下的问题。相对论极大的改变了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“同时的相对性”，“四维时空”“弯曲空间”等全新的概念。

狭义相对论，是只限于讨论惯性系情况的相对论。牛顿时空观认为空间是平直的、各向同性的和各点同性的的三维空间，时间是独立于空间的单独一维（因而也是绝对的）。狭义相对论认为空间和时间并不相互独立，而是一个统一的四维时空整体，并不存在绝对的空间和时间。在狭义相对论中，整个时空仍然是平直的、各向同性的和各点同性的，这是一种对应于“全局惯性系”的理想状况。狭义相对论将真空中光速为常数作为基本假设，结合狭义相对性原理和上述时空的性质可以推出洛仑兹变换。

广义相对论是爱因斯坦(AlbertEinstein)在1915年发表的理论。爱因斯坦提出“等效原理”，即引力和惯性力是等效的。这一原理建立在引力质量与惯性质量的等价性上(目前实验证实,在10−12的精确度范围内,仍没有看到引力质量与惯性质量的差别)。根据等效原理，爱因斯坦把狭义相对性原理推广为广义相对性原理，即物理定律的形式在一切参考系都是不变的。物体的运动方程即该参考系中的测地线方程。测地线方程与物体自身故有性质无关，只取决于时空局域几何性质。而引力正是时空局域几何性质的表现。物质质量的存在会造成时空的弯曲，在弯曲的时空中，物体仍然顺着最短距离进行运动(即沿着测地线运动——在欧氏空间中即是直线运动)，如地球在太阳造成的弯曲时空中的测地线运动，实际是绕着太阳转，造成引力作用效应。正如在弯曲的地球表面上，如果以直线运动，实际是绕着地球表面的大圆走。

一、经典力学的成就 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 .

二、经典力学的局限性 1、牛顿力学的绝对时空观 2、牛顿的局限 伽利略和牛顿的绝对时空观认为,同一物体运动的时间和长度(位移)在不同的参考系中,测量结果是相同的. 2、牛顿的局限 当一些问题牛顿解释不了时，他就只好用上帝的万能来解释，为此牛顿花费了后半生的心血，这正是牛顿的悲剧。

经典物理对物理学思想和科学方法作出总结， 它只适用于宏观、低速、弱引力的物体 经典力学在高速运动领域不再适用 经典力学在非惯性系不再适用 经典力学在微观领域不再适用 对于强引力，经典的引力理论也是不适用的

三、经典力学与狭义相对论 1905年，爱因斯坦（1879─1955）发表了狭义相对论:在宇宙中唯一不变的是光在真空中的速度，其它任何事物─速度、长度、质量和经过的时间，都随观察者的参考系（特定观察）而变化。

相对时间 狭义相对论认为时间不是绝对的即不是固定不变的。爱因斯坦指出，随着物体（观察者所见到的）线性运动速度的加快，时间会变慢。使用同步原子钟已证实了这个结论的正确性，将一个钟表留在地面上，而携带另一个以很快速度移动（如在喷气式飞机上），随后进行比较，运动的钟表总比静止的钟表稍微慢些。---钟慢效应

相对长度 爱尔兰物理学家乔治·佛兹杰拉德（1851──1901）提出，物质会在运动的方向上收缩（缩小），这意味着根据一个静止观察者的观点，一枚以接近光速运行的火箭所表现出的长度会比它静止时更短，尽管乘坐火箭的人看来并没有什么两样。爱因斯坦指出，任何物体以光速运动时，其长度将会缩短为零。 ---尺缩效应

相对质量 物体运动时的质量与静止质量的关系 ---质速效应

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 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.

量子论则适用于微观高速粒子的运动。 广义相对论的引力场理论适用于强引力作用。 当物体的速度远小于光速c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，而只认为过去 的科学是自己在一定条件下的特殊情形。

“ 科学的头脑就是去怀疑, 去证实, 去发现的精神! ” “照亮我的道路,并不断给我新的勇气去愉快地正视生活理想的是善、是美、是真”。 Albert Einstein 世纪伟人 “照亮我的道路,并不断给我新的勇气去愉快地正视生活理想的是善、是美、是真”。 “ 科学的头脑就是去怀疑, 去证实, 去发现的精神! ”

相对论好像是：“光彩夺目的火箭，它在黑暗的夜空，突然划出一道道十分强烈的光辉，照亮了广阔的未知领域。” 　　　　——德布罗意

一、经典力学规律只能用于： 宏观物体、低速运动、弱引力。 课堂小结 【例题】牛顿定律能适用于下列哪些情况？ A、研究原子中电子的运动 B、研究“神州”五号的高速发射 C、研究地球绕太阳的运动 D、研究飞机从深圳飞往北京的航线

二、相对论的基本原理 1、相对性原理 （1）相对时间 （2）相对长度 （3）相对质量 2、光速不变原理

据美国海军部记载，在第二次世界大战期间的太平洋战役中，美国的“印第安纳堡利斯 ”号军舰被日本潜艇击沉。当时美国海军部收到舰上有25名官兵乘救生艇逃离了军舰的求救信号。但美国海军部多次派出营救舰队和飞机去寻找，均一无所获，最后只好宣告他们已葬身海底。 然而，1991年7月的一天，一队菲律宾渔船在菲律宾群岛以南的西比斯海域上，竟然发现了这只救生艇。

46年如一日，怎么解释?天文学家森梅西坚斯博士认为，他们有可能闯入了一个“时空隧道”，几十年后复出人间，却全然不知道已经过了那么久时间。 小艇上的25名船员虽然如惊弓之鸟、一片惶恐不安的样子，但他们仍然不失年轻力壮的风貌。这一发现，便得美国当局感到万分惊愕。 当然，更使他们感到大惑不解的是，“印第安纳堡利斯”号军舰是1945年7月30日被击沉的，时隔46年后，他们的模样竟和被击沉时一模一样，连胡子和头发都没有一点变化。这25名获救的人员一致认为他们在海上仅仅漂流了1天时间。 46年如一日，怎么解释?天文学家森梅西坚斯博士认为，他们有可能闯入了一个“时空隧道”，几十年后复出人间，却全然不知道已经过了那么久时间。

近来，热衷于研究“神秘再现”的学者们还发现，“再现”并不是海洋里的专利，在航空史上也可查到诸如此类的记载。 　　那是二战期间，美军的一支空战队在北美战场上结束战斗后，在返回基地前的整编中发现少了一架P—38战斗机，编队飞机四处寻找，结果没有发现任何线索。当晚，基地为这名飞行员举行弥撒。这谁都清楚，所谓失踪实际上就是阵亡。可就在弥撒举行中途，基地警报突然响起，雷达显示一架身份不明的战机正低空高速接近机场。战勤人员立即进入一级战 斗状态，几十架战机打开发动机待飞，防空火力网也一齐对准了那架飞机。这基地上的官兵蓦然发现探照灯光笼罩下的飞机很像白天失踪的P—38战机。报务员立即用无线电与这架飞机进行联络，但得不到任何回音；信号兵也用信号灯打出灯光信号，要求来机作出敌 我识别讯号，但来机对此全然不顾，径直往基地急冲而来。

正当指挥不知所措时，该机在机场正上方的空中突然崩裂，像天女散花一样将无数碎片纷纷洒向地面。令人惊奇的是，飞机 “散架”时既没有火光，也没有爆炸声。随后，人们又发现碎片星雨中跳出飞行员与降落伞 ，先是副伞随风飘荡，随后主伞也张开。惊魂未定的基地官兵纷纷拥上卡车，风驰电掣般地 奔向降落伞和残骸跌落地点。他们目睹了一件不可思议的事。残存的机身编号证实，该机确系失踪的那架P—38战斗机。但它的油箱早已用干，难道在死亡约10小时后还能驾机与跳伞吗？这一奇案被列入美国空军机密档案，并附上基地指挥官和目击者的签名。当时，有人怀疑P－38战机可能遇上了外星人的飞碟。

数年来，热衷于“神秘再现”探索的学者们，对失踪后又再现的事件进行了深程度的挖掘，目前已搜集到几十个案例，并对此进行了研究分析，企图从物理性质、光学现象、时序体系和空间原理对此作出解释，但没有一位学者能跳出“时空隧道”的困惑。 有的学者认为，“时空隧道”实际上就是宇宙中存在着的“反物质世界”。其根据是着名的科学家爱因斯坦建立的物质总能量公式，根据这个公式计算，物质的总能量有正、负两个值。物质出现负值我们该如何认识呢？一些学者就将它与“反物质世界”联系在一起。我们目前仅仅是了解了宇宙的一半，即正物质所处的范围；而宇宙的另一半却是由反物质组成 的体系。这两大部分由引力作用彼此接近，而当接近到一定程度时，由于部分正、反物质产生“湮灭”作用产生巨大的能量，造成的压力又将宇宙中这两大体系分开。据此，可以认为神秘失踪系正负两大物质体系产生引力场局部弯曲时所产生的“湮灭”现象，而当“湮灭” 消失后，引力场恢复原状时，失踪者也就再现了。此说看似有理，但也遭到很多学者的反对 ，认为“湮灭”可以解释神秘失踪现象。但“湮灭”只能使万物永远失去，而不可能再现。　　

　　有的学者认为，“时空隧道”可能与宇宙中的“黑洞”有关。“黑洞”是个人眼看不见的吸引力世界，然而却是客观存在的一种“时空隧道”，人一旦被吸入“黑洞”中，就什么知觉也没有了，当他回到光明世界中，只能回想起被吸入以前的事情，而对进入“黑洞”遨游无论多长时间，他都一概不知。所以，历史上神秘失踪的人、船只、飞机等，实际上是进 入了这个神秘的“黑洞”。这一学说同样遭到不少学者的反对。因为目前科学家设想中的“黑洞”理论是个“光吃不拉”的神秘世界，它“吞”人任何物质及能量（包括光线），但从不释放，否则就不称“黑洞”。因而，凡被吸入“黑洞”中的任何东西都不可能有重见天日之时。

目前，对“时空隧道”的认识问题，仍众说纷纭，莫衷一是，却无一说能提供可使大家信服的科学依据，是个尚待探索的自然之谜。 在激烈的争议中，学者们对“时空隧道”也提出了几种其他理论假说：其一是“时间停止”说，对于地球上的物质世界，进入“时空隧道”后就意味着失踪，而重新从中出来时又意味着神秘再现。这表明“时空隧道”与地球不是一个时间体系，它的时光是相对静止的， 因而无论失踪三年五载，或者几十年数百载都如同一时一日，抑或从失踪到再现的时间为零 。其二是“时间可逆”说，即“时空隧道”中的时间是倒转的。失踪者进入这套时间体系里 ，有可能回到遥远的过去，然而当时间再次出现逆转时，又把失踪者带回到失踪的那一刻， 结果就出现了神秘的再现。其三是“时间关闭”说。“时空随道”是客观存在的物质性世界 。它看不见也摸不着，对于人类生活的物质世界，它既关闭又不绝对关闭，有时也偶尔开放 一次。这一开就造成神秘失踪，后来又一放，失踪者就再现了。 目前，对“时空隧道”的认识问题，仍众说纷纭，莫衷一是，却无一说能提供可使大家信服的科学依据，是个尚待探索的自然之谜。