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1、第6章 经典力学与现代物理,6.1 经典力学的巨大成就和局限性,自主阅读,自我检测,一、一座永垂不朽的纪念碑 1.自然哲学的数学原理的产生 英国科学家牛顿的代表作,出版于1687年。 2.自然哲学的数学原理介绍 全书共分两个部分。第一部分是“定义和注释”“运动的基本原理”。第二部分是定律的应用,其内容包括:万有引力定律和行星运动;流体力学的开创性研究;天体力学和宇宙系统的开拓性研究(行星的运动、卫星的运动、地面上的落体运动、抛体运动、彗星轨道、岁差以及潮汐现象等)。 全书贯穿了牛顿和莱布尼茨分别独立发明的数学方法微积分。它在科学史上占有非常重要的地位,因为它标志着经典力学的建立。,自主阅读,自
2、我检测,二、经典力学的巨大成就 1.把天体运动与地上物体的运动统一起来了。 2.由经典力学为基础发展起来了天体力学、材料力学。 3.力学与热学结合引发了第一次工业革命。 4.经典力学是航天的理论基础。 三、经典力学方法论的意义 经典力学的研究方法以伽利略和牛顿最为典型。 伽利略:理想实验法。 牛顿:归纳演绎法,建立理论体系。,自主阅读,自我检测,四、经典力学的局限性 1.经典力学对时间和空间的认识 (1)把一切自然现象都归结为机械决定论。 (2)把时间、空间割裂开来,认为它们与物质运动无关。 2.经典力学的适用范围 (1)只适用于低速运动,不适用于高速运动。 (2)只适用于宏观世界,不适用于微
3、观世界。 (3)只适用于弱引力环境,不适用于强引力环境。 3.经典力学的规律和观点在微观与高速领域不能适用,是否说明经典力学是错误的,毫无价值的? 提示:不是。经典力学有其局限性。但在宏观低速中还存在着广泛应用。,自主阅读,自我检测,1.正误辨析 (1)经典力学的基础是牛顿运动定律。 ( ) (2)经典力学对航空、航天技术有重要意义。 ( ) (3)经典力学适用于低速运动,不适用于高速运动。 ( ) (4)经典力学应用广泛,适用于一切运动。 ( ) (5)经典力学中把时间和空间割裂开来,认为它们与物质运动无关。 ( ) 答案:(1) (2) (3) (4) (5),自主阅读,自我检测,2.关于
4、牛顿力学的适用范围,下列说法正确的是( ) A.宏观高速问题 B.微观低速问题 C.宏观低速问题 D.微观高速问题 解析:经典力学局限于运动速率远小于真空中光速的宏观物体,对高速运动的物体和微观粒子不适用,所以只有C正确。 答案:C 3.一列火车的速度是10 m/s,一个人在车上相对于车以8 m/s的速度向前跑,那么他相对于地面的速度为18 m/s。若火车的速度为0.9c(c为光速),人相对于车以0.5c的速度向前跑。还能用牛顿的经典力学去研究火车和人的运动规律吗? 答案:不能用。经典力学不适用于高速(接近光速)运动的物体。,问题导引,知识归纳,典例剖析,知识点一,知识点二,经典力学的成就 经
5、典力学的成就巨大,适用范围广泛,试讨论一下到底有哪些巨大贡献呢? 要点提示:经典力学对地上与天上的运动都有作用,对航天、运动学、天体力学、材料力学、结构力学等都有贡献。,问题导引,知识归纳,典例剖析,知识点一,知识点二,1.经典力学 经典力学通常指以牛顿三大定律为核心的矢量力学,有时也泛指描述低速宏观物体机械运动的经典力学体系。 2.经典力学的伟大成就 自从17世纪以来,以牛顿运动定律为基础的经典力学不断发展,取得了巨大的成就。经典力学在科学研究和生产技术中有广泛的应用。经典力学和天文学相结合,建立了天体力学;经典力学和工程实际相结合,建立了各种应用力学,如水力学、材料力学、结构力学等。从行星
6、的运动到地面上各种物体的运动;从大气的流动到地壳的变动;从设计各种机械到拦河筑坝、修建桥梁和高楼大厦;从人力车、马车的运动到汽车、火车、飞机等现代交通工具的运动;从抛出石块到发射导弹、人造卫星和航天飞机所有这些关于宏观物体的运动问题,都服从经典力学的规律。,问题导引,知识归纳,典例剖析,知识点一,知识点二,3.经典力学的建立首次明确了一切自然科学理论应有的基本特征,这标志着近代理论自然科学的诞生,也成为其他各门自然科学的典范。牛顿运用归纳与演绎、综合与分析的方法极其明晰地得出了完善的力学体系,被后人称为科学美的典范,显示出物理学家在研究物理时,都倾向于选择和谐与自治的体系,追求最简洁、最理想的
7、形式。但是,牛顿运动定律和一切物理定律一样,也有它的适用范围。,问题导引,知识归纳,典例剖析,知识点一,知识点二,【例1】(多选)关于经典力学的伟大成就,下列论述正确的是( ) A.经典力学第一次实现了对自然界认识的理论大综合 B.经典力学第一次预言了宇宙中黑洞的存在 C.经典力学第一次向人们展示了时间的相对性 D.人们借助于经典力学中的研究方法,建立了完整的经典物理学体系,问题导引,知识归纳,典例剖析,知识点一,知识点二,解析:经典力学把天上物体和地面上物体的运动统一起来,从力学上证明了自然界的多样性的统一,第一次实现了人类对自然界认识的理论大综合。在研究方法上,人们把经典力学中行之有效的实
8、验与数学相结合的方法推广到物理学的各个分支上,相继建立了热学、声学、光学、电磁学等,形成了完整的经典物理学体系。综上所述,应选A、D。 答案:AD 规律方法人类对客观世界的认识经历了艰辛而复杂的过程,新理论的建立往往以原有理论为基础,而不是完全推翻或否定。,问题导引,知识归纳,典例剖析,知识点一,知识点二,变式训练1(多选)下列有关伽利略在经典力学中的贡献的叙述正确的是( ) A.伽利略对运动进行了描述和分类,对自由落体运动规律进行了探索,得到了惯性原理,研究了抛体运动的轨迹 B.伽利略提出了运动的相对性原理,开创了实验科学 C.伽利略的研究,无论是在动力学的基本原理上,还是在动力学的研究方法
9、上,都做出了奠基性的重要贡献 D.伽利略发现了万有引力定律 答案:ABC,知识点一,知识点二,问题导引,知识归纳,典例剖析,经典力学的局限性 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,它们的运动规律能完全用经典力学来解释吗? 要点提示:不能。,知识点一,知识点二,问题导引,知识归纳,典例剖析,1.从低速到高速 当物体运动速度远小于真空中光速时,经典力学处理这些运动完全适用,物体的质量不随运动状态改变。而根据狭义相对论的观点,质量要随着物体运动速度的增大而增大。若物体的速度接近光速,物体的质量增大比较显著,不
10、能忽略,经典力学不再适用。 2.由宏观到微观 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。这说明经典力学一般不适用于微观粒子。,知识点一,知识点二,问题导引,知识归纳,典例剖析,【例2】对于经典力学理论,下述说法正确的是( ) A.由于相对论、量子论的提出,经典力学已经失去了它的意义 B.经典力学在今天广泛应用,它的正确性无可怀疑,仍是普遍适用的 C.经典力学在历史上起了巨大的作用,随着物理学的发展而逐渐过时,成为一种古老的理论 D.经典力学在宏观低速运动中,引
11、力不太大时适用 解析:经典力学和其他任何理论一样,有其自身的局限性和适用范围,但对于低速宏观物体的运动,经典力学仍然适用,并仍将在它适用范围内大放异彩,所以D正确。 答案:D,知识点一,知识点二,问题导引,知识归纳,典例剖析,规律方法经典力学与相对论、量子力学并不矛盾,相对论、量子力学也没有否定经典力学。经典力学是相对论、量子力学在低速、宏观、弱引力作用条件下的特殊情况。,知识点一,知识点二,问题导引,知识归纳,典例剖析,变式训练2(多选)关于经典力学的局限性,下列说法正确的是( ) A.经典力学没有局限性 B.经典力学的应用受到物体运动速度的限制,当物体运动的速度接近于真空中的光速时,经典力
12、学就不适用了 C.经典力学不适用于微观领域中物质结构和能量不连续的现象 D.经典力学的时间和空间分离的观点不对 解析:经典力学仅适用于宏观、低速运动的物体,当物体运动的速度接近于真空中的光速时,经典力学就不再适用了,A错,B对;经典力学无法解释微观领域中物质结构和能量不连续的现象,C、D对。 答案:BCD,1,2,3,4,1.(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.能量的不连续现象 解析:经典力学只适用于宏观、低速运动的物体,所以A、B正确,C错误;能量的不连续现象涉及量子
13、论,不适合用经典力学来解释,所以D错误。 答案:AB,1,2,3,4,2.17世纪末,采用归纳与演绎、综合与分析的方法,建立了完整的经典力学体系,使物理学从此成为一门成熟的自然科学的科学家是( ) A.牛顿 B.开普勒 C.笛卡儿 D.伽利略 解析:牛顿是经典力学理论体系的建立者,牛顿定律是经典力学的基础。 答案:A,1,2,3,4,3.关于经典力学的局限性,下列说法正确的是( ) A.经典力学适用于宏观低速运动的物体 B.由于经典力学有局限性,所以一般力学问题都用相对论力学来解决 C.火车提速后,有关速度问题不能用经典力学来处理 D.经典力学只适用于像地球和太阳那样大的宏观物体 解析:经典力
14、学适用于宏观、低速的物体,A项正确;经典力学虽然有局限性,但对于宏观、低速的力学问题可以应用力学的规律求解,B项错误;火车提速后,火车的速度相对于光速而言仍属于低速运动,可以用经典力学来处理,C项错误;并非体积很大的物体才能看成宏观物体,D项错误。 答案:A,1,2,3,4,4.(多选)下列说法正确的是( ) A.经典力学是以牛顿的三大定律为基础的 B.经典力学在任何情况下都适用 C.当物体的速度接近光速时,经典力学就不适用了 D.相对论和量子力学的出现,使经典力学失去了意义 解析:牛顿运动定律是经典力学的基础,A正确。经典力学只适用于低速宏观的物体,B错误,C正确。相对论和量子力学的出现,并没有否定经典力学,只是说经典力学有一定的适用范围,D错误。 答案:AC,