第一节 牛顿力学的局限性（教学课件）物理沪科版必修第二册

第八章《牛顿力学的局限性与相对论初步》 第一节 《牛顿力学的局限性》 1 1、把天体的运动与地面上物体的运动统一起来，实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合。 2、在宏观、低速、弱引力的广阔区域，包括天体力学的研究中，经受了实践检验，取得了巨大成就。 3、将“实验和数学”相结合的方法推广到物理学的各个分支，形成了完整的经典力学体系。 牛顿力学回顾 设想人类可以利用飞船以0.2c的速度进行星际航行。若飞船向正前方的某一星球发射一束激光，该星球上的观察者测量到的激光的速度是多少？ 答案似乎应为 1.2c。 然而，事实并非如此！ 一、在恒力作用下，物体运动速度会越来越大甚至超过光速吗？ 1.牛顿的观点 物体在恒力作用下，其加速度是恒定的，即运动速度将随时间的 增加而持续增加，只要时间足够长，速度就可以任意大甚至超过光速。 2.爱因斯坦的观点 如果以光速追赶一束光，应当看到一束在空间中停滞不前、静止的光，但这样又违反了麦克斯韦电磁理论，不可能出现这种情况。 VS 像一切科学一样，牛顿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” 示例 现代大型高能粒子加速器可以把粒子的速度加速到与光速极为接近的程度。质子质量 mp = 1.67×10-27 kg，如果把一个质子加速到具有能量 1.60×10-10 J，并假定这个能 量就是质子具有的动能，按照牛顿力学，质子的速度为多大？ 解： 牛顿力学只适用于解决低速运动问题，不能用来处理高速运动问题。 二、牛顿力学可以描述原子的运动吗？ 牛顿力学 在微观领域，物理量不再是连 续变化的，而是分立的。微观粒子既有粒子性，又有波动性。牛顿力学不适用于微观世界。 量子力学 量子力学可以描述原子、质子及电子等微观粒子的性质和状态。 VS 牛顿力学只适用于宏观世界，不适用于微观世界。 三、牛顿力学适用于所有天体吗？ 牛顿力学只适用于弱引力情况，不适用于强引力情况。 牛顿力学在描述行星等弱引力场天体运动方面取得了很大的成功，牛顿力 学对天体运动规律的解释，不仅预言了海王星的存在和哈雷彗星的回归， 并且也将地球上物体的运动规律和天体的运动规律统一起来，达到了当时 科学的高峰。但无法正确描述中子星、黑洞等强引力场天体的运动，也不 能用于描述宇宙的演化规律，即牛顿力学在强引力场情况下也不再适用。 四、牛顿力学的局限性有何启示？ 牛顿力学存在局限性，或者说牛顿力学的应用有一定的限制范围，但这并 不表示牛顿力学就失去了存在的意义。在低速、宏观和弱引力场情况下， 牛顿力学仍是非常精确的理论。实际上，任何理论包括牛顿力学的应用， 都有一定的条件和适用范围。超出了这个范围，理论就不再适用，需要寻 找新的更加一般的理论。一般来说，新的理论并不会完全否定原有理论， 而是将原有理论作为新理论的一个特殊情况，或者说，原有理论是新理论 的一个近似。 从物理学的发展历史可以看到，人类对自然界的探索是不断深入的，从简 单到复杂，从特殊到一般，从零散到整体，从表象到本质，每一次新现象 的发现，每一个新理论的建立，都使我们对自然界的认识更全面、更准确、 更深入。人类对科学的探索是永无止境的。 【课堂练习】 1.关于牛顿力学理论，下述说法中正确的是 A.牛顿力学适用于宏观、低速、弱引力场 B.相对论和量子力学证明了牛顿力学是错误和过时的 C.牛顿力学认为时空是相对的 D.牛顿力学可以预言各种尺度下的运动 √ 解析：牛顿力学适用于宏观、低速、弱引力场，A正确；相对论和量子力学适用于微观高速粒子的运动，并没有否定牛顿力学，B错误；牛顿力学中，认为时间和空间都是绝对的，C错误；牛顿力学不适用于微观、高速情况下的运动，D错误。 2.下列物理情景中，经典的牛顿力学不再适用的是 A.电子以接近光的速度运动 B.超音速飞行的歼-20战机 C.地球绕太阳运动 D.体育课上，被小明同学抛出的篮球 √ 解析：牛顿力学适用于宏观低速运动的物体，对微观高速运动的粒子不再适用，因此当电子以接近光的速度运动时，牛顿力学不再适用；而超音速飞行的歼-20战机、地球绕太阳运动以及抛出的篮球都属于宏观低速运动的物体，牛顿力学完全适用。故选A。 3.牛顿力学的局限性体现在哪些方面？ 解析：牛顿力学的局限性体现在三个方面,即对于高速(接近光速)运动、微观粒子(原子、原子核、质子、电子等)及强引力场(中子星、黑洞等)不再适用,无法正确描述这些物理现象。 4.北京正负电子对撞机是我国第一台高能加速器，可以将电子能量加速到 3.52×10-10 J（2.2 GeV）。按照牛顿力学，这个电子的速度是多大？这种情况下，牛 顿力学是否适用？为什么 ? 解析：按照牛顿力学,可以认为电子的能量就是动能,因此有 这个速度远大于光速,这是不可能的,因此牛顿力学并不适用于高能加速器中粒子的运动。 课堂小结 牛顿力学的局限性 牛顿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； 只适用于弱引力情况，不适用于强引力情况。 $