資源簡介

第六章 萬有引力與航天
經典力學的局限性
自然和自然的法則在黑暗中隱藏；上帝說，讓牛頓去吧！于是一切都被照亮。魔鬼說，讓愛因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。


亞里士多德：經驗主義：
必須有力作用在物體上物體才能運動
伽利略：理想實驗（斜面）：
物體保持運動不需要力維持

笛卡爾：如果運動中物體沒受到力，
將以同一速度沿以直線運動。

牛頓：牛頓定律（慣性定律，
加速度定律，作用反作用定律）

牛頓運動定律
一、經典力學的發展過程


哥白尼：日心說
第谷：20年精心觀測數據
開普勒研究第谷數據得三個定律
胡克、哈雷進一步認識
牛頓解決橢圓并延伸到萬物間有力
萬有引力定律
一、經典力學的發展過程
17世紀牛頓力學構成了體系。可以說，這是物理學第一次偉大的綜合。牛頓建立了兩個定律:一個是運動定律,一個是萬有引力定律，并發展了變量數學微積分，具有解決實際問題的能力。他開拓了天體力學，海王星和冥王星的發現就充分顯示了這一點 .
經典力學的基礎是牛頓運動定律,萬有引力定律更確立了牛頓的地位,牛頓運動定律和萬有引力定律在宏觀、低速、弱引力的廣闊領域,經受實踐檢驗。
由牛頓力學定律導出的動量守恒定律、機械能守恒律等是航空航天技術理論的基礎。火箭、人造地球衛星、航天飛機、宇宙飛船、行星探測器等航天器的發射,都是牛頓力學規律的應用范例……
經
典
力
學
的
成
就
和
局
限
性
二、經典力學遇到的兩朵烏云
1、邁克爾遜莫雷實驗測得光速是不變的。
經典力學不能解決高速運動問題（接近光速）
2、黑體輻射出的能量不是連續的
經典力學不能解釋微觀領域中物質結構和能量不連續的現象
火車
從地面上物體的運動到天體的運動，從現代的交通工具到人造衛星、宇宙飛船等，這些運動都需要服從經典力學的規律。
飛機
宇宙飛船
如：在一個無限大的光滑水平面上，有一質量為m的物體，在一個水平恒力F的作用下，從靜止開始運動。根據牛頓第二定律可知物體將以加速度a=F/m做勻加速直線運動。
由運動學公式可知：物體的速度v=at
推理：隨著時間的推移，物體的速度不斷增大，最終可使物體獲得任意速度。但事實并非如此，常識告訴我們，物體運動速度是有極限的，現在已知的最大速度是光速，且現在也無法使物體運動超越這個速度。速度遠小于光速時，經典力學完全適用。當物體的速度接近光速時，經典力學就不適用了。









































F
m
（一）、經典力學受速度限制的分析
根據質點的運動規律，應用牛頓力學可以準確地預測質點在某時刻的位置和速度。
到了19世紀末，面對高速運動的微觀粒子發生的現象，經典力學遇到了困難.在新事物面前，愛因斯坦打破了傳統的時空觀，于1905年發表了題為《論運動物體的電動力學》的論文，提出了狹義相對性原理和光速不變原理，創建了狹義相對
論.狹義相對論一深奧難懂著稱，并且他的出
現，使整個世界都處于震驚和爭論之中，
相對論時空觀:
（1）同時是相對的
（3）動尺變短
（4）運動的物體質量變大
（1）不同慣性參考系，物理規律相同
1、兩條基本假設：
（2）任何慣性系，光速不變
2、狹義相對論結論：
（2）動鐘變慢
時間、長度和質量這三者都與參考系的運動有關。
天上一天，地上一年
一個跟頭十萬八千里
　 經典時空觀 狹義相對論時空觀
光速 　 　
同時 　 　
時間與空間 　 　
質量 　 　
相對的
絕對的(不變)
絕對的
與運動無關,絕對的
與運動無關,不變的
相對的
與運動有關,相對的
隨速度增加而增大
經典時空觀與相對論時空觀
（二）、經典力學在分析宏觀與微觀的困難
第二次革命的導火索是物理學史上的三大發現:倫琴發現X射線、湯姆生發現電子 、貝克勒耳發現天然放射線,使物理學的研究從宏觀領域進入了微觀世界。人們發現,微觀粒子所表現出的現象用經典物理理論根本無法解釋。
倫琴發現X射線
湯姆生發現電子
貝克勒耳發現
天然放射線
宏觀領域
微觀世界
























小球穿越略大于球的孔
根據質點的運動規律，應用牛頓力學可以準確地預測質點在某時刻的位置
電子云
電子有波粒二象性，它不像宏觀物體的運動那樣有確定的軌道，因此畫不出它的運動軌跡。我們不能預言它在某一時刻究竟出現在核外空間的哪個地方，只能知道它在某處出現的機會有多少。為此，就以單位體積內電子出現幾率，即幾率密度大小，用小白點的疏密來表示。小白點密處表示電子出現的幾率密度大，小白點疏處幾率密度小，看上去好像一片帶負電的云狀物籠罩在原子核周圍，因此叫電子云。
經典力學難以解釋微觀粒子的運動:
科學家們發現,電子、質子、中子等微觀粒子不僅具有粒子性,同時還具有波動性,它們的運動在很多情況下不能用經典力學來說明。20世紀20 年代量子力學的出現,才很好地揭示了微觀世界的基本規律。
經典力學(牛頓運動定律)在宏觀世界中成立(適用),微觀世界不適用。
普朗克創立量子力學
1.宏觀世界粒子的運動特點：
粒子具有確定的運動軌跡，根據質點的運動規律，應用牛頓力學可以準確地預測質點在某時刻的位置。
2.微觀粒子的運動特點：
就單個粒子來說，其運動沒有確定的運動軌跡，微觀粒子既有粒子性，又有波動性。
宏觀世界與微觀世界的區別
經典力學(牛頓運動定律)在宏觀世界中成立(適用),微觀世界不適用。
相對論和量子力學的出現，是否表示經典力學失去了意義?
相對論和量子力學的出現，說明人類對自然界的認識更加廣泛和深入，而不表示經典力學失去了意義．它只是使人們認識到經典力學有它的適用范圍：只適用于低速運動，不適用于高速運動，只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界。
歷史上的科學成就不會被新的科學成就所否定，而是作為某些條件下的局部情形，被包括在新的科學成就之中．如：當物體的速度遠小于光速c(3×108m/s)時，相對論與經典理論的結論沒有區別；當另一個重要常數即“普朗克常數”h(6.63×10-34J·s)可以忽略不計時．量子力學和經典力學的結論沒有區別．相對論和量子力學都沒有否定過去的科學。
閱讀課本第50頁，歸納牛頓萬有引力定律與愛因斯坦引力理論的主要差異：
三、強引力作用下出現的問題
（1）牛頓的萬有引力定律認為：物體的半徑減小時，其表面上的萬有引力與半徑的二次方成反比地增大，對于半徑接近于零質點的物體，其表面上的萬有引力接近于無窮大.
（2）愛因斯坦理論認為：物體的半徑減小時，其表面上的萬有引力比二次方成反比規律增大得快，引力趨于無窮大發生在接近一個“引力半徑”的時候.
（3）只要天體的實際半徑遠大于它們的引力半徑，那么由愛因斯坦和牛頓引力理論計算出的力的差異并不很大，但當天體的半徑接近引力半徑時，這種差異將急劇增大，這就是說，在強引力的情況下，牛頓引力理論將不再適用.
牛頓萬有引力定律與愛因斯坦引力理論的主要差異：
物體間的萬有引力是弱引力，經典力學適用

天體半徑減小到一定程度時, 天體間的引力非常大 ，屬于強引力。經典力學不再適用。
愛因斯坦廣義相對論

三、強引力作用下出現的問題
經典力學

弱引力
低速
宏觀
強引力
高速
微觀

廣義相對論

狹義相對論

量子力學
相對論、量子力學和經典力學的關系：
互為補充，互不矛盾，互不否定共同支撐起物理學科的骨架。
小結：經典力學的適用范圍
空間彎曲 黑洞 時空穿梭
《物理世界奇遇記》
謝謝
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萬有引力與航天
第6節 經典力學的局限性
一、不定項選擇
1. 經典力學不能適用于下列哪些運動(　　)
A. 火箭的發射 B. 宇宙飛船繞地球的運動
C. “勇氣號”宇宙探測器在火星著陸 D. 微觀粒子的波動性
2. 關于經典力學和量子力學，下列說法中正確的是(　　)
A. 不論是對宏觀物體，還是微觀粒子，經典力學和量子力學都是適用的
B. 量子力學適用于宏觀物體的運動；經典力學適用于微觀粒子的運動
C. 經典力學適用于宏觀物體的運動；量子力學適用于微觀粒子的運動
D. 上述說法都是錯誤的
3. (多選)關于經典力學、相對論與量子論的說法正確的是 (　　)
A. 當物體的速度接近光速時，經典力學就不適用了
B. 相對論和量子力學的出現，使經典力學失去了意義
C. 量子力學能夠描述微觀粒子運動的規律性
D. 萬有引力定律也適用于強相互作用力
4. (多選)物理學的發展豐富了人類對物質世界的認識，推動了科學技術的創新和革命，促進了物質生產的繁榮與人類文明的進步，下列表述正確的是(　　)
A. 牛頓發現了萬有引力定律 B. 牛頓通過實驗證實了萬有引力定律
C. 相對論的創立表明經典力學已不再適用 D. 愛因斯坦建立了狹義相對論，把物理學推進到高
5．牛頓定律不適用于下列哪些情況(　　)
A．研究原子中電子的運動
B．研究“神舟十號”飛船的高速發射
C．研究地球繞太陽的運動
D．研究飛機從北京飛往紐約的航線
6．在日常生活中，我們并沒有發現物體的質量隨著物體運動速度的變化而變化，其原因是(　　)
A．運動中物體無法稱量質量
B．物體的速度遠小于光速，質量變化極小
C．物體的質量太大
D．物體的質量不隨速度的變化而變化
7．（多選）物理學的發展豐富了人類對物質世界的認識，推動了科學技術的創新和革命，促進了物質生產的繁榮與人類文明的進步，下列表述正確的是(　　)
A．牛頓發現了萬有引力定律
B．牛頓通過實驗證實了萬有引力定律
C．相對論的創立表明經典力學已不再適用
D．愛因斯坦建立了狹義相對論，把物理學推進到高速領域
8．對于時空觀的認識，下列說法正確的是(　　)
A．相對論給出了物體在低速運動時所遵循的規律
B．相對論具有普遍性，經典物理學為它在低速運動時的特例
C．相對論的出現使經典物理學在自己的適用范圍內不再繼續發揮作用
D．經典物理學建立在實驗的基礎上，它的結論又受到無數次實驗的檢驗，因此在任何情況下都適用
9、（多選）下列服從經典力學規律的是(　　)
A.自行車、汽車、火車、飛機等交通工具的運動
B.發射導彈、人造衛星、宇宙飛船
C.物體運動的速率接近于真空中的光速
D.地殼的變動
10、（多選）關于經典力學和狹義相對論，下列說法中正確的是(　　)
A.經典力學只適用于低速運動，不適用于高速運動(速度接近于真空中的光速)
B.狹義相對論只適用于高速運動(速度接近于真空中的光速)，不適用于低速運動
C.經典力學既適用于低速運動，也適用于高速運動(速度接近于真空中的光速)
D.狹義相對論既適用于高速運動(速度接近于真空中的光速)，也適用于低速運動

















答案與解析
1.【答案】D
【解析】經典力學適用于宏觀物體的低速運動，故經典力學對A、B、C都能適用，對D不適用。
2.【答案】C
【解析】 經典力學適用于低速運動、宏觀物體，不適用于高速、微觀粒子。量子力學不適用于宏觀物體，適用于微觀粒子，故選項C正確。
3.【答案】AC
【解析】經典力學只適用于低速宏觀的物體，故A正確；相對論和量子力學的出現，并沒有否定經典4.【答案】AD【解析】萬有引力定律是牛頓發現的，但在實驗室里加以驗證是卡文迪許進行的，A對、B錯；相對論并沒有否定經典力學，經典力學對于低速、宏觀運動仍適用，C錯；狹義相對論的建立，是人類取得的重大成就，從而把物理學推到更高領域，D對。
5【答案】A

6.【答案】B
【解析】日常生活中見到的物體的速度都很小，由m＝可知，當v?c時，m≈m0，故B選項正確．
7.【答案】AD
【解析】萬有引力定律是牛頓發現的，但在實驗室里加以驗證是卡文迪許進行的，A對，B錯．相對論并沒有否定經典力學，經典力學對于低速、宏觀運動仍適用，C錯．狹義相對論的建立，是人類取得的重大成就，從而把物理學推到更高領域，D對．
8.【答案】B

9.ABD
10.AD









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第六章 萬有引力與航天
第6節 經典力學的局限性
【學習目標】
（1）知道經典力學的局限性和適用范圍.
（2）了解經典力學在科學研究和生產技術中的廣泛應用；
（3）初步了解微觀和高速世界中的奇妙現象
（4）知道相對論、量子力學和經典力學的關系.
【重點難點】
1.牛頓運動定律的適用范圍。
2.高速運動的物體，速度和質量之間的關系。
【課前預習】
1．20世紀初，著名物理學家愛因斯坦提出了 ，改變了經典力學的一些結論．在經典力學中，物體的質量是 的，而相對論指出質量隨著速度變化而 若一個物體靜止時的質量為，則當它以速度運動時，共質量m= 。
2.每一個天體都有一個引力半徑，半徑的大小由 決定；只要天體實際半徑 它們的引力半徑，那么由愛因斯坦和牛頓引力理論計算出的力的差異 。但當天體的實際半徑接近引力半徑時，這種差異 。
3.19世紀末和20世紀以來，物理學的研究深入到 ，發現 、 、
等微觀粒子不僅有、 ，而且有 ，它們的運動規律不能用經典力學來說明。
4..經典力學的適用范圍
(1)經典力學有它的適用范圍：只適用于 運動，不適用于 運動；只適用于 世界，不適用于 世界；只適用于 情況，不適用于 情況.
(2)對于高速運動(速度接近真空中的光速)，需要應用愛因斯坦的相對論.當物體的運動速度遠小于真空中的光速時，相對論物理學與經典物理學的結論沒有區別.
(3)對于微觀世界，需要應用量子力學.當普朗克常量可以忽略不計時，量子力學和經典力學的結論沒有區別.
(4)對于強引力情況，需要應用愛因斯坦引力理論.當天體的實際半徑遠大于它們的引力半徑時，愛因斯坦引力理論和牛頓萬有引力定律計算出的力的差異并不很大.


本節學習了經典力學的局限性：
【合作探究一】閱讀課本P48的1-3段，說出經典力學的成就



【合作探究二】閱讀課本P48-50的“從低速到高速”內容，思考并小組討論下面的問題：
1.在經典力學和狹義相對論中，物體的質量有何不同？


2.在經典力學和狹義相對論中，位移和時間的測量結果在不同參考系中有何區別？



【合作探究三】閱讀課本P50的“從宏觀到微觀”內容，寫出經典力學的適用范圍是什么？



【合作探究四】閱讀課本P50-51的“從弱引力到強引力”內容，思考并小組討論下面的問題：
經典力學與行星軌道的矛盾是什么？
由經典力學與行星軌道的矛盾說明了什么？
3.歸納牛頓萬有引力定律與愛因斯坦引力理論的主要差異.
4.經典力學和相對論及量子力學的關系如何？





[課堂總結]：
經典力學的局限性
(1)從低速到高速：在經典力學中，物體的質量m是不隨運動狀態改變的，而狹義相對論指出，質量要隨著物體的運動速度的增大而增大．即
(2)從宏觀到微觀：相對論和量子力學的出現，并不說明經典力學失去了意義．只說明它有一定的適用范圍：只適用于低速運動，不適用于高速運動；只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界．
(3)從弱引力到強引力：相對論物理學與經典物理學的結論沒有區別．相對論與量子力學
都沒有否定過去的科學，而只是認為科學在一定條件下有其特殊性．經典力學只適用于弱引力，不適用于強引力．
【課堂訓練】
1．下列說法中正確的是（ ）
A．經典力學適用于任何情況下的任何物體
B．狹義相對論否定了經典力學
C．量子力學能夠描述微觀粒子運動的規律性
D．萬有引力定律也適用于強相互作用力
2．經典力學不能適用下列哪些運動（ ）
A．火箭的發射 B．宇宙飛船繞地球的運動
C．“勇氣號”宇宙探測器 D．微觀粒子的波動性
3．對于下列說法正確的是（ ）
A．經典力學的質量是不變的
B．經典力學的時間和空間是獨立于物體運動的
C．愛因斯坦的狹義相對論研究的是物體在低速運動時所遵循的規律
D．愛因斯坦的狹義相對論研究的是物體在高速運動時所遵循的規律
4．下列說法正確的是（ ）
A．微觀粒子的運動速度超過光速，因此經典力學不適用
B．微觀粒子的質量是不確定的，因此經典力學不適用
C．微觀粒子具有波粒二象性，因此經典力學不適用
D．量子力學僅適用于微觀粒子的運動
5．對于公式m＝，下列說法中正確的是(　　)
A．式中的m是物體以速度v運動時的質量
B．當物體的運動速度v>0時，物體的質量m>m0，即物體的質量改變了，故經典力學不適用，所以是不正確的
C．當物體以較小速度運動時，質量變化非常小，經典力學理論仍然適用，只有當物體以接近光速的速度運動時，質量變化才明顯，故經典力學適用于低速運動，而不適用于高速運動物體
D．通常由于物體的運動速度太小，故質量的變化引不起我們的感覺，在分析地球上物體的運動時，不必考慮質量的變化
6．經典力學只適用于“宏觀世界”，這里的“宏觀世界”是指（ ）
A．行星、恒星、星系等巨大的物質領域
B．地球表面上的物質世界
C．人眼能看到的物質世界
D．不涉及分子、原子、電子等微觀粒子的物質世界
7．關于經典力學和量子力學，下面說法中正確的是（ ）
A．不論是對宏觀物體，還是微觀粒子，經典力學和量子力學都是適用的
B．量子力學適用于宏觀物體的運動；經典力學適用于微觀粒子的運動
C．經典力學適用于宏觀物體的運動；量子力學適用于微觀粒子的運動
D．經典力學是量子力學在一定條件下的特殊情形








答案：
【課前預習】
1.相對論 不變 變化的
2.天體的質量；遠大于；并不很大；將急劇增大
3.微觀世界 電子 質子 中子 粒子性 波動性
4.低速 高速 宏觀 微觀 弱引力 強引力
【合作探究一】答案　1.經典力學的基礎是牛頓運動定律.牛頓運動定律和萬有引力定律在宏觀、低速、弱引力的廣闊區域，包括天體力學的研究中，經受了實踐的檢驗，取得了巨大的成就.
2.牛頓運動三定律和萬有引力定律把天體的運動與地面上物體的運動統一起來，是人類對自然界認識的第一次大綜合，是人類認識史上的一次重大飛躍.
【合作探究二】答案　1.在經典力學中，物體的質量不隨運動狀態的改變而改變，而在狹義相對論中，質量要隨著物體運動速度的增大而增大.
2.在經典力學中，同一過程的位移和時間的測量結果在不同參考系中是相同的；在狹義相對論中，同一過程的位移和時間的測量結果在不同參考系中是不同的.
【合作探究三】答案　適用于宏觀世界、低速運動.
【合作探究四】答案　按牛頓的萬有引力定律推算，行星應該沿著一些橢圓做周期性運動，而天文觀測表明，行星的軌道并不是嚴格閉合的，它們的近日點在不斷地旋進，如水星的運動.
答案　經典力學只適用于弱引力場，而不適用于強引力場.
答案　牛頓萬有引力定律與愛因斯坦引力理論的主要差異：
(1)行星的運動，在近日點和遠日點，引力的變化規律不完全相同，導致軌道不閉合、近日點旋進.
(2)牛頓的萬有引力定律認為：物體的半徑減小時，其表面上的萬有引力與半徑的二次方成反比地增大，對于半徑接近于零的物體，其表面上的萬有引力接近于無窮大.
愛因斯坦引力理論認為：物體的半徑減小時，其表面上的萬有引力比“平方反比”規律增大得快，引力趨于無窮大發生在接近一個“引力半徑”的時候.
只要天體的實際半徑遠大于它們的引力半徑，那么由愛因斯坦引力理論和牛頓引力理論計算出的引力的差異并不很大，但當天體的半徑接近引力半徑時，這種差異將急劇增大，也就是說，在強引力的情況下，牛頓引力理論將不再適用.
答案　經典力學是相對論及量子力學在一定條件下的特例，它包含于相對論和量子力學中，相對論和量子力學的建立并沒有否定經典力學.
【課堂練習】
1．C
2．D
3．ABD
4．C
5．ACD
6．D
7．CD










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