牛顿力学的局限性
牛顿力学的发展历程
牛顿力学的发展历程牛顿力学，也被称为经典力学，是自然科学中最重要的分支之一，它以英国科学家艾萨克·牛顿的名字命名。
牛顿力学揭示了物体受力时的运动规律，奠定了现代物理学的基础。
在发展历程中，牛顿力学经历了不断的突破与完善，并且对自然界的认知做出了深刻的贡献。
1. 牛顿的三大定律牛顿力学的历程始于17世纪末，当时牛顿提出了著名的三大定律。
第一定律，也被称为惯性定律，指出物体在无外力作用下保持匀速直线运动或保持静止。
第二定律，也被称为动量定律，提出了物体受力时的加速度与施加在物体上的力成正比的关系。
第三定律则阐述了作用力与反作用力的互相作用，任何力都会有一个相等大小、方向相反的反作用力。
2. 牛顿力学的成功应用牛顿的三大定律不仅仅是理论上的成果，还成功地应用于解释和预测物体的运动。
牛顿力学的发展极大地推动了现代工程和科学的进步。
例如，它为火箭航天和卫星轨道设计提供了关键性的计算手段。
同时，牛顿力学的推导也为汽车、飞机以及其他运输工具的设计与运用提供了指导。
通过这样的成功应用，牛顿力学为人类社会带来了巨大的变革。
3. 牛顿力学的局限性然而，牛顿力学在一些特殊情况下显示出了一定的局限性。
例如，当物体的速度接近光速时，牛顿力学的适用性就不再明显。
这促使着科学家们寻找更加精确的理论描述自然界。
这一发展推动了爱因斯坦的相对论的诞生，相对论在高速运动情况下能够更准确地描述物体的运动规律。
4. 牛顿力学的延伸与发展尽管牛顿力学有其局限性，但它仍然是理解大部分日常生活中和工程问题的最有效工具之一。
牛顿力学为人们提供了一种直观的物理模型，能够简化诸如运动、碰撞等复杂问题的分析。
其数学模型被广泛地应用于科学研究、工程设计、天体物理学等领域。
5. 牛顿力学的传承与教育为了传承牛顿力学的理论和方法，力学成为大学物理学课程的重要组成部分。
在学习中，学生将通过实验和问题解决等方式，探索和理解牛顿力学的基本原理。
此外，学者们也通过深入研究和突破传统框架，不断完善牛顿力学的理论基础和应用方法。
第二十二天相对论时空观与牛顿力学的局限性
第二十二天：相对论时空观与牛顿力学的局限性相对论时空观与牛顿力学的局限性的内容的考点：1、经典力学的局限性；2、经典相对性原理；3、狭义相对论的两个基本假设；4、“同时”的相对性；5、长度的相对性；6、时间间隔的相对性及其验证；7、相对论速度变换公式；8、相对论质量。
知识点1：相对论时空观与牛顿力学的局限性一、牛顿力学时空观绝对时空观（牛顿力学时空观）：时间和空间都是独立于物体及其运动而存在的。
该观点认为时间和空间是相互独立的。
不同参考性系之间的速度变换关系满足伽利略变换，比如河中的水以相对于岸的速度v 水岸流动，河中的船以相对于水的速度v 船水顺流而下，则船相对于岸的速度为v 船岸＝v 船水＋v 水岸。
二、相对论时空观19世纪，英国物理学家麦克斯韦根据电磁场理论预言了电磁波的存在，并证明电磁波的传播速度等于光速c 。
1887年迈克耳孙—莫雷实验以及其他一些实验表明：在不同的参考系中，光的传播速度都是一样的！这与牛顿力学中不同参考系之间的速度变换关系不符。
爱因斯坦两个假设：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的；真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。
相对论的两个效应：时间延缓效应：如果相对于地面以v 运动的惯性参考系上的人观察到与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为Δτ，地面上的人观察到该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为Δt ，那么两者之间的关系是Δt ＝Δτ1－(v c )2。
Δt 与Δτ的关系总有Δt ＞Δτ，即物理过程的快慢(时间进程)与运动状态有关。
长度收缩效应：如果与杆相对静止的人测得杆长是l 0，沿着杆的方向，以v 相对杆运动的人测得杆长是l ，那么两者之间的关系是l ＝l 01－(v c)2。
l 与l 0的关系总有l ＜l 0，即运动物体的长度(空间距离)跟物体的运动状态有关。
低速运动：通常所见物体的运动，如投出的篮球、行驶的汽车、发射的导弹等物体皆为低速运动物体。
牛顿力学和经典物理学的局限性
牛顿力学和经典物理学的局限性当我们站在今天的角度回顾牛顿力学和经典物理学时，我们会发现这些理论虽然在当时是非常先进的，但是它们与现代的观点和理论有很大的差距和局限性。
这些局限性包括但不限于以下几个方面。
首先，牛顿力学是一种宏观物理学理论，只适用于大尺度物体的运动。
它假设物体可以被视为质点，并以牛顿三定律为基础。
但是，当物体处于微观层面时，它们则表现出非常不同的特性，这需要使用量子力学来描述。
例如，波粒二象性和量子纠缠现象在牛顿力学中无法解释。
其次，经典物理学理论中存在的一个重要问题是无法解释引力真正的本质，即场。
牛顿力学假定引力是一种瞬时的吸引力，但是爱因斯坦的广义相对论则将引力看作是宇宙中的空间-时间弯曲。
这允许我们正确描述了黑洞、双星系统中产生的引力波，同时也对现代宇宙学的研究提供了深刻的见解。
另外，经典物理学中还存在的一个问题是无法描述光电效应和光谱。
这需要使用光的波粒二象性，这一概念在牛顿力学中是不应用的。
这使得光的行为不能用经典物理学来解释，只有使用量子力学的概念才能更好地描述。
此外，在牛顿力学和经典物理学中，存在一个称为熵增加的问题：在任何封闭系统中，熵的增加是不可逆的。
这预示了热力学第二定律，强烈陈述了热力学实体和不可追踪的不可逆本质。
但是，熵增加仍然是一个开放性的问题。
对于封闭系统的大系统，熵增长是不可避免的，但可能存在新的更准确的方法来理解它。
最后，牛顿力学和经典物理学也不能很好地解释低温物理学中的现象。
传统的热力学平衡假设适用于高温下的物质，但是在低温下，物质表现出非常不同的性质。
这需要使用量子力学和凝聚态物理学来描述。
在总结中，我们可以看到牛顿力学和经典物理学的局限性并不是因为这些理论本身有问题，而是因为这些理论只能适用于特定条件下的现象。
而随着物理学的不断发展和创新，人们对宇宙和物质的认识也在不断深入和改变。
从这个意义上说，物理学的发展也进一步说明了人类的认知极限和进化。
高中物理【相对论时空观与牛顿力学的局限性】优秀课件
返回导航 上页 下页
相对论时空观与牛顿力学的局限性
人教物理必修第二册
返回导航 上页 下页
学习目标要求
核心素养和关键能力
1.知道爱因斯坦的两条假设，了解时间延
缓效应、长度收缩效应，认识牛顿力学的
成就与局限性。
1.物理观念：爱因斯坦
2.知道牛顿力学的适用范围，认识物理学 的相对论。
中理论的相对稳定性，要有质疑精神。 2.科学思维：质疑与实
返回导航 上页 下页
[解析] 牛顿力学只适用于低速宏观的物体，故A正确；相对论和量子 力学的出现，并没有否定牛顿力学，只是说牛顿力学有一定的适用范 围，故B错误；量子力学描述了微观粒子运动的规律性，故C正确；万 有引力定律只适用于弱相互作用力，而对于强相互作用力是不适用 的，故D错误。
人教物理必修第二册
人教物理必修第二册
返回导航 上页 下页
[思路点拨] 解此题的关键是理解公式 l＝l0 符号的意义。
1－vc22、Δt＝
Δ1－τ vc22中各
人教物理必修第二册
返回导航 上页 下页
[答案] (1)30 m (2)30 m (3)26 m (4)1 min [解析] 火箭上的人相对火箭永远是静止的，无论火箭速度是多少，火 箭上的人测得的火箭的长与静止时测得的火箭的长均是 l＝30 m，而火 箭外面的观察者看火箭时，有相对速度 v，则它的测量值要缩短，即 l′ ＜l，由 l＝l0 1－vc22得，当 v＝3×103 m/s 时，l′＝30× 1－10－10 m≈30 m，当 v＝2c时，l′≈26 m。火箭上时间 Δτ＝1 min，火箭的速度
人教物理必修第二册
返回导航 上页 下页
2．爱因斯坦假设中的主要效应
相对论时空观与牛顿力学的局限性(高中物理教学课件)
二.牛顿力学的局限性
1.牛顿力学的局限性： 高速不适用狭义相对论（时间变慢，长度变短，质量 变大） 微观不适用量子力学（微观粒子不仅具有粒子性，同 时还具有波动性。） 强引力场不适用广义相对论（时空弯曲）
还有相对论无法解释的现象：宇宙中存在暗物质约25%，暗能量 约70%，我们看到和探测到的的物质世界只占宇宙的5%
史上最牛合照，没有之一
德 拜
朗 缪 尔
皮
亨
卡
利
尔
奥
德
特
埃
伦
顿
费
赫
德
斯
尔
尔
特
岑
克 努 森普
朗 克
布 拉 格居
里 夫 人
克 莱洛 默仑 斯兹
狄 拉 克爱
因 斯 坦
维 夏 薛菲 定尔 谔特
海 森 泡堡 利
康 普 顿朗
之 万
德 布 罗古 意伊
玻 恩威
尔 逊
福 勒
布 里 渊
玻 尔
理 查 森
1927年第5届索尔维会议合照
动尺变短，长度收缩
l0
l0 v
B
l
v 1 v 2
l
l0
c
1 v 2 c
一.相对论时空观
t
1 v 2 c
l l0
1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
v
2
c
动钟变慢，时间膨胀 动尺变短，长度收缩
5.相对论时空观：两式表明运动物体的长度（空 间距离）和物理过程的快慢（时间进程）都跟物 体的运动状态有关。这个结论具有革命性的意义， 它所反映的时空观称作相对论时空观。
这与牛顿力学中不同参考系之间的速度变换关系不符。
一.相对论时空观
牛顿力学的应用与局限性
牛顿力学的应用与局限性在物理学中，牛顿力学被广泛应用于描述物体运动规律和力的作用。
然而，尽管牛顿力学在很多领域都非常有效，但它也存在一些局限性。
本文将探讨牛顿力学的应用以及其局限性。
一、牛顿力学的应用牛顿力学是经典力学的基础，它广泛应用于许多领域，包括力学、天文学、航天学等等。
以下是牛顿力学应用的几个典型例子：1. 物体的运动描述牛顿力学可以用来描述物体在受力作用下的运动规律。
根据牛顿第二定律，物体受到的合力等于其质量乘以加速度，可以通过力学方程得到物体在不同受力情况下的加速度和位移。
2. 天体运动牛顿力学提供了解释天体运动的基本原理。
根据万有引力定律，任何两个物体之间都存在引力，其大小与物体质量和距离的平方成正比。
运用牛顿力学，我们可以计算行星、卫星等天体的轨道和运动规律。
3. 力学设计在工程领域，牛顿力学也被广泛应用于力学设计。
例如，在建筑和桥梁设计中，牛顿力学可以用来计算结构受力和变形情况，确保结构的稳定性和安全性。
二、牛顿力学的局限性尽管牛顿力学在许多情况下都非常准确和实用，但在某些特殊情况下，它的应用是有局限性的。
1. 极小尺度和高速情况在极小尺度（比如原子和亚原子尺度）和高速（接近光速）情况下，牛顿力学的效果开始变得不准确。
在这些情况下，需要使用量子力学和相对论力学来描述粒子的行为。
2. 弹性形变牛顿力学对于弹性形变的描述也存在局限性。
当物体受到较大的外力时，存在应力达到一定临界值的情况下永久变形的问题。
这时需要考虑材料的本构关系和塑性力学。
3. 非惯性系下的运动在非惯性系下的运动，也就是相对于非惯性系观察的运动，牛顿力学需要加入惯性力来解释物体的运动情况。
这时就需要引入非惯性系力学来进行描述。
三、结语牛顿力学作为经典物理学的基石，其应用范围非常广泛。
然而，我们也要意识到牛顿力学的局限性，特别是在极端情况下和特殊问题的处理上。
在这些情况下，我们需要运用其他物理学理论来更好地描述系统的行为。
牛顿力学的局限性
在巨人们的肩上。”
牛顿
经
典
笛卡尔、胡克、
力
哈雷等
学
金
开普勒
字
塔
伽利略、第谷
的
建 立
哥白尼、亚里士多德
亚里士多德 经验主义：必须有力作用在物体上 物体才能运动
伽利略 理想实验（斜面）： 物体保持运动不需要力维持
笛卡尔 如果运动中物体没受到力。 将以同一速度沿以直线运动。
牛顿 牛顿定律（惯性定律，
哥白尼：日心说 第谷：20年精心观测数据
万有引力定律 开普勒研究第谷数据得三个定律
胡克、哈雷进一步认识
牛顿解决椭圆并延伸到万物间有力
2牛顿主要贡献
牛顿
牛顿三定律 万有引力定律 变量数学微积分
• 二经典力学的局限性
1、经典力学受参考系限制
在惯性系中，牛顿定律成立; 在非惯性系中，牛顿定律不成立.
二、相对论的基本原理
1、相对性原理 t
t0
（1）相对时间
1
v c
2
（2）相对长度
L L0
1
v c
2
（3）相对质量 m
m0
2、光速不变原理
1
v c
2
惯性系非惯性系swf
2、经典力学受速度限制
（1）经典力学适用于低速运动的物体，不 适用于高速运动的物体
（2）牛顿力学的绝对时空观: 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.
（3 ）狭义相对论 狭义相对论适用于高速运动的物体
5.相对论时空观与牛顿力学的局限性
5．相对论时空观与牛顿力学的局限性[学习目标要求] 1.了解相对论时空观，知道时间延缓效应和长度收缩效应。
2.认识牛顿力学的成就、适用范围及局限性。
3.了解科学理论的相对性，体会科学理论是不断发展和完善的。
相对论时空观1．绝对时空观：时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的，也叫牛顿力学时空观。
2．爱因斯坦假设(1)在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的。
(2)真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。
3．时间延缓效应：Δt ＝Δτ1－⎝ ⎛⎭⎪⎫v c 2。
4．长度收缩效应：l ＝l 01－⎝ ⎛⎭⎪⎫v c 2。
5．相对论时空观：运动物体的长度(空间距离)和物理过程的快慢(时间进程)都跟物体的运动状态有关。
[判一判](1)在一切惯性系中不论沿任何方向，光速大小都是c 。
(√)(2)时间延缓效应是说时钟走得慢了。
(×)(3)长度的收缩效应表明物体真实长度变小。
(×)(4)汽车运动时没发现长度变化，故长度的收缩效应是错误的。
(×)牛顿力学的成就与局限性1．牛顿力学的成就：牛顿力学的基础是牛顿运动定律和万有引力定律，从地面上物体的运动到天体的运动，都服从牛顿力学的规律。
2．牛顿力学的局限性电子、质子、中子等微观粒子，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牛顿力学来说明。
3．牛顿力学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。
4．相对论物理学与牛顿力学的联系(1)当物体的运动速度远小于光速c时(c＝3×108 m/s)，相对论物理学与牛顿力学的结论没有区别。
(2)当另一个重要常数即普朗克常量h可以忽略不计时(h＝6.63×10－34 J·s)，量子力学和牛顿力学的结论没有区别。
(3)相对论与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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
牛顿力学的局限性
正是由于经典物理学取得了非凡的成就，给人们印象太深刻了，遂使有些科学家产生了错觉，认为巨大发现的时代业已过去。
这种悲观的论点在上世纪末相当流行。
具有典型意义的据称是著名物理学家迈克耳孙(A.A.Michelson)说过的一段话，“当然无法绝然肯定物理科学不再会有像过去那么惊人的奇迹，但非常可能的是大部分宏伟的基本原理业已确立，而今后的进展仅在于将这些原理严格地应用于我们所关注的现象上。
在这里测量科学的重要性就显示出来了——定量的结果比定性的结果更为可贵。
一位卓越的物理学家曾经说过，物理科学未来的真理将在小数点六位数字上求索”，(1898年芝加哥大学导学手册)。
值得注意，这类悲观论点，在20世纪科学的重大发展之后，又在本世纪末重新问世。
具有代表性的是美国资深科学记者霍根(J.Horgan)访问许多知名学者之后，写出了《科学的终结》一书，在断章取义地引述若干科学家的谈话之后，得出了荒谬的结论，不仅是物理学走向了穷途末路，而是一切自然科学都到了散场的地步，堪称为上一世纪末悲观论点变本加厉的新版本，其命运必将重蹈前者的覆辙。
富有洞见的是英国著名物理学家凯尔文(L.Kelvin)于1900年所作的演说。
他在对19
世纪物理学的成就表示满意的同时，提出了“在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云”。
这两朵乌云指的是：其一实验察觉不到物体和以太的相对运动；其二是气体多原子分子的低温比热不符合能量均分定理。
这两朵乌云迅速导致倾盆大雨，即相对论和量子论的两场物理学的革命。
19世纪的科学家不满足于用麦克斯韦方程组来解释电磁现象，热衷于采用机械模型来说明问题，即使是大师麦克斯韦本人也不例外。
以太被引入作为真空中传播电磁波的媒质。
迈克耳孙与莫莱(Morley)设计了精巧的实验来验证物体和以太的相对运动，取得了负的结果。
爱因斯坦提出了狭义相对论(1905年)，其物理洞见在于摒弃了不必要的以太假设，进而肯定电磁学的规律对于一切惯性参考系都是成立的，而且具有相同的形式，真空的光速不变，不同惯性系之间的变换关系为洛伦兹变换。
我们知道，牛顿力学也是对于惯性参考系才成立，而不同惯性系之间的变换关系为伽利略变换。
这样经典力学和经典电磁学之间就存在矛盾。
爱因斯坦肯定了经典电磁学，而对经典力学作了相应的修正，摒弃了牛顿的绝对的时空观，认为空间、时间与运动有关，并首创性地提出了质量与能量的对等关系，将牛顿力学修正后成功地应用于高速运动的情形。
牛顿力学的另一局限性表现在它不能圆满地解释强引力场中物体的运动，这从它无法定量地解释水星轨道近日点的进动问题而初露端倪。
另一带根本性的问题是它对万有引力的存在没有任何理论解释。
这些缺陷尚有待发展进一步的理论来弥补。
l916年，爱因斯坦的广义相对论应运而生。
这一理论的出发点在于肯定惯性质量与引力质量等同的等效原理(这己为实验所证实)，将非惯性参考系中观测到的惯性力与局域的引力等同起来。
进而提出一切参考系均有相同的物理规律这一广义相对性原理。
广义相对论成功地预言了一些效应，如强引力场中光线的弯曲，引力强度与光谱线频移的关系，并用空间的弯曲很自然地解释了引力的存在。
由于广义相对论是针对强引力场和大质量物体而提出来的，因而广泛应用于天体物理学，也构成了现代宇宙论的基础。
如果说相对论消除了经典物理学的内在矛盾并推广其应用范围，那么量子论就开启了微观物理学的新天地。
在l9世纪，化学家道尔顿提出了原子论，物理学家也提出原子-分子微观运动的概念来构筑分子动理学和统计物理学。
特别是著名物理学家玻尔兹曼在发展原子-分子运动理论，推动统计物理学的发展上作出了杰出的贡献。
但是这些工作受到马赫(E.Mach)与奥斯特瓦尔德(W.F. Ostoold)等人从实证论哲学观点的质疑。
按照实证论的观点，只有为人们所感知的事物是存在的。
而当时由于显微术观测条件的制约，原子与分子都无法直接看到，因而有关的理论受到实证论者的否定。
玻尔兹曼为捍卫原子-分子理论进行了激烈的争辩。
爱因斯坦于1905年提出布朗运动的理论，为分子运动的图像提供了有力的旁证。
随后,佩兰(J.B.Perrin)的实验观测提供了更加确凿的证据。
在明确了宏观世界之外存在有微观世界后，进一步的问题在于探索微观世界的物理规律。
上世纪90年代中叶后，有一系列重要发现，对这方面的研究起了很大促进作用：1895年，伦琴发现了X射线，随后X射线成为揭示物质的微观结构的重要工具；1896年贝克勒尔发现了放射性，随后居里夫妇发现了强放射性元素镭，卢瑟福确认了a,β,γ射线的本质，这些工作揭开了原子核科学研究的序幕。
l897年,汤姆孙发现了电子，这是最早发现的一种基本粒子，随后也被作为重要的工具应用于研究物质的微观结构，而操纵电子的器件成为现代信息技术的基础。
作出这些重大发现的科学家也都获得了新世纪初诺贝尔奖的桂冠。
如果说证实原子与分子的存在就意味着揭示物质结构在微小尺度上具有不连续性，那么早期量子论则揭示了能量在微小尺度上的不连续性。
1900年,普朗克为拟合黑体能量分布的实验数据，在经典物理学的理论无效之后，挺而走险，提出了包括作用量子h的量子论。
随后，1905年，爱因斯坦根据光电效应存在能量阈值的规律提出了在物理上更明确的具有能量为hv的光子这一种基本粒子。
1911年，卢瑟福根据金箔对于a粒子的散射实验结果，提出了
有核的原子模型：正电荷集中在原子核这一微小区域之内，而外围则为电子所环绕。
1913年,玻尔提出了量子论的原子模型，认为原子中的电子处于确定的轨道上,处于定态，在定态之间的量子跃迁则导致发光。
玻尔用这种半经典的量子理论相当满意地解释了氢原子的线系光谱，面对着更复杂的原子光谱问题就遇到了困难。
科学家需要改弦易辙，发展更全面的量子理论。
1924年,德布罗意正确地指出，正如电磁波也具有粒子性质(光子)，而具有粒子性质的电子等也将具有波动性。
1925-1926年,海森伯与薛定谔分别完成了量子力学的两种表述，矩阵力学与波动力学,强调了波动与粒子的二象性。
电子衍射的实验结果证实了电子具有波动性，而量子力学的理论全面地解读了纷纭繁复的原子光谱实验结果,一举解决了原子结构的问题。
随后狄拉克将非相对论的薛定谔方程推广到(狭义)相对论的情形，建立了狄拉克方程，为量子力学作了重要的补充。
这样，微观世界的物理规律终于确立。