经典力学的巨大成就和局限性

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1、 经典力学的巨大成就和局限性 【学习目标】 1、了解经典力学的进展历程， 明白经典力学进展历程中有哪些物理学家作出了突出贡献 2、了解经典力学所取得的伟大成就及其对当时自然科学、 社会进展的妨碍 3、认识经典力学的局限性和适用范围 【学习重点】 1、了解经典力学所取得的伟大成就及其对当时自然科学、 社会进展的妨碍 2、认识经典力学的局限性和适用范围 【知识点导学】 经典力学：也叫牛顿力学，要紧研究宏观物体机械运动的规律。牛顿在伽利略等人工作的基础上， 把地面上的物体的运动和行星 的运动综合起来进行了深入地研究， 发明

2、了机械运动的差不多规律— —牛顿运动三定律和万有引力定律。 其不朽名著《自然哲学的数学原理》，为经典力学奠定了基础。 【一】《自然哲学的数学原理》——一座永垂不朽的纪念碑 1、牛顿的《自然哲学的数学原理》 ，是一部奠定了经典力学基础的划时代的著作。它对近现代科学和科学哲学的进展产生了无与伦比的妨碍，是自然科学史上的一座伟大的丰碑。 2、《自然哲学的数学原理》简介 第一部分：“定义和注释”、“运动的差不多定律和定理” 〔包括三个运动定律〕。 第二部分：是这些定律、定理的应用，共三卷： 卷Ⅰ：讨论万有引力定律和行星的运动 卷Ⅱ：对流体力学的开创性研究

3、 卷Ⅲ：总题目是“论宇宙系统” ，是天体力学和宇宙系统的开拓性研究 3、法国闻名天文学家、天体力学家拉普拉斯对《自然哲学的数学原理》的评价 《自然哲学的数学原理》 将成为一座永垂不朽的深邃智慧的纪念碑，它向我们展示了最伟大的宇宙定律。 这部著作是高于人类一切其他思想产物的杰作。 那个简单而普遍的定律的发明， 因它囊括对象之巨大和多样，给予人类智慧乙以光荣。 【二】经典力学的巨大成就 1、牛顿运动三定律和万有引力定律把天体的运动与地上物体的 运动统一起来， 是人类对自然界认识的第一次大综合， 是人类认识史 上的一次重大飞跃。 2、作为经典

4、力学的基础，在建立后的 200 多年里，几乎统治了物理学的各个领域。并取得了巨大成就。 3、经典力学是最早形成的物理理论，后来的许多理论，无不受到经典力学的妨碍，包括相对论和量子力学。 【三】经典力学方法论的意义 1、经典力学方法的典型确实是伽利略和牛顿的研究方法。 2、伽利略的方法：开创了将实验、逻辑〔数学〕相结合的方法，即“自然数学化”的方法。他不仅通过实验进行观看和测量，而且用理想实验的方法进行推理 3、牛顿的方法：是指“归纳—演绎法” 。第一个大量使用数学方法系统地整理物理学理论的， 确实是牛顿。 他的方法与一般演绎法的不同之处在于：演绎的结果必须诉诸实验

5、验证。 牛顿的《自然哲学的数学原理》 为以后物理理论的建立树立了一个典范，极大地促进了物理学的进展。 【四】经典力学的局限性 1、机械决定论：经典力学的巨大成就，促使人们用力学观点去 理解自然，把一切自然现象都归结为“机械决定论” 。一切形式的运 动基本上机械位移和碰撞的结果〔包括生命运动〕 。主张自然界是由 完全相同的微粒组成的， 自然界的千差万别， 只是微粒的数量和空间 排列不同。 牛顿曾说：“自然界的一切现象，全都能够依照力学的原理，用相似的推理一一演绎出来。 ” 2、经典力学的时空观：即机械论的时空观，牛顿认为空间和时间是不依赖人大

6、意识而存在，即认为时间和空间是绝对的。具体讲，确实是时间和空间是互不相干， 而且与物质的运动无关。 这种时空观也称“绝对时空观。 3、“两朵小小的乌云” 19 世纪末，在经典力学基础上进展起来的经典物理学，大概到 了尽善尽美的程度。 闻名物理学家威廉 汤姆生踌躇满志地宣布：“科学大厦差不多差不多建成” ，“后辈物理学家做一些零碎的修补工作就行了”，只是还有令他担忧的问题， 他说：“在物理学晴朗太空的远处，还有两朵小小的令人不安的乌云。 ” 这两朵“乌云”是指： i 、迈克尔逊—莫雷实验的“以太漂移的零结果” ，动摇了以太假 设，使牛顿的绝对时空观遇到了严峻

7、的困难 ii 、经典物理学在解释黑体辐射实验结果时， 经典理论在紫外区出现了荒谬的结论。这被人们称为“紫外灾难” 。 4、相对论和量子力学的建立 在 20 世纪初的几十年里，科学家们发明经典物理学在微观、高速领域不再适用，对与两朵“乌云”相关问题的深入研究，又建立了 新的时空观念，创立了新的物理理论——相对论和量子力学。 5、绝对时空观在宏观物体的低速运动领域是足够精确的，但在微观与高速领域就不对了。 正因为那个缘故， 经典力学的适用范围是“宏观〔物体〕”“低速〔运动〕”领域。 相对论的相关结论， 在物体速度远小于光速的情况下正好与经典力学的

8、结论一致。 【典例引路】 【例 1】简要说明伽利略的科学研究方法 . 【解析】伽利略开创了通过观看实验、 提出假设和数学相结合的研究方法，对自然科学的进展具有划时代的意义 . 他的方法可总结为三个步骤： ①先提取出从现象中获得的直观认识的要紧部分， 用最简 单的数学公式表示出来， 以建立量的概念； ②再由此式用数学方法导出另一易于实验证实的数量关系； ③然后通过实验证实这种数量关系 . 他对落体匀加速运动规律的研究便是最好的说明。 【例 2】请列出几个具体事例说明万有引力定律的伟大成就及其对人类文明的妨碍 . 【解析】 1、海王星的发明是牛顿力学最辉

9、煌的成就之一 发明天王星以后， 世界上一些天文学家依照牛顿引力理论计算天 王星轨道时，发明计算的结果总与实际观测位置有较大的误差. 这一 现象引起了年仅２６岁的英国剑桥大学青年教师亚当斯和法国天文工作者勒威耶的关注 . 他们认为，应该另外有一个天体的引力施加在天王星上，使之产生误差 . １８４５年，他们通过计算，各自独立地预测了这一天体的位置 .1846 年 9 月 23 日，德国柏林天文台台长伽勒，依照预报的位置，果然发明了这颗大行星 . 其发明位置与勒威耶预报的位置仅差 52′，与亚当斯预报的位置仅差 227′。海王星的发明又使太阳系的边界向外延展了约 17 亿千米 .

10、海王星的发明是牛 顿奠定的天体力学的辉煌成果，是理论指导实践的典范。2、测量地球质量 格林威治天文台第五任台长马斯科利恩 ( 公元 1732~1811年) ，最早依照万有引力定律，推算出了地球的质量 . 今天测量地球质量的方法特别多，但都离不开万有引力定律。 3、依照万有引力定律计算出了人造地球卫星的速度 .1957 年 10 月 4 日，前苏联发射世界第一颗人造地球卫星 . 此后，人类的足迹不断向地球以外的宇宙深处推进，迎来了航天工业的空前繁荣 . 万有引力定律使“天上” “地面”的“力”统一起来，消除人类对天体的神奇感， 促进了人类思想的解放

11、， 直截了当导致了航空航天科技的诞生和进展，使人类得以冲出地球、飞向宇宙，开拓更广阔的生存空间。 【课堂练习】 1、牛顿定律能适用于以下哪些情况〔〕 A、研究原子中电子的运动 B、研究“神舟”五号飞船的高速发射 C、研究地球绕太阳的运动 D、研究飞机从北京飞往纽约的航线 2、两台升降机甲、 乙同时自由下落，甲上的人看到乙是静止的，也确实是说，在甲看来，乙的运动状态并没有改变，然而乙真的受到向下的地球引力 . 依照牛顿定律，受到外力作用的物体，其运动状态一定会改变，这不是有矛盾吗？你是如何理解的？ 参考答案 1、【解析】牛顿定律只能用于“宏观

12、低速”的情形，那个地方的“宏观”是相关于微观粒子而言的 . 那个地方的“低速”是相关于光速而言的。原子、电子等是微观粒子，它们的运动不服从牛顿定律，B、C、D 中各项运动尽管是“高速” ，但相关于光速来说，却是微不足道的，完全能够用牛顿定律研究其规律 . 故应选 BCD。 2、【解析】牛顿定律只能适用于惯性参考系，即用来作为参考系的物体不能有加速度 ( 能够是静止或匀速运动 ). 当甲上的人看到乙静止实际是以做加速运动的升降机甲为参考系的， 这时牛顿定律不再成立。 【课后检测】 6.1 《经典力学的巨大成就和局限性》课后检测题 1. 请列出一些由经典力学延伸进展起来的

13、边缘交叉学科的名字。 2 、收集整理经典力学进展过程中的重大成就事件，并按时间顺 序由远及近列表排列。你是否发明取得重大成就的时间间隔越来越短？这说明了什么？ 3. 请通过查阅资料分析比较以下科学家对经典力学的贡献。 亚 里 士 多 伽利略 笛卡儿 惠更斯 牛顿 德 国别、生活年代 要紧科学研究方法 力学方面要紧成就 4. 你认为一套自然科学理论应具有哪些差不多特征？【课后检测参考答案】 1、天体力学、地质力学、材料力学、生物物理、物理化学、空 间物理学、物理医学等。 2、 重大成就 时间

14、 阿基米德发明浮力定律 公元前三世纪 开普勒发明行星运动规律 1609,1619 伽利略阐明了运动的相对性原理 1632 年 伽利略发明自由落体运动规律、惯性原理 1638 年 帕斯卡发明帕斯卡原理 1653 年 马德堡半球实验，验证大气压力 1663 年 发明胡克定律—弹簧弹力和形变的关系 1678 年 牛顿发表《自然哲学的数学原理》 ，得到了天地统一的规律 1687 年 新的科学成果产生的时间间隔越来越短。 说明随着人类生产力的进展，人类的认识能力不断增强， 因此新的科学成果产生的时间间隔变短。特别是当今社会，知识更新、技术更新周期缩短就更为明显。

15、 3、 亚里士多德 伽利略 笛卡儿 惠更斯 牛顿 古希腊，约 国别、生 公元前 384~ 意大利 1564 法 国 荷 兰 英 国 活年代 公 元 前 322 年 ~1642 年 1596~1650 年 1629~1695 年 1642~1727 年 年 要 紧 科 观看、思维 学 研 究 推理 方法 错 误 的 结论：力是 力 学 方 使物体运动 面 要 紧 的 缘 故 . 重 成就

16、 的物体比轻 的物体下落 得快  观看实 验、 归 纳 与 假设、 数学 实 验 观 实验、 数 演绎、综合与 推理三 者相 看、数学推理 学推理 分析、实验观 结合 看等 制 成 了 世 界 自由落 体规 惯 性 定 上 第 一 架 计 三 大 运 动 定 律、力 学相 时摆钟 . 测量 律、万有引力 律 对性原理 出 重 力 加 速 定律 度的值 4、自然科学理论应以自然现象观看和实验研究为基础，要求其 思想观点明确鲜亮，体系结构严密、自恰、和谐，能有简捷明了的数 学表达形式，能定量、可操作。