經典力學的巨大成就和局限性

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1、 經典力學的巨大成就和局限性 【學習目標】 1、了解經典力學的進展歷程， 明白經典力學進展歷程中有哪些物理學家作出了突出貢獻 2、了解經典力學所取得的偉大成就及其對當時自然科學、 社會進展的妨礙 3、認識經典力學的局限性和適用范圍 【學習重點】 1、了解經典力學所取得的偉大成就及其對當時自然科學、 社會進展的妨礙 2、認識經典力學的局限性和適用范圍 【知識點導學】 經典力學：也叫牛頓力學，要緊研究宏觀物體機械運動的規(guī)律。牛頓在伽利略等人工作的基礎上， 把地面上的物體的運動和行星 的運動綜合起來進行了深入地研究， 發(fā)明

2、了機械運動的差不多規(guī)律— —牛頓運動三定律和萬有引力定律。 其不朽名著《自然哲學的數(shù)學原理》，為經典力學奠定了基礎。 【一】《自然哲學的數(shù)學原理》——一座永垂不朽的紀念碑 1、牛頓的《自然哲學的數(shù)學原理》 ，是一部奠定了經典力學基礎的劃時代的著作。它對近現(xiàn)代科學和科學哲學的進展產生了無與倫比的妨礙，是自然科學史上的一座偉大的豐碑。 2、《自然哲學的數(shù)學原理》簡介 第一部分：“定義和注釋”、“運動的差不多定律和定理” 〔包括三個運動定律〕。 第二部分：是這些定律、定理的應用，共三卷： 卷Ⅰ：討論萬有引力定律和行星的運動 卷Ⅱ：對流體力學的開創(chuàng)性研究

3、 卷Ⅲ：總題目是“論宇宙系統(tǒng)” ，是天體力學和宇宙系統(tǒng)的開拓性研究 3、法國聞名天文學家、天體力學家拉普拉斯對《自然哲學的數(shù)學原理》的評價 《自然哲學的數(shù)學原理》 將成為一座永垂不朽的深邃智慧的紀念碑，它向我們展示了最偉大的宇宙定律。 這部著作是高于人類一切其他思想產物的杰作。 那個簡單而普遍的定律的發(fā)明， 因它囊括對象之巨大和多樣，給予人類智慧乙以光榮。 【二】經典力學的巨大成就 1、牛頓運動三定律和萬有引力定律把天體的運動與地上物體的 運動統(tǒng)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。 2、作為經典

4、力學的基礎，在建立后的 200 多年里，幾乎統(tǒng)治了物理學的各個領域。并取得了巨大成就。 3、經典力學是最早形成的物理理論，后來的許多理論，無不受到經典力學的妨礙，包括相對論和量子力學。 【三】經典力學方法論的意義 1、經典力學方法的典型確實是伽利略和牛頓的研究方法。 2、伽利略的方法：開創(chuàng)了將實驗、邏輯〔數(shù)學〕相結合的方法，即“自然數(shù)學化”的方法。他不僅通過實驗進行觀看和測量，而且用理想實驗的方法進行推理 3、牛頓的方法：是指“歸納—演繹法” 。第一個大量使用數(shù)學方法系統(tǒng)地整理物理學理論的， 確實是牛頓。 他的方法與一般演繹法的不同之處在于：演繹的結果必須訴諸實驗

5、驗證。 牛頓的《自然哲學的數(shù)學原理》 為以后物理理論的建立樹立了一個典范，極大地促進了物理學的進展。 【四】經典力學的局限性 1、機械決定論：經典力學的巨大成就，促使人們用力學觀點去 理解自然，把一切自然現(xiàn)象都歸結為“機械決定論” 。一切形式的運 動基本上機械位移和碰撞的結果〔包括生命運動〕 。主張自然界是由 完全相同的微粒組成的， 自然界的千差萬別， 只是微粒的數(shù)量和空間 排列不同。 牛頓曾說：“自然界的一切現(xiàn)象，全都能夠依照力學的原理，用相似的推理一一演繹出來。 ” 2、經典力學的時空觀：即機械論的時空觀，牛頓認為空間和時間是不依賴人大

6、意識而存在，即認為時間和空間是絕對的。具體講，確實是時間和空間是互不相干， 而且與物質的運動無關。 這種時空觀也稱“絕對時空觀。 3、“兩朵小小的烏云” 19 世紀末，在經典力學基礎上進展起來的經典物理學，大概到 了盡善盡美的程度。 聞名物理學家威廉 湯姆生躊躇滿志地宣布：“科學大廈差不多差不多建成” ，“后輩物理學家做一些零碎的修補工作就行了”，只是還有令他擔憂的問題， 他說：“在物理學晴朗太空的遠處，還有兩朵小小的令人不安的烏云。 ” 這兩朵“烏云”是指： i 、邁克爾遜—莫雷實驗的“以太漂移的零結果” ，動搖了以太假 設，使牛頓的絕對時空觀遇到了嚴峻

7、的困難 ii 、經典物理學在解釋黑體輻射實驗結果時， 經典理論在紫外區(qū)出現(xiàn)了荒謬的結論。這被人們稱為“紫外災難” 。 4、相對論和量子力學的建立 在 20 世紀初的幾十年里，科學家們發(fā)明經典物理學在微觀、高速領域不再適用，對與兩朵“烏云”相關問題的深入研究，又建立了 新的時空觀念，創(chuàng)立了新的物理理論——相對論和量子力學。 5、絕對時空觀在宏觀物體的低速運動領域是足夠精確的，但在微觀與高速領域就不對了。 正因為那個緣故， 經典力學的適用范圍是“宏觀〔物體〕”“低速〔運動〕”領域。 相對論的相關結論， 在物體速度遠小于光速的情況下正好與經典力學的

8、結論一致。 【典例引路】 【例 1】簡要說明伽利略的科學研究方法 . 【解析】伽利略開創(chuàng)了通過觀看實驗、 提出假設和數(shù)學相結合的研究方法，對自然科學的進展具有劃時代的意義 . 他的方法可總結為三個步驟： ①先提取出從現(xiàn)象中獲得的直觀認識的要緊部分， 用最簡 單的數(shù)學公式表示出來， 以建立量的概念； ②再由此式用數(shù)學方法導出另一易于實驗證實的數(shù)量關系； ③然后通過實驗證實這種數(shù)量關系 . 他對落體勻加速運動規(guī)律的研究便是最好的說明。 【例 2】請列出幾個具體事例說明萬有引力定律的偉大成就及其對人類文明的妨礙 . 【解析】 1、海王星的發(fā)明是牛頓力學最輝

9、煌的成就之一 發(fā)明天王星以后， 世界上一些天文學家依照牛頓引力理論計算天 王星軌道時，發(fā)明計算的結果總與實際觀測位置有較大的誤差. 這一 現(xiàn)象引起了年僅２６歲的英國劍橋大學青年教師亞當斯和法國天文工作者勒威耶的關注 . 他們認為，應該另外有一個天體的引力施加在天王星上，使之產生誤差 . １８４５年，他們通過計算，各自獨立地預測了這一天體的位置 .1846 年 9 月 23 日，德國柏林天文臺臺長伽勒，依照預報的位置，果然發(fā)明了這顆大行星 . 其發(fā)明位置與勒威耶預報的位置僅差 52′，與亞當斯預報的位置僅差 227′。海王星的發(fā)明又使太陽系的邊界向外延展了約 17 億千米 .

10、海王星的發(fā)明是牛 頓奠定的天體力學的輝煌成果，是理論指導實踐的典范。2、測量地球質量 格林威治天文臺第五任臺長馬斯科利恩 ( 公元 1732~1811年) ，最早依照萬有引力定律，推算出了地球的質量 . 今天測量地球質量的方法特別多，但都離不開萬有引力定律。 3、依照萬有引力定律計算出了人造地球衛(wèi)星的速度 .1957 年 10 月 4 日，前蘇聯(lián)發(fā)射世界第一顆人造地球衛(wèi)星 . 此后，人類的足跡不斷向地球以外的宇宙深處推進，迎來了航天工業(yè)的空前繁榮 . 萬有引力定律使“天上” “地面”的“力”統(tǒng)一起來，消除人類對天體的神奇感， 促進了人類思想的解放

11、， 直截了當導致了航空航天科技的誕生和進展，使人類得以沖出地球、飛向宇宙，開拓更廣闊的生存空間。 【課堂練習】 1、牛頓定律能適用于以下哪些情況〔〕 A、研究原子中電子的運動 B、研究“神舟”五號飛船的高速發(fā)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 2、兩臺升降機甲、 乙同時自由下落，甲上的人看到乙是靜止的，也確實是說，在甲看來，乙的運動狀態(tài)并沒有改變，然而乙真的受到向下的地球引力 . 依照牛頓定律，受到外力作用的物體，其運動狀態(tài)一定會改變，這不是有矛盾嗎？你是如何理解的？ 參考答案 1、【解析】牛頓定律只能用于“宏觀

12、低速”的情形，那個地方的“宏觀”是相關于微觀粒子而言的 . 那個地方的“低速”是相關于光速而言的。原子、電子等是微觀粒子，它們的運動不服從牛頓定律，B、C、D 中各項運動盡管是“高速” ，但相關于光速來說，卻是微不足道的，完全能夠用牛頓定律研究其規(guī)律 . 故應選 BCD。 2、【解析】牛頓定律只能適用于慣性參考系，即用來作為參考系的物體不能有加速度 ( 能夠是靜止或勻速運動 ). 當甲上的人看到乙靜止實際是以做加速運動的升降機甲為參考系的， 這時牛頓定律不再成立。 【課后檢測】 6.1 《經典力學的巨大成就和局限性》課后檢測題 1. 請列出一些由經典力學延伸進展起來的

13、邊緣交叉學科的名字。 2 、收集整理經典力學進展過程中的重大成就事件，并按時間順 序由遠及近列表排列。你是否發(fā)明取得重大成就的時間間隔越來越短？這說明了什么？ 3. 請通過查閱資料分析比較以下科學家對經典力學的貢獻。 亞 里 士 多 伽利略 笛卡兒 惠更斯 牛頓 德 國別、生活年代 要緊科學研究方法 力學方面要緊成就 4. 你認為一套自然科學理論應具有哪些差不多特征？【課后檢測參考答案】 1、天體力學、地質力學、材料力學、生物物理、物理化學、空 間物理學、物理醫(yī)學等。 2、 重大成就 時間

14、 阿基米德發(fā)明浮力定律 公元前三世紀 開普勒發(fā)明行星運動規(guī)律 1609,1619 伽利略闡明了運動的相對性原理 1632 年 伽利略發(fā)明自由落體運動規(guī)律、慣性原理 1638 年 帕斯卡發(fā)明帕斯卡原理 1653 年 馬德堡半球實驗，驗證大氣壓力 1663 年 發(fā)明胡克定律—彈簧彈力和形變的關系 1678 年 牛頓發(fā)表《自然哲學的數(shù)學原理》 ，得到了天地統(tǒng)一的規(guī)律 1687 年 新的科學成果產生的時間間隔越來越短。 說明隨著人類生產力的進展，人類的認識能力不斷增強， 因此新的科學成果產生的時間間隔變短。特別是當今社會，知識更新、技術更新周期縮短就更為明顯。

15、 3、 亞里士多德 伽利略 笛卡兒 惠更斯 牛頓 古希臘，約 國別、生 公元前 384~ 意大利 1564 法 國 荷 蘭 英 國 活年代 公 元 前 322 年 ~1642 年 1596~1650 年 1629~1695 年 1642~1727 年 年 要 緊 科 觀看、思維 學 研 究 推理 方法 錯 誤 的 結論：力是 力 學 方 使物體運動 面 要 緊 的 緣 故 . 重 成就

16、 的物體比輕 的物體下落 得快  觀看實 驗、 歸 納 與 假設、 數(shù)學 實 驗 觀 實驗、 數(shù) 演繹、綜合與 推理三 者相 看、數(shù)學推理 學推理 分析、實驗觀 結合 看等 制 成 了 世 界 自由落 體規(guī) 慣 性 定 上 第 一 架 計 三 大 運 動 定 律、力 學相 時擺鐘 . 測量 律、萬有引力 律 對性原理 出 重 力 加 速 定律 度的值 4、自然科學理論應以自然現(xiàn)象觀看和實驗研究為基礎，要求其 思想觀點明確鮮亮，體系結構嚴密、自恰、和諧，能有簡捷明了的數(shù) 學表達形式，能定量、可操作。