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第一节《牛顿力学的局限性》
第八章《牛顿力学的局限性与相对论初步》
牛顿力学的建立过程
《自然哲学的数学原理》
“如果我所见到的比笛卡尔要远些，
是因为我站在巨人的肩上。”
——牛顿
阿基米德
开普勒
亚里士多德
托勒密
胡克
笛卡尔
伽利略
牛顿力学的主要内容
自然界中任何两个
物体都相互吸引，
相互间引力的大小
与物体质量的乘积
成正比，与他们之
间距离的二次方成
反比。
牛顿第一定律：
一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非有作用力迫使它改变这种状态。
牛顿第二定律：
物体加速度的大小与物体受到的作用力成正比，与物体的质量成反比，加速度的方向与作用力的方向相同。
牛顿第三定律：
物体之间的一对作用力和反作用力总是大小相等、方向相反、作用在同一条直线上。
牛顿力学的重要贡献
地上
天上
大气流动
堤坝
桥梁
进入20世纪后，人们发现了很多牛顿力学无法解释的现象：比如水星进动、黑体辐射、光电效应、光速不变等。
牛顿力学有局限性
牛顿力学的局限性：低速到高速
理论
根据牛顿第二定律：
在恒力作用下，物体的加速度恒定，速度随时间满足公式：v=at，只要时间 t 足够长，速度可以无限增大甚至超过光速。
实际
目前已知的最大速度是光速。
光速是速度的极限。
思想实验：“追光实验”
例题：牛顿力学下质子的速度
违反了麦克斯韦
电磁理论
实验上从未发现过
超光速的粒子
爱因斯坦的“追光实验”
爱因斯坦推断：如果能追上光，就意味着空间中的光像冻结了一样，是停滞不前、静止的光。
违反了麦克斯韦的电磁理论（由麦克斯韦方程组，可以得到电磁波的波动方程，由波动方程解出，真空中的光速是一个常数）。
16岁的爱因斯坦，开始思考：
如果以光速追赶一束光，会有什么结果？
思想实验
例题1：
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？
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牛顿力学的局限性：速度的要求
适用情况： 低速 V 远小于 C
不适用的情况：高速 V 接近 C
狭义相对论：运动的空间和时间会随着速度而变化
高速领域：牛顿力学不适用
例题2：判断下列运动牛顿力学是否适用？
A：自行车、汽车、火车、飞机等交通工具的运动
B：导弹、人造卫星、宇宙飞船的发射
C：以接近光速飞行的电子的运动
D：地球以约30km/s的平均速率绕太阳高速旋转
适用范围：低速（远小于光速）
牛顿力学的局限性
不适用范围：高速（接近光速）
归纳
牛顿力学的局限性：宏观到微观
1911年，卢瑟福提出原子的核式结构模型
牛顿力学无法解释
微观粒子既具有粒子性，又具有波动性！
微观领域：牛顿力学不适用
量子力学的出现
图1 钠导星回光同步探测实验系统示意图
阅读：激光导星是通过向天空投射激光，产生人造导星，来纠正天
文观测中由大气扰动造成的光学扭曲的一种自适应光学技术。
在天文观测中，发射具有特定精细谱线结构的589 nm激光，激发距地面80 km~110 km的高空钠层原子，产生共振荧光的后向散射回光作为导引星，可为地面自适应光学系统提供较为理想的大气波前畸变信息，有利于提高大口径望远镜的深空观测能力。
中国的激光导星技术：
来源：陈天江《中国激光》
研究所：中物院应用电子学研究所、 中科院光电技术研究所的项目团队
“十一五”期间：探测到钠导星定性回光图像
“十二五”期间：长脉冲钠导星回光特性实验，研制出当时世界上最高输出功率的81W钠导星激光器。
“十三五”期间：多泵浦参数激励的导星技术验证
适用范围：低速（远小于光速）、宏观
牛顿力学的局限性
不适用范围：高速（接近光速）、微观
归纳
牛顿力学的局限性：弱引力场到强引力场
牛顿建立经典力学，统一了地面、天上的物体运动规律，从此科学家能够精确地预言各大行星、卫星和彗星的行为，比如海王星就被称作笔尖上发现的行星，因为最初天文学家是通过天王星的引力摄动现象，预言了海王星的存在，然后推测出海王星的轨道并找到了海王星。
海王星的发现
可以解释的天文现象
牛顿力学的局限性：弱引力场到强引力场
归纳：
牛顿力学可以解释“弱引力场”下的现象
牛顿力学不可以解释“强引力场”下的现象
如何判断：引力场强弱？
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比值越大——引力场越强
比值越小——引力场越弱
小知识：地球：10-9 太阳10-6 中子星 10-1 黑洞接近 1
例题3、对于质量为1.4倍太阳质量、半径与地球相同的白矮星，计算它的 ???????????????????? 。你认为牛顿力学可以正确描写白矮星的运动吗？简述理由。已知：太阳质量m日=1.989×1030kg，
引力常量G=6.67×10-11N.m2/kg2，
地球半径r地=6.371×106m，
光速c=3.0×108m/s）
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适用范围：低速（远小于光速）、宏观、弱引力场
牛顿力学的局限性
不适用范围：高速（接近光速）、微观、强引力场
归纳
阅读书本,回答下列问题：
1、牛顿力学存在局限性，是不是意味着牛顿力学失去了存在的意义？
任何理论都有一定的适用范围和条件，牛顿力学也不例外，在宏观、低速、弱作用时仍很精确。
2、相对论和量子力学可以解决牛顿力学在高速、微观、强引力场下的情况，那么是否它们就是一个普遍规律，适用于所有未知领域呢？
新的理论也同样有一定的适用范围和条件，超过这个范围就不一定适用。
3、人类是如何一步步对自然界进行科学探索的？人类的探索会有止境吗？
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，对科学的探索是永无止境的。
牛顿力学的局限性有何启示？
更全面
更准确
更深入
新理论的建立帮助我们
认识自然界
例题4、美国科学家于2016年2月11日宣布，他们探测到引力波的存在。引力波是实验验证爱因斯坦相对论的最后一块缺失的“拼图”。相对论在一定范围内弥补了牛顿力学的局限性。关于牛顿力学，下列说法中正确的是（ ）
A.牛顿力学适用于宏观低速运动
B.牛顿力学取得了巨大成就，是普遍适用的
C.随着物理学的发展，牛顿力学将逐渐成为过时的理论
D.由于相对论的提出，牛顿力学已经失去了它的应用价值
小结
1、牛顿力学具有局限性
2、牛顿力学的适用范围：
3、牛顿力学的启示：

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