經(jīng)典力學(xué)的巨大成就和局限性

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1、 經(jīng)典力學(xué)的巨大成就和局限性 【學(xué)習(xí)目標(biāo)】 1、了解經(jīng)典力學(xué)的進(jìn)展歷程， 明白經(jīng)典力學(xué)進(jìn)展歷程中有哪些物理學(xué)家作出了突出貢獻(xiàn) 2、了解經(jīng)典力學(xué)所取得的偉大成就及其對(duì)當(dāng)時(shí)自然科學(xué)、 社會(huì)進(jìn)展的妨礙 3、認(rèn)識(shí)經(jīng)典力學(xué)的局限性和適用范圍 【學(xué)習(xí)重點(diǎn)】 1、了解經(jīng)典力學(xué)所取得的偉大成就及其對(duì)當(dāng)時(shí)自然科學(xué)、 社會(huì)進(jìn)展的妨礙 2、認(rèn)識(shí)經(jīng)典力學(xué)的局限性和適用范圍 【知識(shí)點(diǎn)導(dǎo)學(xué)】 經(jīng)典力學(xué)：也叫牛頓力學(xué)，要緊研究宏觀物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。牛頓在伽利略等人工作的基礎(chǔ)上， 把地面上的物體的運(yùn)動(dòng)和行星 的運(yùn)動(dòng)綜合起來(lái)進(jìn)行了深入地研究， 發(fā)明

2、了機(jī)械運(yùn)動(dòng)的差不多規(guī)律— —牛頓運(yùn)動(dòng)三定律和萬(wàn)有引力定律。 其不朽名著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，為經(jīng)典力學(xué)奠定了基礎(chǔ)。 【一】《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》——一座永垂不朽的紀(jì)念碑 1、牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》 ，是一部奠定了經(jīng)典力學(xué)基礎(chǔ)的劃時(shí)代的著作。它對(duì)近現(xiàn)代科學(xué)和科學(xué)哲學(xué)的進(jìn)展產(chǎn)生了無(wú)與倫比的妨礙，是自然科學(xué)史上的一座偉大的豐碑。 2、《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》簡(jiǎn)介 第一部分：“定義和注釋”、“運(yùn)動(dòng)的差不多定律和定理” 〔包括三個(gè)運(yùn)動(dòng)定律〕。 第二部分：是這些定律、定理的應(yīng)用，共三卷： 卷Ⅰ：討論萬(wàn)有引力定律和行星的運(yùn)動(dòng) 卷Ⅱ：對(duì)流體力學(xué)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(xué)和宇宙系統(tǒng)的開拓性研究 3、法國(guó)聞名天文學(xué)家、天體力學(xué)家拉普拉斯對(duì)《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》的評(píng)價(jià) 《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》 將成為一座永垂不朽的深邃智慧的紀(jì)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(chǎn)物的杰作。 那個(gè)簡(jiǎn)單而普遍的定律的發(fā)明， 因它囊括對(duì)象之巨大和多樣，給予人類智慧乙以光榮。 【二】經(jīng)典力學(xué)的巨大成就 1、牛頓運(yùn)動(dòng)三定律和萬(wàn)有引力定律把天體的運(yùn)動(dòng)與地上物體的 運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一起來(lái)， 是人類對(duì)自然界認(rèn)識(shí)的第一次大綜合， 是人類認(rèn)識(shí)史 上的一次重大飛躍。 2、作為經(jīng)典

4、力學(xué)的基礎(chǔ)，在建立后的 200 多年里，幾乎統(tǒng)治了物理學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域。并取得了巨大成就。 3、經(jīng)典力學(xué)是最早形成的物理理論，后來(lái)的許多理論，無(wú)不受到經(jīng)典力學(xué)的妨礙，包括相對(duì)論和量子力學(xué)。 【三】經(jīng)典力學(xué)方法論的意義 1、經(jīng)典力學(xué)方法的典型確實(shí)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(shí)驗(yàn)、邏輯〔數(shù)學(xué)〕相結(jié)合的方法，即“自然數(shù)學(xué)化”的方法。他不僅通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行觀看和測(cè)量，而且用理想實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行推理 3、牛頓的方法：是指“歸納—演繹法” 。第一個(gè)大量使用數(shù)學(xué)方法系統(tǒng)地整理物理學(xué)理論的， 確實(shí)是牛頓。 他的方法與一般演繹法的不同之處在于：演繹的結(jié)果必須訴諸實(shí)驗(yàn)

5、驗(yàn)證。 牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》 為以后物理理論的建立樹立了一個(gè)典范，極大地促進(jìn)了物理學(xué)的進(jìn)展。 【四】經(jīng)典力學(xué)的局限性 1、機(jī)械決定論：經(jīng)典力學(xué)的巨大成就，促使人們用力學(xué)觀點(diǎn)去 理解自然，把一切自然現(xiàn)象都?xì)w結(jié)為“機(jī)械決定論” 。一切形式的運(yùn) 動(dòng)基本上機(jī)械位移和碰撞的結(jié)果〔包括生命運(yùn)動(dòng)〕 。主張自然界是由 完全相同的微粒組成的， 自然界的千差萬(wàn)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(xué)的原理，用相似的推理一一演繹出來(lái)。 ” 2、經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀：即機(jī)械論的時(shí)空觀，牛頓認(rèn)為空間和時(shí)間是不依賴人大

6、意識(shí)而存在，即認(rèn)為時(shí)間和空間是絕對(duì)的。具體講，確實(shí)是時(shí)間和空間是互不相干， 而且與物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。 這種時(shí)空觀也稱“絕對(duì)時(shí)空觀。 3、“兩朵小小的烏云” 19 世紀(jì)末，在經(jīng)典力學(xué)基礎(chǔ)上進(jìn)展起來(lái)的經(jīng)典物理學(xué)，大概到 了盡善盡美的程度。 聞名物理學(xué)家威廉 湯姆生躊躇滿志地宣布：“科學(xué)大廈差不多差不多建成” ，“后輩物理學(xué)家做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了”，只是還有令他擔(dān)憂的問題， 他說：“在物理學(xué)晴朗太空的遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn)的“以太漂移的零結(jié)果” ，動(dòng)搖了以太假 設(shè)，使牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀遇到了嚴(yán)峻

7、的困難 ii 、經(jīng)典物理學(xué)在解釋黑體輻射實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)， 經(jīng)典理論在紫外區(qū)出現(xiàn)了荒謬的結(jié)論。這被人們稱為“紫外災(zāi)難” 。 4、相對(duì)論和量子力學(xué)的建立 在 20 世紀(jì)初的幾十年里，科學(xué)家們發(fā)明經(jīng)典物理學(xué)在微觀、高速領(lǐng)域不再適用，對(duì)與兩朵“烏云”相關(guān)問題的深入研究，又建立了 新的時(shí)空觀念，創(chuàng)立了新的物理理論——相對(duì)論和量子力學(xué)。 5、絕對(duì)時(shí)空觀在宏觀物體的低速運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域是足夠精確的，但在微觀與高速領(lǐng)域就不對(duì)了。 正因?yàn)槟莻€(gè)緣故， 經(jīng)典力學(xué)的適用范圍是“宏觀〔物體〕”“低速〔運(yùn)動(dòng)〕”領(lǐng)域。 相對(duì)論的相關(guān)結(jié)論， 在物體速度遠(yuǎn)小于光速的情況下正好與經(jīng)典力學(xué)的

8、結(jié)論一致。 【典例引路】 【例 1】簡(jiǎn)要說明伽利略的科學(xué)研究方法 . 【解析】伽利略開創(chuàng)了通過觀看實(shí)驗(yàn)、 提出假設(shè)和數(shù)學(xué)相結(jié)合的研究方法，對(duì)自然科學(xué)的進(jìn)展具有劃時(shí)代的意義 . 他的方法可總結(jié)為三個(gè)步驟： ①先提取出從現(xiàn)象中獲得的直觀認(rèn)識(shí)的要緊部分， 用最簡(jiǎn) 單的數(shù)學(xué)公式表示出來(lái)， 以建立量的概念； ②再由此式用數(shù)學(xué)方法導(dǎo)出另一易于實(shí)驗(yàn)證實(shí)的數(shù)量關(guān)系； ③然后通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)這種數(shù)量關(guān)系 . 他對(duì)落體勻加速運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究便是最好的說明。 【例 2】請(qǐng)列出幾個(gè)具體事例說明萬(wàn)有引力定律的偉大成就及其對(duì)人類文明的妨礙 . 【解析】 1、海王星的發(fā)明是牛頓力學(xué)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(xué)家依照牛頓引力理論計(jì)算天 王星軌道時(shí)，發(fā)明計(jì)算的結(jié)果總與實(shí)際觀測(cè)位置有較大的誤差. 這一 現(xiàn)象引起了年僅２６歲的英國(guó)劍橋大學(xué)青年教師亞當(dāng)斯和法國(guó)天文工作者勒威耶的關(guān)注 . 他們認(rèn)為，應(yīng)該另外有一個(gè)天體的引力施加在天王星上，使之產(chǎn)生誤差 . １８４５年，他們通過計(jì)算，各自獨(dú)立地預(yù)測(cè)了這一天體的位置 .1846 年 9 月 23 日，德國(guó)柏林天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)伽勒，依照預(yù)報(bào)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(yù)報(bào)的位置僅差 52′，與亞當(dāng)斯預(yù)報(bào)的位置僅差 227′。海王星的發(fā)明又使太陽(yáng)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(xué)的輝煌成果，是理論指導(dǎo)實(shí)踐的典范。2、測(cè)量地球質(zhì)量 格林威治天文臺(tái)第五任臺(tái)長(zhǎng)馬斯科利恩 ( 公元 1732~1811年) ，最早依照萬(wàn)有引力定律，推算出了地球的質(zhì)量 . 今天測(cè)量地球質(zhì)量的方法特別多，但都離不開萬(wàn)有引力定律。 3、依照萬(wàn)有引力定律計(jì)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(jìn)，迎來(lái)了航天工業(yè)的空前繁榮 . 萬(wàn)有引力定律使“天上” “地面”的“力”統(tǒng)一起來(lái)，消除人類對(duì)天體的神奇感， 促進(jìn)了人類思想的解放

11、， 直截了當(dāng)導(dǎo)致了航空航天科技的誕生和進(jìn)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(xí)】 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(yùn)動(dòng) B、研究“神舟”五號(hào)飛船的高速發(fā)射 C、研究地球繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng) D、研究飛機(jī)從北京飛往紐約的航線 2、兩臺(tái)升降機(jī)甲、 乙同時(shí)自由下落，甲上的人看到乙是靜止的，也確實(shí)是說，在甲看來(lái)，乙的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)一定會(huì)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(gè)地方的“宏觀”是相關(guān)于微觀粒子而言的 . 那個(gè)地方的“低速”是相關(guān)于光速而言的。原子、電子等是微觀粒子，它們的運(yùn)動(dòng)不服從牛頓定律，B、C、D 中各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)盡管是“高速” ，但相關(guān)于光速來(lái)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(yīng)選 BCD。 2、【解析】牛頓定律只能適用于慣性參考系，即用來(lái)作為參考系的物體不能有加速度 ( 能夠是靜止或勻速運(yùn)動(dòng) ). 當(dāng)甲上的人看到乙靜止實(shí)際是以做加速運(yùn)動(dòng)的升降機(jī)甲為參考系的， 這時(shí)牛頓定律不再成立。 【課后檢測(cè)】 6.1 《經(jīng)典力學(xué)的巨大成就和局限性》課后檢測(cè)題 1. 請(qǐng)列出一些由經(jīng)典力學(xué)延伸進(jìn)展起來(lái)的

13、邊緣交叉學(xué)科的名字。 2 、收集整理經(jīng)典力學(xué)進(jìn)展過程中的重大成就事件，并按時(shí)間順 序由遠(yuǎn)及近列表排列。你是否發(fā)明取得重大成就的時(shí)間間隔越來(lái)越短？這說明了什么？ 3. 請(qǐng)通過查閱資料分析比較以下科學(xué)家對(duì)經(jīng)典力學(xué)的貢獻(xiàn)。 亞 里 士 多 伽利略 笛卡兒 惠更斯 牛頓 德 國(guó)別、生活年代 要緊科學(xué)研究方法 力學(xué)方面要緊成就 4. 你認(rèn)為一套自然科學(xué)理論應(yīng)具有哪些差不多特征？【課后檢測(cè)參考答案】 1、天體力學(xué)、地質(zhì)力學(xué)、材料力學(xué)、生物物理、物理化學(xué)、空 間物理學(xué)、物理醫(yī)學(xué)等。 2、 重大成就 時(shí)間

14、 阿基米德發(fā)明浮力定律 公元前三世紀(jì) 開普勒發(fā)明行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律 1609,1619 伽利略闡明了運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性原理 1632 年 伽利略發(fā)明自由落體運(yùn)動(dòng)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?qū)嶒?yàn)，驗(yàn)證大氣壓力 1663 年 發(fā)明胡克定律—彈簧彈力和形變的關(guān)系 1678 年 牛頓發(fā)表《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》 ，得到了天地統(tǒng)一的規(guī)律 1687 年 新的科學(xué)成果產(chǎn)生的時(shí)間間隔越來(lái)越短。 說明隨著人類生產(chǎn)力的進(jìn)展，人類的認(rèn)識(shí)能力不斷增強(qiáng)， 因此新的科學(xué)成果產(chǎn)生的時(shí)間間隔變短。特別是當(dāng)今社會(huì)，知識(shí)更新、技術(shù)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(guó)別、生 公元前 384~ 意大利 1564 法 國(guó) 荷 蘭 英 國(guó) 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(xué) 研 究 推理 方法 錯(cuò) 誤 的 結(jié)論：力是 力 學(xué) 方 使物體運(yùn)動(dòng) 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(shí) 驗(yàn)、 歸 納 與 假設(shè)、 數(shù)學(xué) 實(shí) 驗(yàn) 觀 實(shí)驗(yàn)、 數(shù) 演繹、綜合與 推理三 者相 看、數(shù)學(xué)推理 學(xué)推理 分析、實(shí)驗(yàn)觀 結(jié)合 看等 制 成 了 世 界 自由落 體規(guī) 慣 性 定 上 第 一 架 計(jì) 三 大 運(yùn) 動(dòng) 定 律、力 學(xué)相 時(shí)擺鐘 . 測(cè)量 律、萬(wàn)有引力 律 對(duì)性原理 出 重 力 加 速 定律 度的值 4、自然科學(xué)理論應(yīng)以自然現(xiàn)象觀看和實(shí)驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，要求其 思想觀點(diǎn)明確鮮亮，體系結(jié)構(gòu)嚴(yán)密、自恰、和諧，能有簡(jiǎn)捷明了的數(shù) 學(xué)表達(dá)形式，能定量、可操作。