高中物理中關(guān)于經(jīng)典力學(xué)局限性的思考

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(山東省北鎮(zhèn)中學(xué)2016級(jí)17班)

經(jīng)典力學(xué)指的是以牛頓三大定律作為基礎(chǔ)，在低速狀態(tài)和宏觀世界下研究物體運(yùn)動(dòng)的有效方式方法，是作用于物體之上力學(xué)的物理模型。它包括三大定律以及萬(wàn)有引力定律。盡管經(jīng)典力學(xué)再怎么科學(xué)合理，其自身也存在一定的局限性。愛(ài)因斯坦的相對(duì)論可以證明這一點(diǎn)。從時(shí)空觀、慣性和非慣性這兩方面進(jìn)行論述二者。

高中物理 經(jīng)典力學(xué) 局限性

一、時(shí)空觀

(一)經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀

經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為，時(shí)間和空間都有絕對(duì)和相對(duì)之分。絕對(duì)的時(shí)間是其自身均勻的流逝，與其他外在的事物沒(méi)有關(guān)系；絕對(duì)的空間同樣也是與其他一切外在事物沒(méi)有關(guān)聯(lián)，處處均勻，永遠(yuǎn)不移動(dòng)。而相對(duì)的時(shí)間是可以感知的和外在的對(duì)運(yùn)動(dòng)的延續(xù)的量度，它經(jīng)常用來(lái)替代真實(shí)的時(shí)間；相對(duì)的空間是對(duì)絕對(duì)空間的量度，人們經(jīng)常通過(guò)其與物體的相對(duì)位置來(lái)認(rèn)識(shí)它。綜上所述，空間好像是一個(gè)裝東西的容器，而時(shí)間是在宇宙中均勻的流逝，兩者之間不存在任何關(guān)聯(lián)，同時(shí)也和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)不存在關(guān)系。但是就現(xiàn)如今看來(lái)，這里有許多內(nèi)容都是不適用的。

(二)相對(duì)論中的時(shí)空觀

相對(duì)論又分為狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論。狹義相對(duì)論認(rèn)為，時(shí)間和空間具有相對(duì)性和統(tǒng)一性。他認(rèn)為孤立的時(shí)間和空間是不存在的。在狹義相對(duì)論中，愛(ài)因斯坦做了兩個(gè)假設(shè)：相對(duì)性原理和光速不變?cè)?，從而得出了幾個(gè)重要的結(jié)論：長(zhǎng)度收縮、時(shí)鐘變慢、光速極限等。同時(shí)，他認(rèn)為同時(shí)性是相對(duì)的，在一個(gè)慣性系中同時(shí)發(fā)生的事情，在不同的慣性系中進(jìn)行測(cè)量是就不是同時(shí)發(fā)生的；如果物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的速度比光速要小很多，那么相對(duì)論中的力學(xué)就和經(jīng)典力學(xué)有了一定的相似性。廣義相對(duì)論認(rèn)為，時(shí)間和空間是不能夠脫離物質(zhì)而獨(dú)立存在的，時(shí)間、空間是伴隨著物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和分布的變化而變化的，這就把時(shí)間空間和物質(zhì)的內(nèi)在聯(lián)系揭露出來(lái)。同時(shí)，它還認(rèn)為時(shí)間空間會(huì)因?yàn)槲镔|(zhì)的存在而發(fā)生變化，地球上的萬(wàn)有引力就是一個(gè)很好的例子。相對(duì)論中的時(shí)空觀把時(shí)間和空間的關(guān)系及二者與物質(zhì)的關(guān)系揭示的很清楚，可以說(shuō)是彌補(bǔ)了經(jīng)典力學(xué)的局限。

二、慣性和非慣性參考系

在我們描述一個(gè)物體的時(shí)候，不管它是否在運(yùn)動(dòng)，總是習(xí)慣找個(gè)參考系，并且這個(gè)參考系有很多。比如說(shuō)，一個(gè)人在路上騎著自行車(chē)，自行車(chē)可以作為參考系，地面同樣也可以作為參考系。然而，經(jīng)典力學(xué)也就是牛頓力學(xué)體系并不是對(duì)于所有的參考系都是成立的。

經(jīng)典力學(xué)體系除了地面參考系還有什么參考系適用呢？伽利略曾經(jīng)在船艙時(shí)觀察到：當(dāng)船靜止不動(dòng)的時(shí)候，小飛蟲(chóng)在勻速向各個(gè)方向飛行，水中的魚(yú)兒也在隨意的向各個(gè)方向游動(dòng)。當(dāng)船勻速運(yùn)動(dòng)沒(méi)有左右搖擺的時(shí)候，小飛蟲(chóng)和水中的小魚(yú)仍舊是和船禁止不動(dòng)時(shí)的現(xiàn)象一樣。這樣就使得人們沒(méi)有辦法去確定船到底是在運(yùn)動(dòng)還是禁止不動(dòng)。這就表明，在相對(duì)于地面做勻速直線運(yùn)動(dòng)的物體中做力學(xué)試驗(yàn)研究與在地面所得到的結(jié)果是一樣的沒(méi)有差別。這就說(shuō)明以相對(duì)于地面做勻速直線運(yùn)動(dòng)的物體作為參考系的時(shí)候經(jīng)典力學(xué)體系還是成立的。但是，對(duì)于相對(duì)于地面做變速運(yùn)動(dòng)的參考系來(lái)說(shuō)，牛頓力學(xué)定律又是否依舊成立呢？

假設(shè)有一輛車(chē)在做勻速直線運(yùn)動(dòng)，我們?cè)谲?chē)廂的桌面上放置一個(gè)圓球。相對(duì)于車(chē)廂參考系來(lái)說(shuō)，球是靜止的，小球所受的外力的合力是零，這就符合牛頓運(yùn)動(dòng)定律。如果車(chē)廂開(kāi)始向右做加速運(yùn)動(dòng)，我們?cè)谠谲?chē)廂內(nèi)可以觀察到，圓球在向左做加速運(yùn)動(dòng)，而這個(gè)時(shí)候圓球并沒(méi)有受到其他物體的作用力，它所受的合力依舊零。這就證明，在相對(duì)于地面做變速運(yùn)動(dòng)的車(chē)內(nèi)，牛頓運(yùn)動(dòng)定律不再適用。

在高中物理中，我們一般以慣性系作為參考系。經(jīng)典力學(xué)中物體的質(zhì)量是恒定不變的，它在處理宏觀物體即質(zhì)量變化可以忽略不計(jì)的低速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的時(shí)候是適用的。然而，對(duì)于質(zhì)量發(fā)生變化不能不計(jì)的情況下，非慣性參考系則比較適用，愛(ài)因斯坦的相對(duì)論即是如此。他指出，物體的質(zhì)量要隨著其運(yùn)動(dòng)速度的增大而增大，二者成正比。比如說(shuō)，在地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)時(shí)，它是進(jìn)行低速勻速運(yùn)動(dòng)，質(zhì)量變化幾乎可以忽略不計(jì)，這時(shí)經(jīng)典力學(xué)就可以應(yīng)用于此。而當(dāng)其運(yùn)動(dòng)速度比光速還要快時(shí)，物體質(zhì)量的增大速度也在隨著大幅度提升，已經(jīng)不可以忽略了，在這個(gè)方面，經(jīng)典力學(xué)顯然已經(jīng)不再適用。

雖然經(jīng)典力學(xué)體系在微觀領(lǐng)域已經(jīng)有些落伍，但是物理學(xué)領(lǐng)域沒(méi)有經(jīng)典力學(xué)體系建立的基礎(chǔ)是不可能發(fā)展到現(xiàn)在的。經(jīng)典力學(xué)的地位仍舊是不可替代的。它是力學(xué)體系發(fā)展的根本。在它的基礎(chǔ)上，才有了能量守恒、動(dòng)能原理等現(xiàn)代物理學(xué)體系的出現(xiàn)與構(gòu)建。

總而言之，由上可知，經(jīng)典力學(xué)適用于質(zhì)量不變或者變化可以忽略的低速運(yùn)動(dòng)，對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題、微觀粒子還是相對(duì)論和量子力學(xué)更加適用。相信在宏觀的經(jīng)典力學(xué)體系的基礎(chǔ)上，通過(guò)科學(xué)家和物理學(xué)家的共同努力，把經(jīng)典力學(xué)和微觀的力學(xué)體系結(jié)合起來(lái)，物理學(xué)將走出桎梏，走向科學(xué)前沿。

參考文獻(xiàn)：

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