2–7牛頓力學的適用范圍

狹義相對論簡介現象與思考牛頓力學的適用范圍狹義相對論簡介現象與思考

本章我們學習了牛頓三大定律，這三大定律總稱為牛頓運動定律，是力學的基本定律。以牛頓運動定律為基礎的力學稱為牛頓力學或者經典力學。

牛頓力學出現后，人民對它的精確和完美贊不絕口。后來發現，在研究微觀粒子運動規律時，在解決接近光速的高速運動問題時，牛頓力學受到了挑戰：不僅談不上完美，甚至會出現矛盾。

人們會問：牛頓力學怎么了？其實，牛頓力學并沒有出問題，問題是牛頓力學有一定的適用范圍，它的應用是受到限制的。

那么牛頓力學在那些范圍內適用？在那些范圍內受到限制呢？1.17世紀以來，牛頓力學不斷發展，在科學研究和生產實踐中得到了廣泛的應用。

一、牛頓力學的適用范圍

例如，牛頓力學與天文學相結合，建立了天體力學；牛頓力學與工程實際相結合，建立了各種應用力學，如水力學、材料力學及結構力學等等。

從行星的運動到汽車、火車、飛機等現代交通工具的運動；從拋出石塊到發射導彈、衛星和航天飛機；從設計各種機械到筑壩，以及建造橋梁和高樓大廈等，所有這些都服從牛頓力學的規律。

2.自從

19

世紀末發現電子后，人們開始探索物質世界的微觀領域：

研究發現，原子內部的微觀粒子，不僅具有粒子性，還具有波動性。

經典力學在微觀領域中不能完全適用，而需要用量子力學來處理。

分子、原子、電子、中子及質子等。

近代科學研究表明，高速運動(運動速度接近于光速)的物體，其質量將隨著它的運動速度而變化，且比在靜止時的質量要大，越接近光速，質量越大。

經典力學不能解釋這類問題，而需要用相對論力學來處理。

3.牛頓定律的適用范圍。

以牛頓運動定律為基礎的經典力學適用于研究宏觀物體的低速運動問題，不適用于研究高速物體的運動問題和微觀粒子的運動問題。這就是牛頓定律的適用范圍。

二、狹義相對論簡介

1.20

世紀初，著名的物理學家愛因斯坦提出了狹義相對論

。愛因斯坦

1.狹義相對論簡介

相對論認為：物體在高速運動時，它的長度隨物體運動的速度增加而收縮；時間隨物體運動速度增大而延緩；物體的質量也不是固定不變的，而是隨著物體運動速度的增大而增大。

如，設m0為物體靜止時的質量，那么物體以速度v運動時，它的質量可表示為討論

（1）當物體運動的速度

v遠小于光速

c時，

<<1，可以認為物體的質量沒有發生改變，仍等于它的靜止質量，牛頓力學仍然適用。

（2）當物體運動速度接近光速時，質量就越來越大。例如：v=0.8c時，=0.64，m≈1.7m0；v=0.95c時，≈0.9，m=3.1m0，這時牛頓力學就不再適用了。可見牛頓力學是相對論力學在低速情況下的近似。2.了解廣義相對論及其與狹義相對論的區別

廣義相對論認為，引力是由空間——時間幾何（也就是，不僅考慮空間中的點之間，而是考慮在空間和時間中的點之間距離的幾何）的畸變引起的，因而引力場影響時間和距離的測量。它將引力按照四維空間—時間的曲率來解釋。

狹義相對論和廣義相對的區別是，前者討論的是勻速直線運動的參照系（慣性參照系）之間的物理定律，后者則推廣到具有加速度的參照系中（非慣性系），并在等效原理的假設下，廣泛應用于引力場中。3.愛因斯坦質能關系方程

在愛因斯坦的狹義相對論中，最有意義的結論之一便是質能關系。

設運動粒子的總能量的改變量為

△E，質量的改變量為

△m，則

△E與

△m之間的關系為

△E=△mc這就是著名的愛因斯坦質能關系方程。

在放射性蛻變、原子核反應以及高能粒子實驗中，無數事實都證明了上式所表示的質量。能量關系的正確性，原子能時代就是隨同這一關系的發現而到來的。練習

1.20

世紀初，著名的物理學家

提出了狹義相對論。愛因斯坦