经典力学是高中物理课程中重要的内容之一, 从十七世纪开始, 以牛顿的运动定律为基础, 经典力学不断发展, 并在宏观、低速、弱引力等方面取得了巨大的进步, 经典力学在各行业的生产技术方面得到了广泛应用, 从地面物体运动到天体运动、火车、汽车、飞机等各种交通工具都证实了万有引力的正确性。但是经典力学也不是万有的, 在某些领域和认知方面也存在一定的局限性。在学习过程中, 也会给学生增加一定的难度, 因此认识到经典力学的局限性, 对学生学习高中物理知识具有一定的帮助, 下文就进行了详细的探讨。
一、从低速到高速
在一个无限大光滑水平面上, 有一个质量为m的物体, 在水平力恒力F的作用下, 物体m开始运动, 按照牛顿第二定律, 物体以加速度a=F/m做匀加速直线运动。按照运动学理论, 可以的得出物体的速度v=at。分析, 随着时间的推移, 物理运动的速度越来越大, 最后物体可以获得任意速度。然而在实践过程中, 其实物体的运动速速是有极限的, 目前已知的最大速度是光速, 没有任何物体的速度可以超过光速, 这是什么原因造成的, 经典力学没有做出解释[1]。
二、时空观
时空观在人们的生活中的运用比较广泛, 时间与人们的生活息息相关, 牛顿在《自然哲学的数学原理》中对时间的认识比较充分, 他认为时间是绝对的, 而且也是真实的, 时间的均匀流逝与外界的事物没有较大的关系。而相对性的时间, 也就是人们通常能感知的时间, 它可以代替真实的时间, 比如:一个小时, 或者一天, 甚至一个月以及一年等, 由于各个阶段的时间具有相对性, 因而真实时间的感知性也不同。时空观除了时间之外还有空间的概念, 牛顿认为绝对空间及其自身特性与一切外在事物无关, 它永远处于均匀和不移动的状态。而相对空间则是可以在绝对空间运动的结构, 相对空间是通过与物体相对位置进行感知的, 因而相对空间是不能移动的[2]。牛顿的时空观念和人们过去对世界的认知非常接近, 所以以至于长期以来, 人类忽视了对时空的探究。直到1905年爱因斯坦提出了相对论, 他认为物体在高速运动情况下, 如果物体达到了接近真空的速度, 物体占用的空间就是物体的长度值, 甚至是物体生命的持续时间。爱因斯坦认为时间和空间与物体的运动状态有关, 而经典力学则认为物体的质量不会随着运动状态发生改变, 而相对论则物体的质量随着物体运动速度不断增加。也就是其中公式中的m0是静止质量, m是物体速度, v是物体的质量, c表示真空中的光速。按照上述公式计算, 在低速运转过程中, 如果地球围绕太阳公转的速度为3×104m/s, 则地球质量的增长很小, 因此经典力学完全适应。如果v=0.8c, 那么这个时候物体的质量增大到静止质量的1.7倍, 经典力学就无法解决这个问题了[3]。
三、惯性系和非惯性系
在物体运动研究中, 为了方便研究, 研究者一般选取的参考对象比较随意, 而且参照物的选取也具有随意性, 比如一个乘客在加速运动火车车厢中行走, 研究者描述他的运动状态时, 他的参考指标为地面。由此可见, 平常我们在研究物体运动都是以地面作为参考标准的, 伽利略理想实验和高中物理的很多运动和力学实验都是用地面作为参考指标, 这些实验表明牛顿运动定律对地面参考指标是成立的。
在物理学中, 将适合牛顿运动定律的参考对象叫做惯性, 比如:在平常研究物体运动期间, 以地面作为参考系;而非惯性系则是不适合牛顿运动定律的参考系。相对地面做匀速直线运动的参照物也是惯性系。从整体而言, 高中物理的惯性系都可以称之为参考系。
四、微观粒子
目前, 进入到二十一世纪后, 物理学的发展速度越来越快, 并且物理学家从宏观研究转而到微观研究, 比如电子、质子、中子等微观粒子, 由于这些粒子的波动性比较显著, 因而其运动规律无法用经典力学来解释。而后来建立的量子力学, 由于它能正确的描述微观粒子的运动变化规律, 同时在现代科学技术中发挥重要作用, 所以量子力学也不适合微观粒子。
五、结束语
力学在高中学习阶段占据重要位置, 力学的学习也有一定的难度, 同时这也是每年高考考察的重点内容之一。我们在解答问题的时候, 不能试图用力学解决所有问题。从上述例子中可以看出, 经典力学只适合解决低速运动以及宏观物体运动, 无法解决高速运动的物体和微观粒子。所以在我们在答题过程中, 要结合具体的情况, 运用不同的解题策略, 这样才能有效解答各种力学题目。
摘要：牛顿运动定律和万有引力将天体运动和物体运动结合起来, 是人类第一次客观认识世界, 力学和热力学的结合使得蒸汽机广泛应用, 并引发了第一次工业革命。但是力学和所有其他科学一样, 牛顿在创建万有引力的时候, 受到社会环境和自身知识理论的限制, 使力学具有一定的局限性。本文主要从物体高速运动以及微观粒子两个方面分析了力学的局限性, 希望对学习高中物理提供一定的帮助。
关键词：高中物理,经典力学,局限性研究
参考文献
[1] 童海燕.高中物理中关于经典力学局限性的思考[J].考试周刊, 2014, (79) :133-133.
[2] 谢泽坤.使用高中物理新教材的新感受[J].试题与研究:新课程论坛, 2012, (9) :75-75.
[3] 于学学.论经典力学的局限性[J].新课程 (教研版) , 2012, (5) :108-109.