第8.1节 牛顿力学的局限性（解析版）

第八章牛顿力学的局限性与相对论初步8.1牛顿力学的局限性🧭目标导航学问要点难易度1.牛顿力学不能解释：不能超过c、以太不存在、电子能级、强引力场2.牛顿力学适用范围：宏观、低速、弱引力场3.相对论没有完全否定牛顿力学★★★★📚学问精讲一、牛顿力学局限性1.牛顿力学无法解释的现象(1)粒子加速不行能超过光速按牛顿力学计算，质子质量为1.67×10-27kg，当把一个质子能量加速到1.6×10-10J时，速度=1.46c>c，这和试验观看不相符。通常用γ因子来描述高速粒子的性质：当粒子的速度很小时，γ≈1；当粒子的速度接近光速时，伽马因子会趋近于无穷大，说明质量无限增加。(2)以太不存在按牛顿力学，光的传播需要一种叫以太的介质，布满宇宙空间，但迈克耳孙莫雷试验证明不存在。(3)电子的能级电子在原子核正电荷的库仑力作用下绕核运转，其轨道半径是连续的；无法解释电子轨道能级量子化，原子光谱，激光等。(4)强引力场的天体运动一个质量为m，半径为R的天体，其引力场的强弱通常用引力常数，引力常数越小引力场越弱。地球的引力常数约为10-9，太阳引力常数约为10-6，而对于中子星，这个值约为10-1，黑洞则接近于1。牛顿力学在弱引力场天体运动方面取得了很大的成功，但无法正确描述强引力场天体的运动。2.牛顿力学局限性：牛顿力学的适用范围是低速宏观物体。(1)低速运动。当物体以接近光速运动时，有些与牛顿力学的结论不相同。(2)宏观物体的运动。电子、质子、中子等微观粒子的运动不能用牛顿力学来说明。(3)弱引力场。中子星、黑洞不能用牛顿力学描述。3.牛顿力学没有被相对论完全否定，当物体运动的速度远小于光速c时，相对论与牛顿力学没有区分。例1.下列关于经典力学的说法正确的是()A.经典力学适用于宏观、低速(远小于光速)运动的物体B.经典力学适用于微观、高速(接近光速)运动的粒子C.相对论和量子力学的消灭，表明经典力学已被完全否定了D.经典力学在理论和实践上取得了巨大的成功，从地面到天体的运动都听从经典力学的规律，因此任何状况下都适用答案：A解析：经典力学是狭义相对论在低速(v≪c)条件下的近似，即只要速度远小于光速，经过数学变换狭义相对论的公式就全部变化为经典力学的公式，故A正确，B、D错误；相对论与量子力学并没有否定经典力学，而是在其基础上进展起来的，故C错误。✏️巩固练习1.下列运动中不能用经典力学规律描述的是()A.子弹的飞行 B.和谐号从深圳向广州奔驰C.人造卫星绕地球运动 D.粒子接近光速的运动答案：D解析：子弹的飞行、火车的运动及人造卫星绕地球的运动，都属于宏观、低速，经典力学能适用，而粒子接近光速的运动，不能适用于经典力学，故选D。2.下列物理现象中，哪些可以在牛顿力学的框架下得到解释？哪些不能在牛顿力学的框架下得到解释？试简述理由。(1)地球绕太阳公转；(2)量子通信；(3)引力波；(4)加速器中高能粒子的运动；(5)激光；(6)电子的轨道运动：(7)水星的轨道进动；(8)黑体辐射的能量分布答案：(1)牛顿力学适用于低速、宏观的运动，地球绕太阳的公转可以用牛顿力学解释;(2)量子通信又称量子隐形传送，量子通信是由量子态携带信息的通信方式，它利用光子等基本粒子的量子纠缠原理实现保密通信过程，量子通信是利用了微观粒子，故不能在牛顿力学的框架下得到解释;(3)引力波是高速运动问题，故不能在牛顿力学的框架下得到解释。(4)加速器中高能粒子的运动是高速运动问题，故不能在牛顿力学的框架下得到解释。(5)激光是高速运动问题，故不能在生顿力学的框架下得到解释。(6)电子的轨道运动是量子力学的争辩范畴，而不是牛顿力学所能完全解释的。(7)水星的轨道进动是由于相对论效应的存在而导致的，牛顿力学未能精确     猜测这一现象，由于它没有考虑到高速运动下时间和空间的相对性。相对论供应了更精确的描述，解释了水星轨道的进动。(8)黑体辐射的能量分布也是牛顿力学无法解释的现象之一。这一问题在19世纪末引发了物理学界的“紫外灾难”，由于依据经典物理学的理论猜测，黑体在高频辐射下会放射出无穷大的能量，这与试验观测结果严峻不符。量子力学的进展解决了这个问题，供应了正确的黑体辐射能量分布公式。3.(多选)下列运动中经典力学规律适用的是()A.子弹的飞行 B.飞船绕地球的运行C.列车的运行 D.粒子接近光速的运动答案：ABC解析：经典力学的适用范围是宏观、低速的情形，子弹的飞行、飞船绕地球的运行、列车的运动，经典力学能适用，A、B、C正确；对于微观、高速的情形经典力学不再适用，D错误。4.计算下表中物体运动速度的γ因子：运动物体步行的人奔跑中的运动员高铁卫星从地球逃逸的卫星加速器中的高能粒子速度5km/h10m/s300km/h3.08km/s11.2km/s0.9999c答案：步行的人γ≈1 奔跑中的运动员γ≈1 高铁γ≈1 卫星γ≈1 从地球逃逸的卫星γ≈1 加速器中的高能粒子γ≈70.715.北京正负电子对撞机是我国第一台高能加速器，可以将电子能量加速到3.52×10-10J(2.2GeV)。依据牛顿力学，这个电子的速度是多大？这种状况下，牛顿力学是否适用？为什么？答案：依据牛顿力学，由题可知电子的动能:，则，该远速度大于光速，所以牛顿力学不适用。6.对于质量为1.4倍太阳质量、半径与地球相同的白矮星，计算它的引力常数，牛顿力学可以正确描写白矮星的运动吗？简述