高中物理中关于经典力学局限性的思考

2018-04-18姜晨曦

中国校外教育(中旬) 2018年2期

姜晨曦

【摘要】经典力学指的是以牛顿三大定律作为基础，在低速状态和宏观世界下研究物体运动的有效方式方法，是作用于物体之上力学的物理模型。它包括三大定律以及万有引力定律。尽管经典力学再怎么科学合理，其自身也存在一定的局限性。爱因斯坦的相对论可以证明这一点。从时空观、惯性和非惯性这两方面进行论述二者。

【关键词】高中物理经典力学局限性

一、时空观

（一）经典力学的时空观

经典力学认为，时间和空间都有绝对和相对之分。绝对的时间是其自身均匀的流逝，与其他外在的事物没有关系；绝对的空间同样也是与其他一切外在事物没有关联，处处均匀，永远不移动。而相对的时间是可以感知的和外在的对运动的延续的量度，它经常用来替代真实的时间；相对的空间是对绝对空间的量度，人们经常通过其与物体的相对位置来认识它。综上所述，空间好像是一个装东西的容器，而时间是在宇宙中均匀的流逝，两者之间不存在任何关联，同时也和物质运动不存在关系。但是就现如今看来，这里有许多内容都是不适用的。

（二）相对论中的时空观

相对论又分为狭义相对论和广义相对论。狭义相对论认为，时间和空间具有相对性和统一性。他认为孤立的时间和空间是不存在的。在狭义相对论中，爱因斯坦做了两个假设：相对性原理和光速不变原理，从而得出了几个重要的结论：长度收缩、时钟变慢、光速极限等。同时，他认为同时性是相对的，在一个惯性系中同时发生的事情，在不同的惯性系中进行测量是就不是同时发生的；如果物质运动的速度比光速要小很多，那么相对论中的力学就和经典力学有了一定的相似性。广义相对论认为，时间和空间是不能够脱离物质而独立存在的，时间、空间是伴随着物质的运动和分布的变化而变化的，这就把时间空间和物质的内在联系揭露出来。同时，它还认为时间空间会因为物质的存在而发生变化，地球上的万有引力就是一个很好的例子。相对论中的时空观把时间和空间的关系及二者与物质的关系揭示的很清楚，可以说是弥补了经典力学的局限。

二、惯性和非惯性参考系

在我们描述一个物体的时候，不管它是否在运动，总是习惯找个参考系，并且这个参考系有很多。比如说，一个人在路上骑着自行车，自行车可以作为参考系，地面同样也可以作为参考系。然而，经典力学也就是牛顿力学体系并不是对于所有的参考系都是成立的。

经典力学体系除了地面参考系还有什么参考系适用呢？伽利略曾经在船舱时观察到：当船静止不动的时候，小飞虫在匀速向各个方向飞行，水中的鱼儿也在随意的向各个方向游动。当船匀速运动没有左右摇摆的时候，小飞虫和水中的小鱼仍旧是和船禁止不动时的现象一样。这样就使得人们没有办法去确定船到底是在运动还是禁止不动。这就表明，在相对于地面做匀速直线运动的物体中做力学试验研究与在地面所得到的结果是一样的没有差别。这就说明以相对于地面做匀速直线运动的物体作为参考系的时候经典力学体系还是成立的。但是，对于相对于地面做变速运动的参考系来说，牛顿力学定律又是否依旧成立呢？

假设有一辆车在做匀速直线运动，我们在车厢的桌面上放置一个圆球。相对于车厢参考系来说，球是静止的，小球所受的外力的合力是零，這就符合牛顿运动定律。如果车厢开始向右做加速运动，我们在在车厢内可以观察到，圆球在向左做加速运动，而这个时候圆球并没有受到其他物体的作用力，它所受的合力依旧零。这就证明，在相对于地面做变速运动的车内，牛顿运动定律不再适用。

在高中物理中，我们一般以惯性系作为参考系。经典力学中物体的质量是恒定不变的，它在处理宏观物体即质量变化可以忽略不计的低速运动问题的时候是适用的。然而，对于质量发生变化不能不计的情况下，非惯性参考系则比较适用，爱因斯坦的相对论即是如此。他指出，物体的质量要随着其运动速度的增大而增大，二者成正比。比如说，在地球围绕太阳公转时，它是进行低速匀速运动，质量变化几乎可以忽略不计，这时经典力学就可以应用于此。而当其运动速度比光速还要快时，物体质量的增大速度也在随着大幅度提升，已经不可以忽略了，在这个方面，经典力学显然已经不再适用。

虽然经典力学体系在微观领域已经有些落伍，但是物理学领域没有经典力学体系建立的基础是不可能发展到现在的。经典力学的地位仍旧是不可替代的。它是力学体系发展的根本。在它的基础上，才有了能量守恒、动能原理等现代物理学体系的出现与构建。

总而言之，由上可知，经典力学适用于质量不变或者变化可以忽略的低速运动，对于高速运动问题、微观粒子还是相对论和量子力学更加适用。相信在宏观的经典力学体系的基础上，通过科学家和物理学家的共同努力，把经典力学和微观的力学体系结合起来，物理学将走出桎梏，走向科学前沿。