经典力学的运用及局限

刁骁阳

摘 要：在对高中物理进行学习的过程中就可以发现利用经典力学无法解释的现象，这就意味着经典力学存在一定的局限性。鉴于以上问题，我们以宇宙时空观与惯性系、非惯性系为主要内容，探讨其中存在的局限问题。一切真理都需要实践的检测，而真理不是绝对存在的，需要依靠某些特定条件才能成立，文中就针对经典力学的运用和局限性问题进行研究，希望可以掌握经典力学成立的条件和依据。

关键词：高中物理；经典力学；局限

经典力学是在高中之后才接触的系统化的物理知识，主要是以牛顿定律来表述宏观事物的发展和规律。众所周知，牛顿定律主要研究的是物体的运动状态以及力学方面的内容，在物理学科中经典力学是最先为认定为是力学纲领内容的一个力学系统。早在1687年牛顿所发表的《自然哲学的数学原理》中就介绍了万有引力定律和牛顿定律，主要针对的是宏观、低速以及引力方面的研究。在后续的天体运动研究中对牛顿定律和万有引力定律给出证实，充分证明了牛顿定律和万有引力定律的合理性。在物理学生和应用中我们可以发现即便是经典力学这个经过多次实践检验的真理也存在一定的局限性。

一、针对宇宙时空观的经典力学运用和局限性分析

（一）经典力学的时空观

牛顿的《自然哲学的数学原理》一书中针对时间的表述如下：对于绝对、真实和数学的时间而言，时间的变化与自身的特性相关，它可以以自身的匀速流逝为依据，将一起事物排除在外，形成相对独立的时间，鉴于这种情况也可以将时间的流逝称之为是一种延续。相对、表象和通常的时间我们可以根据外界的事物变化对其进行感知，这种感知往往被具化为具体的时间，即我们生活中所说的小时、天、月和年为单位的时间；关于空间的表述如下：对于绝对空间而言，其自身特定决定了不会与外界的任何事物存在联系，且一直处于匀速的不移动的状态。相对的空间是指，在空间中可以进行运动的结构，我们可以根据物质的变化来感知空间的变化，但是却是无法被移动的。总体来说就是时间在宇宙中均匀流逝，空间仅作为一个容器而存在，与时间之间并没有直接的关联，也会存在物质运动的关系。

（二）经典力学时空观的局限性分析

牛顿所提出的时空观虽然在一定意义上与我们的现实生活相吻合，但是所表述的内容均是相对而言的，一定要在保证所有条件满足的基础上才会成立。为此，在实际学习的过程中仅能给予我们对时空观的一个固有定义，很难通过实践来实现，致使在学习的过程中，大部分学生都产生了难以理解的感受。而爱因斯坦对时空观的全新解读也是影响经典力学应用的关键因素之一。爱因斯坦认为当物体处于高速运动状态时，物体的体积即可代表物体所使用的空间，而它在运动过程中所具备的物理过程和化学过程的持续时间均与运动状态相关。这就意味着推翻了经典力学中所表述的物体运动与时间和空间不存在联系的观点，爱因斯坦的时空观给予世人重新认识事物本质的机会和机遇，让其了解到一切真理都不是绝对的，需要经过实践的检验。

爱因斯坦的侠义相对论是建立在两个基本假设基础之上的。一是相对性原理，即物体运动状态的改变与选择任何一个参照系无关；二是光速不变原理。即对任何一个参照系而言.光速都是相同的从这两个基本假设出发，爱因斯坦得出以下主要结论：

（1）长度收缩，即运动物体在运动方向长度缩短；

（2）时钟变慢，即运动着的时钟要变慢；

（3）光速极限，即任何物体的速度都不可能超过光速；

（4）同时性是相对的，即在一个惯性系中同时发生的事情，在另一个惯性系中测量便不是同时发生的；

（5）如果物质运动的速度比光速小得多，相对论力学就变为牛顿力学，因此相对论比牛顿力学具有更普遍的意义。时间和空间的相对性和统一性，是狭义相对论的核心思想。狭义相对论从数学关系上精确地揭示了空间和时间的统一性，所谓孤立的空间和孤立的时间在自然界是不存在的。

二、惯性系和非惯性系

惯性和非惯性是针对运动中的物体而言的，在描写物体的运动状态时，可以选择任意一个参照物。例如，对于在行驶的车厢中走动的乘客来说，在对其运动进行描述时，既可以将地面作为参照，又可以将相对运动的车厢作为参照。但是对于经典力学而言，则并不是选择任意参照物既可以实现对物体运动状态的描述。在物理课堂中所做的实验可以证明，当选择地面为参照物时，经典力学是能够成立的。但是，除去将地面作为参考的方法，却无法确定使用哪种参照经典力学对物体运动理论的观点是绝对成立的。

在1632年，伽利略在《关于两种世界体系的对话》中针对物体运动状态给出了这样的描述，当船停止不动时，身边的飞虫是以等速的状态朝着各个方向飞行，而鱼是向着各个方向随意游动，水滴会直接滴入下方的罐子中。在与朋友之间相互投掷物体时，无外界因素干扰且等距离的情况下，两个方向的抛出力量可以是相同的，不存在力量上的差异。当双脚跳起时，无论方向发生什么变化，跳出的距离均是等距的。在对上述事物进行观察之后，让船以任何速度前行，只要保持均速状态，上面所描述的现象均不会发生改变，也无法通过某个现象来判定船的运动状态。根据伽利略的这一描述可以得出，相對于地面做均速运动的船舱内所做出的力学实验与地面上的力学实验结果相同。由此可得，牛顿定律在将相对于地面做匀速直线运动的物体作为参考时同样可以成立。

而牛顿定律在相对直线变速运动中是否成立则需要另外证实，首先选择一个做匀速直线运动的车厢，并将其作为参考，在车厢的车子上放置一个小球，将车厢作为参考时，小球为静止的状态，因其此时所承受的合力为零，与牛顿定律中的观点相符。此时，让车厢做出向左的加速运动，观察车厢中的小球以加速的状态向右移动，但是小球在车厢中并没有受到其他物体施加的力，此时小球所承受的合力仍等于零，也就是说当车厢做变速运动时，牛顿定律就无法成立，这也是经典力学存在的一个局限。

在物理中，我们将可以证实牛顿定律的参考系统称为惯性参考系，简称惯性系，而针对那些无法证实牛顿定律的参考系则称之为非惯性系。在物理学习中，研究物理运动问题时，多数将地面作为参考系，而将地面和相对于地面做出直线运动的物体均可以划分为惯性系的范畴。我们在学习经典力学时，常将惯性系作为参考对力学的理论进行验证和讲解。

虽然经典力学的观念在处理宏观事物的低速运动时是可以适用的，但是在20世纪初就在物理学家爱因斯坦的全新理论下被推翻，利用狭义的相对论将维持已久的经典力学结论做出了整改。经典力学中认为物体的质量是固定的，不会因外界因素的影响而产生变化，而相对论中则表示物体的质量会随着运动速度的提升而增大。

对于物理学的研究在进入20世纪之后已经从原有的宏观事物发展到对微观世界的研究，逐步发现了电子、质子和中子等微观粒子的各种性质。这种微观事物的运动规律已经无法使用经典力学进行说明。为此，相关专家研究出了量子力学，它能够实现对微观粒子的正确描述，并对科学发展具有一定推动作用。这也充分说明了经典力学的局限性，并不适合对微观粒子运动规律的研究。

通过上述表述可以发现，经典力学的内容只适合解读低速运动的问题和直线匀速运动的力学问题，而针对高速运动问题和变速运动问题则无法做出正确的解读。与此同时，针对微观粒子的解读也存在一定的缺陷。在对经典力学的验证方法进行分析之后可以发现，它只适用于低速、匀速直线运动以及宏观物体的运动状态进行研究，在实际学习过程中同样可以发现其存在的局限性。

参考文献：

[1]王键.经典力学的成与败[J].当代青年月刊，2015（6）.

[2]尼玛央宗.再议经典力学的成就与局限性[J].城市建设理论研究：电子版，2012（21）.