經(jīng)典力學(xué)的運(yùn)用及局限

刁驍陽

摘 要：在對高中物理進(jìn)行學(xué)習(xí)的過程中就可以發(fā)現(xiàn)利用經(jīng)典力學(xué)無法解釋的現(xiàn)象，這就意味著經(jīng)典力學(xué)存在一定的局限性。鑒于以上問題，我們以宇宙時(shí)空觀與慣性系、非慣性系為主要內(nèi)容，探討其中存在的局限問題。一切真理都需要實(shí)踐的檢測，而真理不是絕對存在的，需要依靠某些特定條件才能成立，文中就針對經(jīng)典力學(xué)的運(yùn)用和局限性問題進(jìn)行研究，希望可以掌握經(jīng)典力學(xué)成立的條件和依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高中物理；經(jīng)典力學(xué)；局限

經(jīng)典力學(xué)是在高中之后才接觸的系統(tǒng)化的物理知識(shí)，主要是以牛頓定律來表述宏觀事物的發(fā)展和規(guī)律。眾所周知，牛頓定律主要研究的是物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及力學(xué)方面的內(nèi)容，在物理學(xué)科中經(jīng)典力學(xué)是最先為認(rèn)定為是力學(xué)綱領(lǐng)內(nèi)容的一個(gè)力學(xué)系統(tǒng)。早在1687年牛頓所發(fā)表的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中就介紹了萬有引力定律和牛頓定律，主要針對的是宏觀、低速以及引力方面的研究。在后續(xù)的天體運(yùn)動(dòng)研究中對牛頓定律和萬有引力定律給出證實(shí)，充分證明了牛頓定律和萬有引力定律的合理性。在物理學(xué)生和應(yīng)用中我們可以發(fā)現(xiàn)即便是經(jīng)典力學(xué)這個(gè)經(jīng)過多次實(shí)踐檢驗(yàn)的真理也存在一定的局限性。

一、針對宇宙時(shí)空觀的經(jīng)典力學(xué)運(yùn)用和局限性分析

（一）經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀

牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中針對時(shí)間的表述如下：對于絕對、真實(shí)和數(shù)學(xué)的時(shí)間而言，時(shí)間的變化與自身的特性相關(guān)，它可以以自身的勻速流逝為依據(jù)，將一起事物排除在外，形成相對獨(dú)立的時(shí)間，鑒于這種情況也可以將時(shí)間的流逝稱之為是一種延續(xù)。相對、表象和通常的時(shí)間我們可以根據(jù)外界的事物變化對其進(jìn)行感知，這種感知往往被具化為具體的時(shí)間，即我們生活中所說的小時(shí)、天、月和年為單位的時(shí)間；關(guān)于空間的表述如下：對于絕對空間而言，其自身特定決定了不會(huì)與外界的任何事物存在聯(lián)系，且一直處于勻速的不移動(dòng)的狀態(tài)。相對的空間是指，在空間中可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，我們可以根據(jù)物質(zhì)的變化來感知空間的變化，但是卻是無法被移動(dòng)的?？傮w來說就是時(shí)間在宇宙中均勻流逝，空間僅作為一個(gè)容器而存在，與時(shí)間之間并沒有直接的關(guān)聯(lián)，也會(huì)存在物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。

（二）經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀的局限性分析

牛頓所提出的時(shí)空觀雖然在一定意義上與我們的現(xiàn)實(shí)生活相吻合，但是所表述的內(nèi)容均是相對而言的，一定要在保證所有條件滿足的基礎(chǔ)上才會(huì)成立。為此，在實(shí)際學(xué)習(xí)的過程中僅能給予我們對時(shí)空觀的一個(gè)固有定義，很難通過實(shí)踐來實(shí)現(xiàn)，致使在學(xué)習(xí)的過程中，大部分學(xué)生都產(chǎn)生了難以理解的感受。而愛因斯坦對時(shí)空觀的全新解讀也是影響經(jīng)典力學(xué)應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。愛因斯坦認(rèn)為當(dāng)物體處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，物體的體積即可代表物體所使用的空間，而它在運(yùn)動(dòng)過程中所具備的物理過程和化學(xué)過程的持續(xù)時(shí)間均與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相關(guān)。這就意味著推翻了經(jīng)典力學(xué)中所表述的物體運(yùn)動(dòng)與時(shí)間和空間不存在聯(lián)系的觀點(diǎn)，愛因斯坦的時(shí)空觀給予世人重新認(rèn)識(shí)事物本質(zhì)的機(jī)會(huì)和機(jī)遇，讓其了解到一切真理都不是絕對的，需要經(jīng)過實(shí)踐的檢驗(yàn)。

愛因斯坦的俠義相對論是建立在兩個(gè)基本假設(shè)基礎(chǔ)之上的。一是相對性原理，即物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變與選擇任何一個(gè)參照系無關(guān)；二是光速不變原理。即對任何一個(gè)參照系而言.光速都是相同的從這兩個(gè)基本假設(shè)出發(fā)，愛因斯坦得出以下主要結(jié)論：

（1）長度收縮，即運(yùn)動(dòng)物體在運(yùn)動(dòng)方向長度縮短；

（2）時(shí)鐘變慢，即運(yùn)動(dòng)著的時(shí)鐘要變慢；

（3）光速極限，即任何物體的速度都不可能超過光速；

（4）同時(shí)性是相對的，即在一個(gè)慣性系中同時(shí)發(fā)生的事情，在另一個(gè)慣性系中測量便不是同時(shí)發(fā)生的；

（5）如果物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的速度比光速小得多，相對論力學(xué)就變?yōu)榕ｎD力學(xué)，因此相對論比牛頓力學(xué)具有更普遍的意義。時(shí)間和空間的相對性和統(tǒng)一性，是狹義相對論的核心思想。狹義相對論從數(shù)學(xué)關(guān)系上精確地揭示了空間和時(shí)間的統(tǒng)一性，所謂孤立的空間和孤立的時(shí)間在自然界是不存在的。

二、慣性系和非慣性系

慣性和非慣性是針對運(yùn)動(dòng)中的物體而言的，在描寫物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，可以選擇任意一個(gè)參照物。例如，對于在行駛的車廂中走動(dòng)的乘客來說，在對其運(yùn)動(dòng)進(jìn)行描述時(shí)，既可以將地面作為參照，又可以將相對運(yùn)動(dòng)的車廂作為參照。但是對于經(jīng)典力學(xué)而言，則并不是選擇任意參照物既可以實(shí)現(xiàn)對物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述。在物理課堂中所做的實(shí)驗(yàn)可以證明，當(dāng)選擇地面為參照物時(shí)，經(jīng)典力學(xué)是能夠成立的。但是，除去將地面作為參考的方法，卻無法確定使用哪種參照經(jīng)典力學(xué)對物體運(yùn)動(dòng)理論的觀點(diǎn)是絕對成立的。

在1632年，伽利略在《關(guān)于兩種世界體系的對話》中針對物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)給出了這樣的描述，當(dāng)船停止不動(dòng)時(shí)，身邊的飛蟲是以等速的狀態(tài)朝著各個(gè)方向飛行，而魚是向著各個(gè)方向隨意游動(dòng)，水滴會(huì)直接滴入下方的罐子中。在與朋友之間相互投擲物體時(shí)，無外界因素干擾且等距離的情況下，兩個(gè)方向的拋出力量可以是相同的，不存在力量上的差異。當(dāng)雙腳跳起時(shí)，無論方向發(fā)生什么變化，跳出的距離均是等距的。在對上述事物進(jìn)行觀察之后，讓船以任何速度前行，只要保持均速狀態(tài)，上面所描述的現(xiàn)象均不會(huì)發(fā)生改變，也無法通過某個(gè)現(xiàn)象來判定船的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)伽利略的這一描述可以得出，相對于地面做均速運(yùn)動(dòng)的船艙內(nèi)所做出的力學(xué)實(shí)驗(yàn)與地面上的力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同。由此可得，牛頓定律在將相對于地面做勻速直線運(yùn)動(dòng)的物體作為參考時(shí)同樣可以成立。

而牛頓定律在相對直線變速運(yùn)動(dòng)中是否成立則需要另外證實(shí)，首先選擇一個(gè)做勻速直線運(yùn)動(dòng)的車廂，并將其作為參考，在車廂的車子上放置一個(gè)小球，將車廂作為參考時(shí)，小球?yàn)殪o止的狀態(tài)，因其此時(shí)所承受的合力為零，與牛頓定律中的觀點(diǎn)相符。此時(shí)，讓車廂做出向左的加速運(yùn)動(dòng)，觀察車廂中的小球以加速的狀態(tài)向右移動(dòng)，但是小球在車廂中并沒有受到其他物體施加的力，此時(shí)小球所承受的合力仍等于零，也就是說當(dāng)車廂做變速運(yùn)動(dòng)時(shí)，牛頓定律就無法成立，這也是經(jīng)典力學(xué)存在的一個(gè)局限。

在物理中，我們將可以證實(shí)牛頓定律的參考系統(tǒng)稱為慣性參考系，簡稱慣性系，而針對那些無法證實(shí)牛頓定律的參考系則稱之為非慣性系。在物理學(xué)習(xí)中，研究物理運(yùn)動(dòng)問題時(shí)，多數(shù)將地面作為參考系，而將地面和相對于地面做出直線運(yùn)動(dòng)的物體均可以劃分為慣性系的范疇。我們在學(xué)習(xí)經(jīng)典力學(xué)時(shí)，常將慣性系作為參考對力學(xué)的理論進(jìn)行驗(yàn)證和講解。

雖然經(jīng)典力學(xué)的觀念在處理宏觀事物的低速運(yùn)動(dòng)時(shí)是可以適用的，但是在20世紀(jì)初就在物理學(xué)家愛因斯坦的全新理論下被推翻，利用狹義的相對論將維持已久的經(jīng)典力學(xué)結(jié)論做出了整改。經(jīng)典力學(xué)中認(rèn)為物體的質(zhì)量是固定的，不會(huì)因外界因素的影響而產(chǎn)生變化，而相對論中則表示物體的質(zhì)量會(huì)隨著運(yùn)動(dòng)速度的提升而增大。

對于物理學(xué)的研究在進(jìn)入20世紀(jì)之后已經(jīng)從原有的宏觀事物發(fā)展到對微觀世界的研究，逐步發(fā)現(xiàn)了電子、質(zhì)子和中子等微觀粒子的各種性質(zhì)。這種微觀事物的運(yùn)動(dòng)規(guī)律已經(jīng)無法使用經(jīng)典力學(xué)進(jìn)行說明。為此，相關(guān)專家研究出了量子力學(xué)，它能夠?qū)崿F(xiàn)對微觀粒子的正確描述，并對科學(xué)發(fā)展具有一定推動(dòng)作用。這也充分說明了經(jīng)典力學(xué)的局限性，并不適合對微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究。

通過上述表述可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)典力學(xué)的內(nèi)容只適合解讀低速運(yùn)動(dòng)的問題和直線勻速運(yùn)動(dòng)的力學(xué)問題，而針對高速運(yùn)動(dòng)問題和變速運(yùn)動(dòng)問題則無法做出正確的解讀。與此同時(shí)，針對微觀粒子的解讀也存在一定的缺陷。在對經(jīng)典力學(xué)的驗(yàn)證方法進(jìn)行分析之后可以發(fā)現(xiàn)，它只適用于低速、勻速直線運(yùn)動(dòng)以及宏觀物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行研究，在實(shí)際學(xué)習(xí)過程中同樣可以發(fā)現(xiàn)其存在的局限性。

參考文獻(xiàn)：

[1]王鍵.經(jīng)典力學(xué)的成與敗[J].當(dāng)代青年月刊，2015（6）.

[2]尼瑪央宗.再議經(jīng)典力學(xué)的成就與局限性[J].城市建設(shè)理論研究：電子版，2012（21）.