經典力學的運用及局限

刁驍陽

摘 要：在對高中物理進行學習的過程中就可以發現利用經典力學無法解釋的現象，這就意味著經典力學存在一定的局限性。鑒于以上問題，我們以宇宙時空觀與慣性系、非慣性系為主要內容，探討其中存在的局限問題。一切真理都需要實踐的檢測，而真理不是絕對存在的，需要依靠某些特定條件才能成立，文中就針對經典力學的運用和局限性問題進行研究，希望可以掌握經典力學成立的條件和依據。

關鍵詞：高中物理；經典力學；局限

經典力學是在高中之后才接觸的系統化的物理知識，主要是以牛頓定律來表述宏觀事物的發展和規律。眾所周知，牛頓定律主要研究的是物體的運動狀態以及力學方面的內容，在物理學科中經典力學是最先為認定為是力學綱領內容的一個力學系統。早在1687年牛頓所發表的《自然哲學的數學原理》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。在后續的天體運動研究中對牛頓定律和萬有引力定律給出證實，充分證明了牛頓定律和萬有引力定律的合理性。在物理學生和應用中我們可以發現即便是經典力學這個經過多次實踐檢驗的真理也存在一定的局限性。

一、針對宇宙時空觀的經典力學運用和局限性分析

（一）經典力學的時空觀

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

（二）經典力學時空觀的局限性分析

牛頓所提出的時空觀雖然在一定意義上與我們的現實生活相吻合，但是所表述的內容均是相對而言的，一定要在保證所有條件滿足的基礎上才會成立。為此，在實際學習的過程中僅能給予我們對時空觀的一個固有定義，很難通過實踐來實現，致使在學習的過程中，大部分學生都產生了難以理解的感受。而愛因斯坦對時空觀的全新解讀也是影響經典力學應用的關鍵因素之一。愛因斯坦認為當物體處于高速運動狀態時，物體的體積即可代表物體所使用的空間，而它在運動過程中所具備的物理過程和化學過程的持續時間均與運動狀態相關。這就意味著推翻了經典力學中所表述的物體運動與時間和空間不存在聯系的觀點，愛因斯坦的時空觀給予世人重新認識事物本質的機會和機遇，讓其了解到一切真理都不是絕對的，需要經過實踐的檢驗。

愛因斯坦的俠義相對論是建立在兩個基本假設基礎之上的。一是相對性原理，即物體運動狀態的改變與選擇任何一個參照系無關；二是光速不變原理。即對任何一個參照系而言.光速都是相同的從這兩個基本假設出發，愛因斯坦得出以下主要結論：

（1）長度收縮，即運動物體在運動方向長度縮短；

（2）時鐘變慢，即運動著的時鐘要變慢；

（3）光速極限，即任何物體的速度都不可能超過光速；

（4）同時性是相對的，即在一個慣性系中同時發生的事情，在另一個慣性系中測量便不是同時發生的；

（5）如果物質運動的速度比光速小得多，相對論力學就變為牛頓力學，因此相對論比牛頓力學具有更普遍的意義。時間和空間的相對性和統一性，是狹義相對論的核心思想。狹義相對論從數學關系上精確地揭示了空間和時間的統一性，所謂孤立的空間和孤立的時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動中的物體而言的，在描寫物體的運動狀態時，可以選擇任意一個參照物。例如，對于在行駛的車廂中走動的乘客來說，在對其運動進行描述時，既可以將地面作為參照，又可以將相對運動的車廂作為參照。但是對于經典力學而言，則并不是選擇任意參照物既可以實現對物體運動狀態的描述。在物理課堂中所做的實驗可以證明，當選擇地面為參照物時，經典力學是能夠成立的。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典力學對物體運動理論的觀點是絕對成立的。

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

而牛頓定律在相對直線變速運動中是否成立則需要另外證實，首先選擇一個做勻速直線運動的車廂，并將其作為參考，在車廂的車子上放置一個小球，將車廂作為參考時，小球為靜止的狀態，因其此時所承受的合力為零，與牛頓定律中的觀點相符。此時，讓車廂做出向左的加速運動，觀察車廂中的小球以加速的狀態向右移動，但是小球在車廂中并沒有受到其他物體施加的力，此時小球所承受的合力仍等于零，也就是說當車廂做變速運動時，牛頓定律就無法成立，這也是經典力學存在的一個局限。

在物理中，我們將可以證實牛頓定律的參考系統稱為慣性參考系，簡稱慣性系，而針對那些無法證實牛頓定律的參考系則稱之為非慣性系。在物理學習中，研究物理運動問題時，多數將地面作為參考系，而將地面和相對于地面做出直線運動的物體均可以劃分為慣性系的范疇。我們在學習經典力學時，常將慣性系作為參考對力學的理論進行驗證和講解。

雖然經典力學的觀念在處理宏觀事物的低速運動時是可以適用的，但是在20世紀初就在物理學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典力學結論做出了整改。經典力學中認為物體的質量是固定的，不會因外界因素的影響而產生變化，而相對論中則表示物體的質量會隨著運動速度的提升而增大。

對于物理學的研究在進入20世紀之后已經從原有的宏觀事物發展到對微觀世界的研究，逐步發現了電子、質子和中子等微觀粒子的各種性質。這種微觀事物的運動規律已經無法使用經典力學進行說明。為此，相關專家研究出了量子力學，它能夠實現對微觀粒子的正確描述，并對科學發展具有一定推動作用。這也充分說明了經典力學的局限性，并不適合對微觀粒子運動規律的研究。

通過上述表述可以發現，經典力學的內容只適合解讀低速運動的問題和直線勻速運動的力學問題，而針對高速運動問題和變速運動問題則無法做出正確的解讀。與此同時，針對微觀粒子的解讀也存在一定的缺陷。在對經典力學的驗證方法進行分析之后可以發現，它只適用于低速、勻速直線運動以及宏觀物體的運動狀態進行研究，在實際學習過程中同樣可以發現其存在的局限性。

參考文獻：

[1]王鍵.經典力學的成與敗[J].當代青年月刊，2015（6）.

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