物理家教中常提到的经典力学指什么?
2011年09月08日,分类:家教话题杂谈

北京家教老师王尚资料,转载注明。

最近物理家教时,有学生问我,您在物理家教中常挂在嘴边的的经典力学指什么?

在这里我对大家关注的,同时也是经常听到但不理解的学习问题,王尚给大家做个系统的答疑。

高中物理中的“经典力学”,又叫“牛顿力学”。其内容是以三大牛顿运动定律作为基础的。具体牛顿力学指的是,在宏观世界,研究对象在低速状态下运动的物理学范畴。经典力学分为静力学 (描述静止物体),运动学 (描述物体运动),和动力学 (描述物体受力作用下的运动)。需要指出来的是在高中物理我们研究的物体的平衡、匀变速直线运动、牛顿定律三章节均是这三块知识的最简单部分,到大学中的理论力学、材料力学等力学会有进一步的探索与研究。实际上早在几百年前,一位人类史上伟大的科学家伽利略先生,就从实验中发现了这些定律中的若干,并提出了假想理想实验模型(新课标),但在当时极度匮乏的数学知识前提下,伟大的伽利略并没有以文字的形式正式命名这些非常天才性的结论。英国伟大的科学家牛顿先生在此基础上,最早用数学描述把这些定律固定下来。(在这里需要给学生们说的是,牛顿不仅仅是一个物理学家,他在更大的程度上是一位数学家。在大学里,大家还会学到好多牛顿总结的公式如牛顿莱布尼兹公式等)

经典力学的这三条定律是现代物理学的基础,分别如下:
第一定律:如果物体处于静止状态或作匀速直线运动,只要没有外力作用,物体将保持静止状态或匀速直线运动状态。这个定律也叫惯性定律;(伽利略曾明确指出) 
第二定律:定量地描述外力使物体运动的变化情况,产生的加速度与物体受到的力成正比,与物体质量成反比,即a=F/m;(伽利略斜塔实验) 
第三定律:两个物体的相互作用力总是大小相等,方向相反。(伽利略斜塔实验假设的分析) 

高中物理中牛顿经典力学的特点有如下:
第一:是打破了绝对空间的概念,即在不同空间发生的事件是“相对”不同的,这在我们高中物理一开始的物理参考坐标系就讲到了。如运动车厢内静止的物体,相对在车厢外的人来说是运动的。
第二:仍然认为时间是绝对不变的。(这一点是被爱因斯坦狭义相对论修整,在新课标的物理课本上大家可以查看到)雅可比、拉格朗日(Lagrange)、哈密顿(Hamilton)等发展了它的形式,成为所谓分析力学(Analytic mechanics)。分析力学所建立的框架成为现代物理的基础,如量子场论、广义相对论、量子引力等。微分几何的发展为它注入了新的生命力,成为现代经典力学的主要研究手段。

经典力学在日常经验范围内给出了精确的结果,在接近光速的高速度的系统中被相对论力学取代,在小距离尺度系统中被量子力学取代,在同时具有上述两种特性的系统中被相对论量子场论取代。但是,经典力学依然是最为实用的物理理论,因为大部分情况下,在我们人类的周围都是处在经典力学的研究环境中的。具体来说:
第一,它比上述理论简单且易于应用;
第二,它在很多场合近似正确。
经典力学可用于描述人体尺寸物体的运动(例如顶和棒球),很多天体(如行星和星系)的运动,以及一些微尺度物体(如有机分子)。虽然经典力学和其他“经典”理论(如经典电磁学和热力学)大致兼容,还是有些只有现代物理才能解释的不一致性在十九世纪末被发现。经电非相对论电动力学预言光速相对于以太是常数,这一预测和经典力学无法调和,并导致了狭义相对论的发展。当和经典热力学结合起来时,经典力学导出吉布斯佯谬(熵无定义)和紫外灾难(黑体发射无穷能量)。关于经典力学,就说这些吧,说的太多大家也听不明白也不想听了。

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