既然牛頓力學有局限性,爲什麼高中力學還是以牛頓力學爲主?

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施鬱(復旦大學物理學系教授)

牛頓力學是關於我們周圍的宏觀物體的運動規律。中學生學習物理從牛頓力學出發,可以直接與自己的感性認識相匹配,比較容易理解接受。只有在運動速度與光速可比擬時,才不能忽略相對論的效應。而量子力學的條件比較複雜,簡單地說,主要是微觀粒子才服從量子力學,或者說體系的作用量的數量級(能量乘以時間的數量級)與普朗克常數相比擬的時候,才需要考慮量子效應。而這些相對論和量子力學的條件並不是人們在日常生活中直接感受到的。因此如果中學生學物理直接從相對論和量子力學開始,會脫離他們的生活經驗,不太符合認識規律。

而且相對論和量子力學與牛頓力學的關係並不是將前兩者扔掉重起爐灶,而是借用了牛頓力學的概念和語言基礎,並指出與牛頓力學的背離之處。


物理文化與施鬱世界線


我們不能只看到牛頓力學的侷限性,更應該看到牛頓力學的廣泛適用性。

圖1. 不同情形下的力學

對於大部分人來說,需要處理的日常生活中的問題大都是一些宏觀的低速運動下的情形。這些問題用牛頓力學完全可以得到很好的解決。這裡的宏觀是相對於微觀的粒子而言,低速是相對於光速而言。針對於微觀情形發展出了量子力學,而針對於告訴情形則發展出了相對論。因此從知識的適用性而言,認真學習牛頓力學是很有必要的。

其實,從知識的遞進性而言,也應該從認真研究牛頓力學開始。無論是相對論和量子力學都涉及到了一些高等數學的知識,這些在高中階段是無法深入講解的。在高中階段的數學知識我們也只是學了一些簡單的積分和求導的概念,成形的微積分思想並沒有很好地建立起來。在這種基礎上直接去學相對論和量子力學也是不太實際的。雖然在高中物理中我們也會學一些相對論和量子力學的知識,但僅僅限於基本概念和結論而已。

即使要學習相對論和量子力學,也要先把牛頓力學學好。

一句通俗的話來講,你不都學一下,怎麼知道它的適用性和侷限性是怎麼樣的呢?在大學的工科專業會學習所謂的四大力學,即理論力學,結構力學,彈性力學,材料力學,這四大力學都是在牛頓力學的基礎上建立起來的,對於解決工程力學上的問題就已經足夠了。對應地在物理系也有相應的四大力學,即理論力學、統計力學、電動力學、量子力學。其中的理論力學也是基於牛頓經典力學展開討論的。真正涉及到非經典力學的量子力學也都到了大三時候才會認真學習,之前基本是在學習經典力學。實際上在解決一些實際問題時,完全用量子力學解決也是很複雜的。常用的手段就是半經典的近似,即某些方面用量子概念,某些方面用經典的概念,這樣得到的結果也是很不錯的,對我們建立物理圖像很有幫助。


量子驛站


一套理論需要從根基學期,而不是上來就要蓋高樓,卻沒打好地基。物理的整個發展過程如此,個人的學習也應是如此。

牛頓力學的廣泛適用性是不言而喻的,雖然在某些高深的領域可能會被證偽,但是這並不影響它是最好的物理學基礎。

從牛頓的運動定律就可以看出端倪。

·牛頓第一運動定律,也稱慣性定律:任何物體都要保持勻速直線運動或靜止狀態,直到外力迫使它改變運動狀態為止。

·牛頓第二運動定律:物體加速度的大小跟作用力成正比,跟物體的質量成反比,且與物體質量的倒數成正比;加速度的方向跟作用力的方向相同。

·牛頓第三運動定律:相互作用的兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等,方向相反,且作用在同一條直線上。

三個定律組成了牛頓在運動力學上的基本框架。但是還應注意,這三條定律各自相互獨立,內在的邏輯符合自洽一致性(即三定律順承邏輯相容構成有機整體),這本身就說明這三條定律的總結到位到了極致。

可能有人會說,我們在高中學習牛頓力學的時候,很多情況下都是在理想的體系中去求解的。光滑無摩擦的小球、滑輪、斜面、小車,無質量、無體積的點,無質量的細繩,這些系統和事物都太“理想化”。但是正因為這些理想化的系統給我們限定了一些最為主要,也是最為基本的因素,我們在日常的計算中才能去在這個框架下去找到其他的影響因素。

所以,儘管牛頓力學在很多方面捉襟掣肘,但這並不妨礙它的偉大。畢竟,基礎打牢了,你才能往更高、更深的方向去學習。沒學會走,怎麼可能跑~


蓋木官兒


其實很簡單,因為我們的日常生活基本上脫離不了低速世界的影響!我們生活中經歷的最高速度應該就是民用飛機了吧,時速1000公里都不到,這種速度對於時間空間的影響微乎其微,可以忽略不計!

而如果在低速世界裡刻意追求絕對的準確性,考慮了速度對時間空間的影響,這種絕對的準確性不但不會給我們生活帶來好處,反而會增加很多麻煩!

比如說,火箭和衛星的發射升空原理,利用的就是牛頓的經典力學,而沒有考慮愛因斯坦相對論中的時空結構!經典力學計算速度和運行軌道非常簡單方便,而如果用相對論計算,的確十分精確(經典力學只是相對論的低速世界的特殊表達形式,可以理解為近似值),但這種精確不是我們需要的!

當然,我們經常用的GPS定位系統必須考慮到相對論中的時間膨脹效應,因為導航要求很準確的,特別是在時間膨脹效應不斷累計的時候更需要精確!


宇宙探索



有侷限不等於有錯誤。

有錯誤是不能忍的,有侷限純屬正常。

如同小孩子我們不會教他社會的殘酷一樣,同理物理學也要從最基礎的講起。

牛頓力學在它所能適應的範圍內還沒有證據證明哪裡錯了。而且所能解釋的現場就在眼前,坐電梯,勢能轉換為動能等等之類。

這些現象牛頓力學解釋哪裡錯了?很正確,而不能用牛頓力學解釋的卻遠在天邊,比如原子中子之類的。

一個正確理論的侷限性不在於它自己,而在於世界的複雜,所謂開那把鎖用那把鑰匙,量子力學無法解釋平常很多見到的現象。


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所有的真理都是相對真理,相對真理的總和構成了絕對真理。雖然牛頓力學只能近似來描述宏觀低速的物體運動,具有侷限性,但是它在解決我們日常生活(宏觀低速世界)中的問題時還是有很大的價值和意義,並且高中力學主要在於培養學生分析解決問題的思維能力,牛頓力學巧妙的解釋了力和運動之間的關係,能夠給學生提供認識世界進而改變世界的工具。牛頓力學是高中力學中的重要環節。





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牛頓力學的侷限性是什麼呢?牛頓力學是現代物理學的基礎,牛頓的經典力學適用於我們日常生活中的絕大多數的情況,雖然目前主流的觀點認為經典力學適用的範圍是宏觀、低速的情況,經典力學的侷限性是時間與空間的絕對性、力傳導的瞬時性,但經典力學依然是人們解決日常生活中常見問題的首選,因為大多數的問題用經典力學就可以解決,並且效率非常高。

至於牛頓力學的侷限性,是在於微觀世界或者大質量高速的情況下會出現一定的偏差,當然這也只是目前的主流觀點而已。牛頓力學以其簡潔、高效自然是高中力學的主要學習內容。如果在高中不學習牛頓力學而直接進入量子力學,就好比沒有打地基就開始建造房屋一樣。


九心逍遙


如果把科學技術分成科學與技術兩個概念,那麼牛頓力學在目前技術上的應用遠遠多於更高層次的相對論等科學。用相對論公式計算車速完全是可以的,但牛頓力學是更簡便的近似。比如菜市場買菜,你一定要用精確到微克的稱量工具嗎?或者說,你有了精確到微克的稱量工具,菜市場就不需要電子秤了嗎?


暢想30


高中是基礎教育是宏觀培養,不針對你將來可能從事的專業所傳授的知識是普遍性的,所以假如你將來從事的是一些工科專業,其中涵蓋一些比如工程力學、機械設計、地球物理、導航技術等等課程,那麼這些課程的主體力學概念還是牛頓的經典物理,但如果你從事的是理科或者說就是物理專業,那麼你會學到關於相對論、高能物理還有量子力學,但這些知識在絕大多數的工科專業看來並不必要,而且牛頓的力學在現在是常識性的概念,他能夠使你拋棄一些固有的想當然的錯誤認識,比如很多人掛在嘴邊的什麼離心力、慣力等等,他的侷限性只有在專業物理領域和目前看來極其特殊的情況下才能提現,所以初中、高中、大學的有關力學和運動學知識還是以經典物理學為主


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