物理 第6章 經典力學與現代物理 6.1 經典力學的巨大成就和局限性 6.2 狹義相對論的基本原理 6.3 愛因斯坦心目中的宇宙 滬科版必修2

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1、第6章6.1經典力學的巨大成就和局限性6.2狹義相對論的基本原理6.3愛因斯坦心目中的宇宙學習目標1.了解經典力學的發(fā)展歷程和偉大成就.2.認識經典力學的局限性和適用范圍.3.初步了解微觀和高速世界中的奇妙現象.4.知道相對論、量子力學和經典力學的關系.內容索引自主預習梳理 重點知識探究 當堂達標檢測自主預習梳理一、經典力學的巨大成就一、經典力學的巨大成就1.經典力學經典力學通常叫 力學，主要研究宏觀物體 運動的規(guī)律.2.經典力學的巨大成就(1)把天體的運動與 物體的運動統(tǒng)一起來.(2)經典力學和以經典力學為基礎發(fā)展起來的天體力學、材料力學和結構力學等得到了廣泛的應用.(3)力學和熱力學的發(fā)展

2、及其與生產的結合引發(fā)了第一次工業(yè)革命.(4)由牛頓力學定律導出的動量守恒定律、機械能守恒定律等是_技術的理論基礎.(5) 和 的形成都受到經典力學的影響.量子力學牛頓機械地上航空航天相對論二、經典力學方法論的意義二、經典力學方法論的意義1.兩種典型研究方法(1)伽利略：“自然數學化”的方法，開創(chuàng)了將實驗、邏輯(數學)相結合的方法.(2)牛頓：歸納演繹法，大量運用數學方法系統(tǒng)地整理物理學理論的方法.其演繹的結果必須通過實驗驗證.2.意義伽利略和牛頓的科學方法是經典力學方法的典型，影響深遠，并不斷得到發(fā)展和完善，逐漸成為一種傳統(tǒng)，甚至作為社會科學和哲學的方法論，意義很大.三、經典力學的局限性和適用

3、范圍三、經典力學的局限性和適用范圍1.經典力學的局限性和適用范圍：對于 、 (相對光速)物體的運動經典力學仍然適用.2.經典力學的局限性(1)經典力學的應用受到物體運動 的限制，當物體運動速率接近于真空中的 時，經典力學的許多觀念將發(fā)生重大變化.(2)經典力學不適用于微觀領域中物質結構和 的現象.能量不連續(xù)宏觀低速速率光速四、經典時空觀與相對論時空觀四、經典時空觀與相對論時空觀1.經典時空觀(1)經典時空觀(絕對時空觀)：時間永遠均勻地流逝，與任何外界 ；空間與任何外界事物 ，從不運動，永遠不變.(2)慣性系與非慣性系：慣性系：凡是 定律成立的參考系，相對于慣性系靜止或做勻速直線運動的參考系都

4、是慣性系.非慣性系： 定律不成立的參考系，相對于慣性系做變速運動的參考系是非慣性系.無關無關牛頓運動牛頓運動(3)伽利略相對性原理：對于所有的慣性系， 規(guī)律都是相同的，或者說，一切慣性系都是 的.(4)經典時空觀的幾個具體結論： 的絕對性； 的絕對性； 的絕對性；物體質量 ， 即它們與參考系的選擇(或觀察者的運動狀態(tài))無關.力學等價同時時間間隔空間距離恒定不變2.相對論時空觀(1)光速不變與經典物理學的矛盾：觀察和實驗事實表明：無論光源和觀察者如何運動，光速只能是c，這與經典力學的 法則相矛盾.(2)狹義相對論的兩條基本假設：相對性原理：在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是 .光速不變原理：

5、在一切慣性系中，光在真空中傳播的速度都等于c，跟光源的運動無關.速度合成相同的(3)相對論時空觀同時的相對性：在一個參考系中同時發(fā)生的兩個事件，在另一個參考系看來是 的.運動的時鐘變慢：時鐘相對于觀察者 時，走得快；相對于觀察者 時，走得慢.運動速度越快，效果越明顯.運動的尺子縮短：一個物體相對于觀察者 時， 它的長度測量值最大；相對于觀察者 時，觀察者在 方向上觀測，它的長度要縮短，速度越快，縮得越 .物體質量隨速度的 而增大.不同時靜止運動靜止運動運動短增加1.判斷下列說法的正誤.(1)牛頓運動定律適用于任何參考系.( )(2)經典時空觀認為時間是絕對的.( )(3)經典時空觀認為物體的質

6、量是絕對的.( )(4)不論是宏觀物體，還是微觀粒子，經典力學和相對論都是適用的.( )即學即用即學即用2.(多選)下列服從經典力學規(guī)律的是A.自行車、汽車、火車、飛機等交通工具的運動B.發(fā)射導彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船C.物體運動的速率接近于真空中的光速D.能量的不連續(xù)現象答案解析解析解析經典力學只適用于宏觀、 低速運動的物體， 所以A、 B正確， C錯誤；能量的不連續(xù)現象不適合用經典力學來解釋，所以選項D錯誤.重點知識探究一、經典力學與相對論的比較如圖1甲， 質子束被加速到接近光速； 如圖乙，中子星是質量、密度非常大的星體.請思考：(1)經典力學是否適用于質子束的運動規(guī)律？如何研究質子束的運動

7、規(guī)律？導學探究導學探究答案答案答案質子束的運動屬于高速、微觀范疇，經典力學不再適用，應該應用狹義相對論、量子力學進行研究.圖1(2)經典力學是否適用于中子星的引力規(guī)律？如何研究中子星的引力規(guī)律？答案答案答案中子星的引力屬于引力范疇， 經典力學不再適用，應該應用廣義相對論進行研究.1.區(qū)別：知識深化知識深化比較項經典力學相對論形成時期物理學形成的初期階段， 受歷史發(fā)展限制， 理論較膚淺、 片面形成于物理學充分發(fā)展的現代， 理論較完善、 科學適用范圍低速運動， 宏觀世界， 弱引力作用任何情況都適用速度對質量的影響物體的質量不隨其速度的變化而變化物體的質量隨其速度的增加而增大速度的合成時間與空間互不

8、相干速度與位移、時間的測量有關2.聯(lián)系：(1)當物體的運動速度遠小于光速時，相對論物理學與經典物理學的結論沒有區(qū)別.(2)相對論并沒有否定經典力學，經典力學是相對論在一定條件下的特殊情形.例例1下列說法正確的是A.在經典力學中，物體的質量不隨運動狀態(tài)而改變，在狹義相對論中， 物體的質量也不隨運動狀態(tài)而改變B.狹義相對論和經典力學是完全不同、相互矛盾的兩個理論C.物體高速運動時，物體的運動服從狹義相對論，在低速運動時，物體 的運動服從牛頓運動定律D.以上說法都是錯誤的答案解析解析解析在經典力學中，物體的質量不隨運動狀態(tài)而改變，在狹義相對論中，物體的質量隨物體運動速度的增大而增大，選項A錯誤；狹義

9、相對論沒有否定經典力學，經典力學是狹義相對論在一定條件下的特殊情形，選項B錯誤；經典力學適用于低速運動的物體，狹義相對論闡述物體在以接近光速運動時所遵循的規(guī)律，選項C正確.針對訓練針對訓練1(多選)牛頓運動定律能適用于下列哪些情形A.研究原子中電子的運動B.研究“神舟五號”飛船的高速發(fā)射C.研究地球繞太陽的運動D.研究飛機從北京飛往紐約的航線答案解析解析解析牛頓運動定律只能用于“宏觀低速”的情形，這里的“宏觀”是相對于微觀粒子而言的.這里的“低速”是相對于光速而言的.原子、電子等是微觀粒子，它們的運動不服從牛頓運動定律，A錯誤；B、 C、 D選項中運動雖然是“高速” ， 但相對于光速來說， 卻

10、是微不足道的，完全可以用牛頓運動定律研究其規(guī)律，B、C、D正確.二、相對論的理解地球繞太陽公轉的速度是3104 m/s；如圖2所示，設在美國伊利諾伊州費米實驗室的圓形粒子加速器可以把電子加速到0.999 999 999 987倍光速的速度.請思考：(1)地球的公轉速度在狹義相對論中屬于低速還是高速？被加速器加速后的電子的速度呢？導學探究導學探究答案答案答案狹義相對論的高速是可以與光速相比較的速度，所以地球的公轉速度屬于低速，被加速器加速后的電子的速度屬于高速.圖2(2)加速后電子的質量比電子的靜止質量增大了還是減小了？答案答案答案物體的質量隨速度的增大而增大，所以加速后電子的質量比電子的靜止質

11、量增大了.1.兩個基本原理(1)相對性原理：所有物理規(guī)律在一切慣性參考系中都具有相同的形式，表明在任何慣性系中研究某個物體的某一運動過程，其運動規(guī)律形式不變.(2)光速不變原理：在一切慣性參考系中，測量到的真空中的光速c都一樣，表明了經典時空觀與相對論時空觀的不同；比較如下：知識深化知識深化經典時空觀相對論時空觀運動情況同一運動對不同參考系描述結果不同，即速度不同光在一切慣性參考系中傳向各個方向的速度不變時間與空間的關系時間均勻流逝，空間不變化，與運動情況及外部條件無關時間、空間都隨運動情況而改變幾個結論同時的絕對性時間間隔的絕對性空間距離的絕對性物體的質量恒定不變同時的相對性運動的時鐘變慢運

12、動的尺子縮短物體的質量隨速度的增加而增大2.相對論時空觀的內容認為時間和空間是相互聯(lián)系、相互影響的，并且與物質的存在及運動有關.(1)長度收縮效應：一把尺子，在相對于它靜止的參考系xOy中測得其長度為l(稱為靜止長度)，如圖3所示.當該尺子相對另一參考系xOy(如地面)沿尺子長度方向以速度v運動時，在該參考系xOy(如地面)中測得尺子長度為l由于vc，所以ll，說明在相對尺子運動的參考系中測得的“運動長度”比在相對尺子靜止的參考系中測得的“靜止長度”短，即所謂的“長度收縮效應”.當速度vc時，ll，這就回到了經典物理學的結論空間的尺度與物體的運動狀態(tài)無關.圖3(2)時間延緩效應：在相對于地面以

13、速度v勻速運動的參考系內，測得該參考系中某一事件所經歷的時間為t，則在地面上測得該事件所經歷的時間為：t由于vt.即用同樣標準的鐘，在靜止參考系中測得的時間比在運動參考系中測得的時間長，好比是運動的鐘走“慢”了.當速度vc時，tt，這就回到了經典物理學的結論時間與物體的運動狀態(tài)無關.例例2半人馬星座星是距離太陽系最近的恒星，它距地球為4.31016 m.設有一宇宙飛船自地球往返于半人馬星座星之間.若宇宙飛船的速度為0.999c，按地球上的時鐘計算，飛船往返一次需多長時間？如以飛船上的時鐘計算，往返一次的時間又為多長？答案答案9年0.4年答案解析針對訓練針對訓練2如圖4所示，有三個完全相同的時鐘

14、，時鐘A放在地面上， 時鐘B、 C分別放在兩個火箭上，兩個火箭分別以速度vB和vC朝同一方向飛行， vBvC.對于地面上的觀察者來說，以下說法中正確的是A.時鐘A走得最慢 B.時鐘B走得最慢C.時鐘C走得最慢 D.時鐘C走得最快解析解析根據相對論的時空觀，運動的時鐘變慢，其實質是指在相對論中每位觀察者都有自身的時間測度，即如果一時鐘在天空高速飛馳，對靜止不動的觀察者來說似乎時鐘的時間走得慢了.時鐘飛馳得越快，時鐘的時間走得越慢.圖4答案解析當堂達標檢測1.(經典力學的成就和局限性)(多選)20世紀以來，人們發(fā)現了一些新的事實，而經典力學卻無法解釋.經典力學只適用于解決物體的低速運動問題，不能用

15、來處理高速運動問題；只適用于宏觀物體，一般不適用于微觀粒子，以下說法正確的是A.隨著認識的發(fā)展，經典力學已成了過時的理論B.人們對客觀事物的具體認識在廣度上是有局限性的C.不同領域的事物各有其本質與規(guī)律D.人們應當不斷拓展認識，在更廣闊的領域內掌握不同事物的本質與規(guī)律123答案解析4解析解析人們對客觀世界的認識要受到所處的時代的客觀條件和科學水平的制約，所以形成的看法也都具有一定的局限性，人們只有不斷拓展自己的認識，才能掌握更廣闊領域內的不同事物的本質與規(guī)律；新的科學的誕生并不意味著對原來科學的全盤否定，只能認為過去的科學是新的科學在一定條件下的特殊情形.123412342.(經典時空觀)(多

16、選)下列說法中哪些屬于經典時空觀的觀點A.世界的過去、現在和將來都只有量的變化，而不會發(fā)生質的變化B.時間和空間不依賴人們的意識而存在C.時間和空間是絕對的D.時間和空間是緊密聯(lián)系、不可分割的解析解析經典時空觀認為時間和空間都是與外界事物無關的、絕對的，選項A、B、C屬于經典時空觀；選項D屬于相對論時空觀.答案解析3.(相對論效應的理解)如圖5所示，沿平直鐵路線有間距相等的三座鐵塔A、 B和C.假想有一列車沿AC方向以接近光速行駛，當鐵塔B發(fā)出一個閃光，列車上的觀察者測得A、C兩鐵塔被照亮的順序是A.同時被照亮 B.A先被照亮C.C先被照亮 D.無法判斷1234圖5解析解析列車上的觀察者看到的是由B發(fā)出后經過A和C反射的光，由于列車在這段時間內向C運動，靠近C而遠離A，所以C的反射光先到達列車上的觀察者，觀察者看到C先被照亮，故只有C正確.答案解析4.(狹義相對論的應用)如圖6所示，強強乘坐速度為0.9c(c為光速)的宇宙飛船追趕正前方的壯壯，壯壯的飛行速度為0.5c，強強向壯壯發(fā)出一束光進行聯(lián)絡，則壯壯觀測到該光束的傳播速度為圖6A.0.4c B.0.5c C.0.9c D.c解析解析由狹義相對論的光速不變原理知，真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的，可知D正確，A、B、C錯誤.答案解析1234