高中物理 第6章 經(jīng)典力學(xué)與現(xiàn)代物理 6.1 經(jīng)典力學(xué)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課件 滬科版必修2

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1、第6章6.1經(jīng)典力學(xué)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(xué)習(xí)目標(biāo)1.了解經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展歷程和偉大成就.2.認(rèn)識經(jīng)典力學(xué)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(xiàn)象.4.知道相對論、量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的關(guān)系.內(nèi)容索引自主預(yù)習(xí)梳理 重點(diǎn)知識探究 當(dāng)堂達(dá)標(biāo)檢測自主預(yù)習(xí)梳理一、經(jīng)典力學(xué)的巨大成就一、經(jīng)典力學(xué)的巨大成就1.經(jīng)典力學(xué)經(jīng)典力學(xué)通常叫 力學(xué)，主要研究宏觀物體 運(yùn)動(dòng)的規(guī)律.2.經(jīng)典力學(xué)的巨大成就(1)把天體的運(yùn)動(dòng)與 物體的運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一起來.(2)經(jīng)典力學(xué)和以經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的天體力學(xué)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)等得到了廣泛的應(yīng)用.(3)力學(xué)和熱力學(xué)的發(fā)展

2、及其與生產(chǎn)的結(jié)合引發(fā)了第一次工業(yè)革命.(4)由牛頓力學(xué)定律導(dǎo)出的動(dòng)量守恒定律、機(jī)械能守恒定律等是_技術(shù)的理論基礎(chǔ).(5) 和 的形成都受到經(jīng)典力學(xué)的影響.量子力學(xué)牛頓機(jī)械地上航空航天相對論二、經(jīng)典力學(xué)方法論的意義二、經(jīng)典力學(xué)方法論的意義1.兩種典型研究方法(1)伽利略：“自然數(shù)學(xué)化”的方法，開創(chuàng)了將實(shí)驗(yàn)、邏輯(數(shù)學(xué))相結(jié)合的方法.(2)牛頓：歸納演繹法，大量運(yùn)用數(shù)學(xué)方法系統(tǒng)地整理物理學(xué)理論的方法.其演繹的結(jié)果必須通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.2.意義伽利略和牛頓的科學(xué)方法是經(jīng)典力學(xué)方法的典型，影響深遠(yuǎn)，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(huì)科學(xué)和哲學(xué)的方法論，意義很大.三、經(jīng)典力學(xué)的局限性和適用

3、范圍三、經(jīng)典力學(xué)的局限性和適用范圍1.經(jīng)典力學(xué)的局限性和適用范圍：對于 、 (相對光速)物體的運(yùn)動(dòng)經(jīng)典力學(xué)仍然適用.2.經(jīng)典力學(xué)的局限性(1)經(jīng)典力學(xué)的應(yīng)用受到物體運(yùn)動(dòng) 的限制，當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)速率接近于真空中的 時(shí)，經(jīng)典力學(xué)的許多觀念將發(fā)生重大變化.(2)經(jīng)典力學(xué)不適用于微觀領(lǐng)域中物質(zhì)結(jié)構(gòu)和 的現(xiàn)象.能量不連續(xù)宏觀低速速率光速四、經(jīng)典時(shí)空觀與相對論時(shí)空觀四、經(jīng)典時(shí)空觀與相對論時(shí)空觀1.經(jīng)典時(shí)空觀(1)經(jīng)典時(shí)空觀(絕對時(shí)空觀)：時(shí)間永遠(yuǎn)均勻地流逝，與任何外界 ；空間與任何外界事物 ，從不運(yùn)動(dòng)，永遠(yuǎn)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的參考系是非慣性系.無關(guān)無關(guān)牛頓運(yùn)動(dòng)牛頓運(yùn)動(dòng)(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(jīng)典時(shí)空觀的幾個(gè)具體結(jié)論： 的絕對性； 的絕對性； 的絕對性；物體質(zhì)量 ， 即它們與參考系的選擇(或觀察者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài))無關(guān).力學(xué)等價(jià)同時(shí)時(shí)間間隔空間距離恒定不變2.相對論時(shí)空觀(1)光速不變與經(jīng)典物理學(xué)的矛盾：觀察和實(shí)驗(yàn)事實(shí)表明：無論光源和觀察者如何運(yùn)動(dòng)，光速只能是c，這與經(jīng)典力學(xué)的 法則相矛盾.(2)狹義相對論的兩條基本假設(shè)：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(yùn)動(dòng)無關(guān).速度合成相同的(3)相對論時(shí)空觀同時(shí)的相對性：在一個(gè)參考系中同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，在另一個(gè)參考系看來是 的.運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘變慢：時(shí)鐘相對于觀察者 時(shí)，走得快；相對于觀察者 時(shí)，走得慢.運(yùn)動(dòng)速度越快，效果越明顯.運(yùn)動(dòng)的尺子縮短：一個(gè)物體相對于觀察者 時(shí)， 它的長度測量值最大；相對于觀察者 時(shí)，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(zhì)量隨速度的 而增大.不同時(shí)靜止運(yùn)動(dòng)靜止運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)短增加1.判斷下列說法的正誤.(1)牛頓運(yùn)動(dòng)定律適用于任何參考系.( )(2)經(jīng)典時(shí)空觀認(rèn)為時(shí)間是絕對的.( )(3)經(jīng)典時(shí)空觀認(rèn)為物體的質(zhì)

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

7、規(guī)律？導(dǎo)學(xué)探究導(dǎo)學(xué)探究答案答案答案質(zhì)子束的運(yùn)動(dòng)屬于高速、微觀范疇，經(jīng)典力學(xué)不再適用，應(yīng)該應(yīng)用狹義相對論、量子力學(xué)進(jìn)行研究.圖1(2)經(jīng)典力學(xué)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(jīng)典力學(xué)不再適用，應(yīng)該應(yīng)用廣義相對論進(jìn)行研究.1.區(qū)別：知識深化知識深化比較項(xiàng)經(jīng)典力學(xué)相對論形成時(shí)期物理學(xué)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(xué)充分發(fā)展的現(xiàn)代， 理論較完善、 科學(xué)適用范圍低速運(yùn)動(dòng)， 宏觀世界， 弱引力作用任何情況都適用速度對質(zhì)量的影響物體的質(zhì)量不隨其速度的變化而變化物體的質(zhì)量隨其速度的增加而增大速度的合成時(shí)間與空間互不

8、相干速度與位移、時(shí)間的測量有關(guān)2.聯(lián)系：(1)當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速時(shí)，相對論物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別.(2)相對論并沒有否定經(jīng)典力學(xué)，經(jīng)典力學(xué)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(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而改變，在狹義相對論中， 物體的質(zhì)量也不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而改變B.狹義相對論和經(jīng)典力學(xué)是完全不同、相互矛盾的兩個(gè)理論C.物體高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體的運(yùn)動(dòng)服從狹義相對論，在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體 的運(yùn)動(dòng)服從牛頓運(yùn)動(dòng)定律D.以上說法都是錯(cuò)誤的答案解析解析解析在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而改變，在狹義相對論中，物體的質(zhì)量隨物體運(yùn)動(dòng)速度的增大而增大，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；狹義

9、相對論沒有否定經(jīng)典力學(xué)，經(jīng)典力學(xué)是狹義相對論在一定條件下的特殊情形，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；經(jīng)典力學(xué)適用于低速運(yùn)動(dòng)的物體，狹義相對論闡述物體在以接近光速運(yùn)動(dòng)時(shí)所遵循的規(guī)律，選項(xiàng)C正確.針對訓(xùn)練針對訓(xùn)練1(多選)牛頓運(yùn)動(dòng)定律能適用于下列哪些情形A.研究原子中電子的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)D.研究飛機(jī)從北京飛往紐約的航線答案解析解析解析牛頓運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)不服從牛頓運(yùn)動(dòng)定律，A錯(cuò)誤；B、 C、 D選項(xiàng)中運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(zhuǎn)的速度是3104 m/s；如圖2所示，設(shè)在美國伊利諾伊州費(fèi)米實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)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(dǎo)學(xué)探究導(dǎo)學(xué)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(zhuǎn)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(zhì)量比電子的靜止質(zhì)量增大了還是減小了？答案答案答案物體的質(zhì)量隨速度的增大而增大，所以加速后電子的質(zhì)量比電子的靜止質(zhì)

11、量增大了.1.兩個(gè)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(gè)物體的某一運(yùn)動(dòng)過程，其運(yùn)動(dòng)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(jīng)典時(shí)空觀與相對論時(shí)空觀的不同；比較如下：知識深化知識深化經(jīng)典時(shí)空觀相對論時(shí)空觀運(yùn)動(dòng)情況同一運(yùn)動(dòng)對不同參考系描述結(jié)果不同，即速度不同光在一切慣性參考系中傳向各個(gè)方向的速度不變時(shí)間與空間的關(guān)系時(shí)間均勻流逝，空間不變化，與運(yùn)動(dòng)情況及外部條件無關(guān)時(shí)間、空間都隨運(yùn)動(dòng)情況而改變幾個(gè)結(jié)論同時(shí)的絕對性時(shí)間間隔的絕對性空間距離的絕對性物體的質(zhì)量恒定不變同時(shí)的相對性運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘變慢運(yùn)

12、動(dòng)的尺子縮短物體的質(zhì)量隨速度的增加而增大2.相對論時(shí)空觀的內(nèi)容認(rèn)為時(shí)間和空間是相互聯(lián)系、相互影響的，并且與物質(zhì)的存在及運(yùn)動(dòng)有關(guān).(1)長度收縮效應(yīng)：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(dāng)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(yùn)動(dòng)時(shí)，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(yùn)動(dòng)的參考系中測得的“運(yùn)動(dòng)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(yīng)”.當(dāng)速度vc時(shí)，ll，這就回到了經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論空間的尺度與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān).圖3(2)時(shí)間延緩效應(yīng)：在相對于地面以

13、速度v勻速運(yùn)動(dòng)的參考系內(nèi)，測得該參考系中某一事件所經(jīng)歷的時(shí)間為t，則在地面上測得該事件所經(jīng)歷的時(shí)間為：t由于vt.即用同樣標(biāo)準(zhǔn)的鐘，在靜止參考系中測得的時(shí)間比在運(yùn)動(dòng)參考系中測得的時(shí)間長，好比是運(yùn)動(dòng)的鐘走“慢”了.當(dāng)速度vc時(shí)，tt，這就回到了經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論時(shí)間與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān).例例2半人馬星座星是距離太陽系最近的恒星，它距地球?yàn)?.31016 m.設(shè)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(shí)鐘計(jì)算，飛船往返一次需多長時(shí)間？如以飛船上的時(shí)鐘計(jì)算，往返一次的時(shí)間又為多長？答案答案9年0.4年答案解析針對訓(xùn)練針對訓(xùn)練2如圖4所示，有三個(gè)完全相同的時(shí)鐘

14、，時(shí)鐘A放在地面上， 時(shí)鐘B、 C分別放在兩個(gè)火箭上，兩個(gè)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(shí)鐘A走得最慢 B.時(shí)鐘B走得最慢C.時(shí)鐘C走得最慢 D.時(shí)鐘C走得最快解析解析根據(jù)相對論的時(shí)空觀，運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘變慢，其實(shí)質(zhì)是指在相對論中每位觀察者都有自身的時(shí)間測度，即如果一時(shí)鐘在天空高速飛馳，對靜止不動(dòng)的觀察者來說似乎時(shí)鐘的時(shí)間走得慢了.時(shí)鐘飛馳得越快，時(shí)鐘的時(shí)間走得越慢.圖4答案解析當(dāng)堂達(dá)標(biāo)檢測1.(經(jīng)典力學(xué)的成就和局限性)(多選)20世紀(jì)以來，人們發(fā)現(xiàn)了一些新的事實(shí)，而經(jīng)典力學(xué)卻無法解釋.經(jīng)典力學(xué)只適用于解決物體的低速運(yùn)動(dòng)問題，不能用

15、來處理高速運(yùn)動(dòng)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(rèn)識的發(fā)展，經(jīng)典力學(xué)已成了過時(shí)的理論B.人們對客觀事物的具體認(rèn)識在廣度上是有局限性的C.不同領(lǐng)域的事物各有其本質(zhì)與規(guī)律D.人們應(yīng)當(dāng)不斷拓展認(rèn)識，在更廣闊的領(lǐng)域內(nèi)掌握不同事物的本質(zhì)與規(guī)律123答案解析4解析解析人們對客觀世界的認(rèn)識要受到所處的時(shí)代的客觀條件和科學(xué)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(rèn)識，才能掌握更廣闊領(lǐng)域內(nèi)的不同事物的本質(zhì)與規(guī)律；新的科學(xué)的誕生并不意味著對原來科學(xué)的全盤否定，只能認(rèn)為過去的科學(xué)是新的科學(xué)在一定條件下的特殊情形.123412342.(經(jīng)典時(shí)空觀)(多

16、選)下列說法中哪些屬于經(jīng)典時(shí)空觀的觀點(diǎn)A.世界的過去、現(xiàn)在和將來都只有量的變化，而不會(huì)發(fā)生質(zhì)的變化B.時(shí)間和空間不依賴人們的意識而存在C.時(shí)間和空間是絕對的D.時(shí)間和空間是緊密聯(lián)系、不可分割的解析解析經(jīng)典時(shí)空觀認(rèn)為時(shí)間和空間都是與外界事物無關(guān)的、絕對的，選項(xiàng)A、B、C屬于經(jīng)典時(shí)空觀；選項(xiàng)D屬于相對論時(shí)空觀.答案解析3.(相對論效應(yīng)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(dāng)鐵塔B發(fā)出一個(gè)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(shí)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(jīng)過A和C反射的光，由于列車在這段時(shí)間內(nèi)向C運(yùn)動(dòng)，靠近C而遠(yuǎn)離A，所以C的反射光先到達(dá)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(yīng)用)如圖6所示，強(qiáng)強(qiáng)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(qiáng)強(qiáng)向壯壯發(fā)出一束光進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，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(cuò)誤.答案解析1234