《2018-2019學年高中物理 第6章 經(jīng)典力學與現(xiàn)代物理 6.1 經(jīng)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案 滬科版必修2》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《2018-2019學年高中物理 第6章 經(jīng)典力學與現(xiàn)代物理 6.1 經(jīng)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案 滬科版必修2（10頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、 6.1 經(jīng)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(jīng)典力學的發(fā)展歷程和偉大成就.2.認識經(jīng)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(xiàn)象.4.知道相對論、量子力學和經(jīng)典力學的關系． 一、經(jīng)典力學的巨大成就 1．經(jīng)典力學 經(jīng)典力學通常叫牛頓力學，主要研究宏觀物體機械運動的規(guī)律． 2．經(jīng)典力學的巨大成就 (1)把天體的運動與地上物體的運動統(tǒng)一起來． (2)經(jīng)典力學和以經(jīng)典力學為基礎發(fā)展起來的天體力學、材料力學和結(jié)構力學等得到了廣泛的應用． (3)力學和熱力學的發(fā)展及其與生產(chǎn)的結(jié)合引發(fā)了第一

2、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航空航天技術的理論基礎． (5)相對論和量子力學的形成都受到經(jīng)典力學的影響． 二、經(jīng)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(shù)學化”的方法，開創(chuàng)了將實驗、邏輯(數(shù)學)相結(jié)合的方法． (2)牛頓：歸納—演繹法，大量運用數(shù)學方法系統(tǒng)地整理物理學理論的方法．其演繹的結(jié)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(jīng)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(jīng)典力學的局限性和適用范圍 1．經(jīng)典力學的局限性和

3、適用范圍：對于宏觀、低速(相對光速)物體的運動經(jīng)典力學仍然適用． 2．經(jīng)典力學的局限性 (1)經(jīng)典力學的應用受到物體運動速率的限制，當物體運動速率接近于真空中的光速時，經(jīng)典力學的許多觀念將發(fā)生重大變化． (2)經(jīng)典力學不適用于微觀領域中物質(zhì)結(jié)構和能量不連續(xù)的現(xiàn)象． 四、經(jīng)典時空觀與相對論時空觀 1．經(jīng)典時空觀 (1)經(jīng)典時空觀(絕對時空觀)：時間永遠均勻地流逝，與任何外界無關；空間與任何外界事物無關，從不運動，永遠不變． (2)慣性系與非慣性系： ①慣性系：凡是牛頓運動定律成立的參考系，相對于慣性系靜止或做勻速直線運動的參考系都是慣性系． ②非慣性系：牛頓運動定律不成立的參考

4、系，相對于慣性系做變速運動的參考系是非慣性系． (3)伽利略相對性原理：對于所有的慣性系，力學規(guī)律都是相同的，或者說，一切慣性系都是等價的． (4)經(jīng)典時空觀的幾個具體結(jié)論： ①同時的絕對性； ②時間間隔的絕對性； ③空間距離的絕對性； ④物體質(zhì)量恒定不變，即它們與參考系的選擇(或觀察者的運動狀態(tài))無關． 2．相對論時空觀 (1)光速不變與經(jīng)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(jīng)典力學的速度合成法則相矛盾． (2)狹義相對論的兩條基本假設： ①相對性原理：在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的． ②光速不變原理：在一切慣性

5、系中，光在真空中傳播的速度都等于c，跟光源的運動無關． (3)相對論時空觀 ①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不同時的． ②運動的時鐘變慢：時鐘相對于觀察者靜止時，走得快；相對于觀察者運動時，走得慢．運動速度越快，效果越明顯． ③運動的尺子縮短：一個物體相對于觀察者靜止時，它的長度測量值最大；相對于觀察者運動時，觀察者在運動方向上觀測，它的長度要縮短，速度越快，縮得越短． ④物體質(zhì)量隨速度的增加而增大． [即學即用] 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(jīng)典時空觀認為時間是絕對的．(√) (3)經(jīng)典

6、時空觀認為物體的質(zhì)量是絕對的．(√) (4)不論是宏觀物體，還是微觀粒子，經(jīng)典力學和相對論都是適用的．(×) 2．(多選)下列服從經(jīng)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(xiàn)象 答案　AB 解析　經(jīng)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(xiàn)象不適合用經(jīng)典力學來解釋，所以選項D錯誤. 一、經(jīng)典力學與相對論的比較 [導學探究]　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： 圖1 (

7、1)經(jīng)典力學是否適用于質(zhì)子束的運動規(guī)律？如何研究質(zhì)子束的運動規(guī)律？ (2)經(jīng)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　(1)質(zhì)子束的運動屬于高速、微觀范疇，經(jīng)典力學不再適用，應該應用狹義相對論、量子力學進行研究． (2)中子星的引力屬于引力范疇，經(jīng)典力學不再適用，應該應用廣義相對論進行研究． [知識深化] 1．區(qū)別： 比較項 經(jīng)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(xiàn)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(zhì)量的影響 物體的質(zhì)

8、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 時間與空間互不相干 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(jīng)典物理學的結(jié)論沒有區(qū)別． (2)相對論并沒有否定經(jīng)典力學，經(jīng)典力學是相對論在一定條件下的特殊情形． 例1　下列說法正確的是(　　) A．在經(jīng)典力學中，物體的質(zhì)量不隨運動狀態(tài)而改變，在狹義相對論中，物體的質(zhì)量也不隨運動狀態(tài)而改變 B．狹義相對論和經(jīng)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

9、誤的 答案　C 解析　在經(jīng)典力學中，物體的質(zhì)量不隨運動狀態(tài)而改變，在狹義相對論中，物體的質(zhì)量隨物體運動速度的增大而增大，選項A錯誤；狹義相對論沒有否定經(jīng)典力學，經(jīng)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(jīng)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　BCD 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

10、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 [導學探究]　地球繞太陽公轉(zhuǎn)的速度是3×104 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： 圖2 (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？ (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

11、　(1)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． (2)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)量增大了． [知識深化] 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(jīng)典時空觀與相對論時空觀的不同；比較如下： 經(jīng)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(jié)果不同，即速度不同 光在一切慣

12、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(jié)論 ①同時的絕對性 ②時間間隔的絕對性 ③空間距離的絕對性 ④物體的質(zhì)量恒定不變 ①同時的相對性 ②運動的時鐘變慢 ③運動的尺子縮短 ④物體的質(zhì)量隨速度的增加而增大 2.相對論時空觀的內(nèi)容 認為時間和空間是相互聯(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x′O′y′(如地面)沿尺子長度方向以速度

13、v運動時，在該參考系x′O′y′(如地面)中測得尺子長度為l′＝l. 圖3 由于vΔt′.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

14、”了． 當速度v?c時，Δt＝Δt′，這就回到了經(jīng)典物理學的結(jié)論——時間與物體的運動狀態(tài)無關． 例2　半人馬星座α星是距離太陽系最近的恒星，它距地球為4.3×1016 m．設有一宇宙飛船自地球往返于半人馬星座α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　9年　0.4年 解析　以地球上的時鐘計算：Δt＝＝ s≈2.87×108 s≈9年 若以飛船上的時鐘計算(原時)，因為Δt＝ 所以得Δt′＝Δt＝2.87×108× s≈1.28×107 s≈0.4年． 針對訓練2　如圖4所示，有三個完全

15、相同的時鐘，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，vB

16、學只適用于解決物體的低速運動問題，不能用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(jīng)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(zhì)與規(guī)律 D．人們應當不斷拓展認識，在更廣闊的領域內(nèi)掌握不同事物的本質(zhì)與規(guī)律 答案　BCD 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(nèi)的不同事物的本質(zhì)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

17、科學在一定條件下的特殊情形． 2．(經(jīng)典時空觀)(多選)下列說法中哪些屬于經(jīng)典時空觀的觀點(　　) A．世界的過去、現(xiàn)在和將來都只有量的變化，而不會發(fā)生質(zhì)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 答案　ABC 解析　經(jīng)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(jīng)典時空觀；選項D屬于相對論時空觀． 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(　　)

18、 圖5 A．同時被照亮 B．A先被照亮 C．C先被照亮 D．無法判斷 答案　C 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，由于列車在這段時間內(nèi)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． 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6 A．0.4c B．0.5c C．0.9c D．c 答案　D 解析　由狹義相對論的光速不變原理知，

19、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． 一、選擇題 考點一　經(jīng)典力學的認識 1．經(jīng)典力學不能適用于下列哪些運動(　　) A．火箭的發(fā)射 B．宇宙飛船繞地球的運動 C．“勇氣號”宇宙探測器的運動 D．以99%倍光速運行的電子束 答案　D 解析　經(jīng)典力學在低速運動的廣闊領域(包括天體力學的研究)中，經(jīng)受了實踐的檢驗，取得了巨大的成就，但在高速領域不再適用，故選項A、B、C適用，D不適用． 2．(多選)下列說法正確的是(　　) A．牛頓運動定律只適用于相對靜止的參考系 B．在任何慣性系中，物體的加速度都具有不變性 C．按照經(jīng)典時空理論，

20、物體的長度、質(zhì)量和運動時間都與參考系的運動無關 D．伽利略相對性原理表明，在慣性運動的范圍內(nèi)不存在絕對空間和絕對運動 答案　BCD 3．(多選)以下說法正確的是(　　) A．經(jīng)典力學理論普遍適用，大到天體，小到微觀粒子均適用 B．經(jīng)典力學理論的成立具有一定的局限性 C．在經(jīng)典力學中，物體的質(zhì)量不隨運動狀態(tài)改變而改變 D．相對論和量子力學否定了經(jīng)典力學理論 答案　BC 解析　經(jīng)典力學理論只適用于宏觀、低速運動的物體，A錯誤，B正確．在經(jīng)典力學中，物體的速度v?c，所以物體的質(zhì)量不隨運動狀態(tài)改變而改變，但相對論和量子力學并不否定經(jīng)典力學，認為經(jīng)典力學是相對論在一定條件下的特

21、殊情形，C正確，D錯誤． 考點二　相對論的理解 4．屬于狹義相對論基本假設的是：在不同的慣性系中(　　) A．真空中光速不變 B．時間間隔具有相對性 C．物體的質(zhì)量不變 D．物體的能量與質(zhì)量成正比 答案　A 解析　狹義相對論基本假設為：一是在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的；二是真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的，即光速不變原理，由此可知A屬于狹義相對論基本假設，故A正確，B、C、D錯誤． 5．一列火車以接近光速的速度從我們身邊飛駛而過，我們會感到車廂、車窗變窄了，而車廂、車窗的高度并沒有變化，那么車廂內(nèi)的人看路旁的電線桿間距將會(　　) A．變窄 B

22、．變寬 C．不變 D．都有可能 答案　A 解析　火車相對地面以接近光速的速度向前飛駛，如果以火車為參考系，地面向后飛駛，根據(jù)尺縮效應知電線桿間距變窄． 6．日常生活中，我們并沒有發(fā)現(xiàn)物體的質(zhì)量隨著物體運動速度的變化而變化，其原因是(　　) A．運動中物體的質(zhì)量無法稱量 B．物體的速度遠小于光速，質(zhì)量變化極小 C．物體的質(zhì)量太大 D．物體的質(zhì)量不隨速度的變化而變化 答案　B 7．廣東省虎門大橋全長近15 km，在500 m高空有一架與大橋平行以接近光速飛行的飛機，飛機上人員看到大橋的長度將是(　　) A．大于15 km B．等于15 km C．小于15 km D．無法確定 答案　C 解析　由于飛機相對大橋是運動的，因此在飛機上觀察者看來，大橋要縮短，故C正確． 二、非選擇題 8．(相對論的理解)某物體高速運動時的質(zhì)量是其靜止時質(zhì)量的二倍，求該物體的高速運動速度是光速c的多少倍． 答案　倍 解析　由愛因斯坦的質(zhì)速公式m＝，得1－()2＝()2，所以＝＝ ＝. 10