《2019-2020學(xué)年高中物理 第4章 經(jīng)典力學(xué)與物理學(xué)的革命 第1節(jié) 經(jīng)典力學(xué)的成就與局限性 第2節(jié) 經(jīng)典時空觀與相對論時空觀學(xué)案（含解析）粵教版必修2》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2019-2020學(xué)年高中物理 第4章 經(jīng)典力學(xué)與物理學(xué)的革命 第1節(jié) 經(jīng)典力學(xué)的成就與局限性 第2節(jié) 經(jīng)典時空觀與相對論時空觀學(xué)案（含解析）粵教版必修2（9頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、第一節(jié) 經(jīng)典力學(xué)的成就與局限性 第二節(jié) 經(jīng)典時空觀與相對論時空觀 學(xué) 習(xí) 目 標(biāo) 知 識 脈 絡(luò) 1.了解經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展歷程及其對自然科學(xué)、社會發(fā)展的影響. 2.認(rèn)識經(jīng)典力學(xué)的局限性和適用范圍. 3.了解經(jīng)典時空觀及其基本推論. 4.了解狹義相對論的理論基礎(chǔ)和相對論時空觀的幾個推論．(重點(diǎn)、難點(diǎn)) 一、經(jīng)典力學(xué)與相對論 1．經(jīng)典力學(xué)的成就和局限性 (1)發(fā)展歷程 ①17世紀(jì)，伽利略發(fā)展了觀察實(shí)驗(yàn)、科學(xué)思維與數(shù)學(xué)相結(jié)合的方法，并發(fā)現(xiàn)了慣性定律、落體定律和力學(xué)相對性原理． ②牛頓在伽利略、笛卡兒、開普勒、惠更斯等人研究的基礎(chǔ)上，采用歸納與演繹、綜合與分析的方法

2、，總結(jié)出一套普遍適用的力學(xué)運(yùn)動規(guī)律——牛頓運(yùn)動定律和萬有引力定律． ③17、18世紀(jì)的科學(xué)家逐漸發(fā)展了從動量、能量角度對牛頓運(yùn)動定律的表述，進(jìn)一步完善了經(jīng)典力學(xué)體系． (2)偉大成就 ①經(jīng)典力學(xué)把天上物體和地上物體的運(yùn)動統(tǒng)一起來，實(shí)現(xiàn)了人類對自然界認(rèn)識的第一次理論大綜合． ②使人們認(rèn)識到了以現(xiàn)象觀察和實(shí)驗(yàn)研究為基礎(chǔ)的自然科學(xué)理論的基本特征． ③建立了以實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)相結(jié)合的研究方法． ④推動了其他學(xué)科的發(fā)展，與其他學(xué)科相結(jié)合產(chǎn)生了一些交叉性的分支學(xué)科． (3)適用范圍 從地面上的各種物體的運(yùn)動到天體的運(yùn)動；從大氣流動到地殼變動；從自行車到汽車、火車、飛機(jī)等交通工具的運(yùn)動，從投出籃球

3、到發(fā)射導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船——所有這些都服從經(jīng)典力學(xué)的規(guī)律． (4)局限性 ①經(jīng)典力學(xué)不適用于研究高速運(yùn)動(接近光速)的物體． ②經(jīng)典力學(xué)不適用于微觀領(lǐng)域中物質(zhì)結(jié)構(gòu)和能量不連續(xù)的現(xiàn)象． 2．經(jīng)典時空觀 (1)慣性系與非慣性系 ①慣性系：牛頓運(yùn)動定律成立的參考系，相對于慣性系靜止或做勻速直線運(yùn)動的參考系都是慣性系． ②非慣性系：牛頓運(yùn)動定律不成立的參考系，相對于慣性系做變速運(yùn)動的參考系是非慣性系． (2)伽利略相對性原理 對于所有的慣性系，力學(xué)規(guī)律都是相同的，或者說，一切慣性系都是等效的． (3)經(jīng)典時空觀(絕對時空觀) 時間永遠(yuǎn)均勻地流逝，與任何外界無關(guān)；空間與任何外

4、界事物無關(guān)，從不運(yùn)動，永遠(yuǎn)不變． (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； 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(yùn)動狀態(tài))無關(guān)． 時間、長度和質(zhì)量這三個基本物理量在經(jīng)典力學(xué)中都與參考系(觀察者)的運(yùn)動無關(guān)． 3．相對論時空觀 (1)狹義相對論的兩條基本假設(shè) 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：不管在哪個慣性系中，測得的真空中的光速都相同． (2)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(yùn)動的時鐘變慢：

5、時鐘相對于觀察者靜止時，走得快；相對于觀察者運(yùn)動時，走得慢．運(yùn)動速度越快，效果越明顯． ③運(yùn)動的尺子縮短：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(yùn)動時，觀察者在運(yùn)動方向上觀測，它的長度要縮短．速度越快，縮的越短． ④物體質(zhì)量隨速度的增加而增大：當(dāng)速度接近光速時，質(zhì)量趨于無窮大，當(dāng)速度比光速小得多時，物體運(yùn)動質(zhì)量與靜止時的質(zhì)量相等． 二、狹義相對論的主要結(jié)論 1．兩個基本原理 (1)相對性原理 所有物理規(guī)律在一切慣性參照系中都具有相同的形式． (2)光速不變原理 在一切慣性參照系中，測量到的真空中的光速c都一樣(c＝3×108 m/s)． 2.兩個效應(yīng) (1

6、)時間延緩效應(yīng) ①在相對論時空觀中，運(yùn)動的時鐘比靜止的時鐘走得慢． ②關(guān)系式為Δt＝，Δt′為運(yùn)動時間，Δt為靜止時間． (2)長度收縮效應(yīng) ①在相對于物體運(yùn)動著的慣性系中沿運(yùn)動方向測出的物體長度，比在相對靜止的慣性系中測出的長度變小． ②關(guān)系式： l′＝l. 3．兩種關(guān)系 (1)質(zhì)速關(guān)系 ①在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量與物體的運(yùn)動無關(guān)．但在相對論中，運(yùn)動物體的質(zhì)量隨其運(yùn)動速度的變化而變化． ②關(guān)系式：m＝ 其中m為物體的運(yùn)動質(zhì)量，m0為靜止質(zhì)量，v為物體相對慣性系的運(yùn)動速度． (2)質(zhì)能關(guān)系 ①按照相對論及基本力學(xué)定律可推出質(zhì)量和能量有如下關(guān)系：E＝mc2，這就是著名的質(zhì)

7、能關(guān)系式． ②質(zhì)量和能量是物質(zhì)不可分離的屬性，當(dāng)物質(zhì)的質(zhì)量減少或增加時，必然伴隨著能量的減少或增加，其關(guān)系為ΔE＝Δmc2. 1．思考判斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”) (1)在經(jīng)典力學(xué)中，時間、長度和質(zhì)量與運(yùn)動沒有關(guān)系．(　　) (2)相對論，完全否定了經(jīng)典力學(xué)的理論． (　　) (3)對于高速運(yùn)動的物體，它的質(zhì)量隨著速度的增加而變大． (　　) (4)汽車運(yùn)動時沒發(fā)現(xiàn)長度變化，故狹義相對論是錯誤的． (　　) (5)由質(zhì)能關(guān)系可知，質(zhì)量就是能量，能量也就是質(zhì)量，二者無區(qū)別． (　　) (6)時鐘延緩效應(yīng)是低速的時鐘比高速的時鐘走的慢． (　　) 【提

8、示】　(1)√ (2)×　經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀低速運(yùn)動的物體，相對論并沒有完全否定． (3)√ (4)×　汽車運(yùn)動是宏觀低速運(yùn)動，其長度的變化太小以至于可忽略不計． (5)×　質(zhì)能關(guān)系反映的是當(dāng)物體的質(zhì)量發(fā)生變化時，必然伴隨著能量的變化． (6)×　時鐘延緩是指在相對論時空觀中，運(yùn)動的時鐘比靜止的時鐘走得慢． 2．(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)動問題，不能用來處理高速運(yùn)動問題；只適用于宏觀物體，一般不適用于微觀粒子．這說明(　　) A．隨著認(rèn)識的發(fā)展，經(jīng)典力學(xué)已成了過時的理論 B．人們對客觀事物的具體認(rèn)識，在廣

9、度上是有局限性的 C．經(jīng)典力學(xué)與相對論是相互矛盾的一對理論 D．人們應(yīng)當(dāng)不斷地擴(kuò)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 BD　[人們對客觀世界的認(rèn)識，要受到所處的時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，人們只有不斷地擴(kuò)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．所以A、C錯，B、D對．] 3．如圖所示，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)出一個閃光，列車上的觀察者測得A、C兩鐵塔被

10、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 C　[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(yùn)動，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．] 經(jīng)典力學(xué)與相對論 1.絕對時空觀是在地球范圍內(nèi)憑直覺經(jīng)驗(yàn)建立起來的，它符合人們對空間、時間的主觀感受； 相對論時空觀是在光速不變的實(shí)驗(yàn)事實(shí)上，以狹義相對論的兩條基本假設(shè)為前提建立的． 2．經(jīng)典時空觀中，時間、空間、物質(zhì)是彼此獨(dú)立、互不聯(lián)系的，時間、長度和質(zhì)量這三個物理量都與參考系的運(yùn)動無關(guān)． 相對論

11、時空觀中，空間和時間是運(yùn)動著的物質(zhì)的存在形式，時空概念是從物質(zhì)運(yùn)動中抽象出來的，它們之間相互依賴、彼此聯(lián)系． 3．兩種理論的適用范圍不同 經(jīng)典力學(xué)理論適用于弱引力作用下，低速運(yùn)動的宏觀物體．而它在強(qiáng)引力作用下，或高速運(yùn)動或微觀世界不適用． 相對論原理是一種全新的時空與引力理論，它并沒有否定經(jīng)典力學(xué)理論，是在經(jīng)典力學(xué)基礎(chǔ)上加以完善，適用范圍更廣、更全面． 【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理論 C．物體高速運(yùn)動時，物體的運(yùn)動服從狹義相對論

12、，在低速運(yùn)動時，物體的運(yùn)動服從牛頓運(yùn)動定律 D．以上說法都是錯誤的 C　[在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量不隨運(yùn)動狀態(tài)而改變，在狹義相對論中，物體的質(zhì)量隨物體運(yùn)動速度的增大而增大，選項(xiàng)A錯誤；狹義相對論沒有否定經(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錯誤；經(jīng)典力學(xué)適用于低速運(yùn)動的物體，狹義相對論闡述物體在以接近光速的速度運(yùn)動時所遵循的規(guī)律，選項(xiàng)C正確．] 1．根據(jù)愛因斯坦提出的相對論，以下說法正確的是(　　) A．經(jīng)典力學(xué)理論普遍適用，大到天體，小到微觀粒子均適用 B．物體的質(zhì)量取決于物體所含物質(zhì)的多少，因而物體無論以多大速度運(yùn)動，其質(zhì)量與速度無關(guān) C．一個真實(shí)的物

13、體，其運(yùn)動速度有可能達(dá)到甚至超過真空中的光速 D．質(zhì)量、長度、時間的測量結(jié)果都是隨物體與觀測者的相對運(yùn)動狀態(tài)而改變 D　[根據(jù)愛因斯坦提出的相對論，經(jīng)典力學(xué)只適用于宏觀低速的運(yùn)動，A錯誤．質(zhì)量隨速度的增大而增大，B錯誤．物體的速度不能越過光速，C錯誤．物體的質(zhì)量、長度、時間的測量結(jié)果都與觀測者相對運(yùn)動狀態(tài)有關(guān)，D正確．] 狹義相對論的主要結(jié)論 1.時間延緩效應(yīng) 在相對論時空觀中，運(yùn)動時鐘與靜止時鐘的關(guān)系：Δt＝，由上式可以看出vΔt′，因此如果某時鐘所顯示的某個物理過程經(jīng)歷的時間間隔小，我們稱該時鐘走得慢，所以我們說運(yùn)動的鐘比靜止的鐘走得慢．這種效應(yīng)被稱為時間延緩．

14、 2．長度收縮效應(yīng) 按照狹義相對論時空觀，空間也與運(yùn)動密切相關(guān)，即對某物體空間廣延性的觀測，與觀測者和該物體的相對運(yùn)動有關(guān)．觀測長度l′與靜止長度l之間的關(guān)系：l′＝l，由于v

15、例2】　半人馬星座α星是離太陽系最近的恒星，它距地球?yàn)?.3×1016 m．設(shè)有一宇宙飛船自地球往返于半人馬星座α星之間． (1)若宇宙飛船的速率為0.999c，按地球上時鐘計算，飛船往返一次需多少時間？ (2)如以飛船上時鐘計算，往返一次的時間又為多少？ [解析]　(1)由于題中恒星與地球的距離s和宇宙飛船的速度v均是地球上的觀察者測量的，故飛船往返一次，地球時鐘所測時間間隔 Δt＝＝2.87×108 s. (2)可從相對論的時間延緩效應(yīng)考慮．把飛船離開地球和回到地球視為兩個事件，顯然飛船上的鐘測出兩事件的時間間隔Δt′是固定的，地球上所測的時間間隔Δt與Δt′之間滿足時間延緩效應(yīng)

16、的關(guān)系式．以飛船上的時鐘計算，飛船往返一次的時間間隔為 Δt′＝Δt＝1.28×107 s. [答案]　(1)2.87×108 s　(2)1.28×107 s 時間延緩效應(yīng)和長度收縮效應(yīng)的應(yīng)用方法 1．(1)“鐘慢效應(yīng)”或“動鐘變慢”是在兩個不同慣性系中進(jìn)行時間比較的一種效應(yīng)，不要認(rèn)為是時鐘的結(jié)構(gòu)或精度因運(yùn)動而發(fā)生了變化，而是在不同參考系中對時間的觀測效應(yīng)． (2)運(yùn)動時鐘變慢完全是相對的，在兩個慣性參考系中的觀測者都將發(fā)現(xiàn)對方的鐘變慢了． 2．(1)長度收縮效應(yīng)是狹義相對論時空觀的一種體現(xiàn)，即在不同慣性系中的觀測者對同一物體的同一個空間廣延性進(jìn)行觀測，測得的結(jié)果不同． (2

17、)這種沿著運(yùn)動方向的長度的變化是相對的；另外垂直于速度方向的長度不變． 2．一支靜止時長l的火箭以v的速度從觀察者的身邊飛過． (1)火箭上的人測得火箭的長度應(yīng)為多少？ (2)觀察者測得火箭的長度應(yīng)為多少？ (3)如果火箭的速度為光速的二分之一，觀察者測得火箭的長度應(yīng)為多少？ [解析]　(1)火箭上的人測得的火箭長度與火箭靜止時測得的長度相同，即為l. (2)火箭外面的觀察者看火箭時，有相對速度v，測量長度將變短，由相對論長度收縮效應(yīng)公式知l′＝l，其中c為真空中的光速． (3)將v＝代入長度收縮效應(yīng)公式得l′＝l. [答案]　(1)l　(2)l　(3)l 1．(

18、多選)牛頓運(yùn)動定律能適用于下列哪些情形(　　) A．研究原子中電子的運(yùn)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(yùn)動 D．研究飛機(jī)從北京飛往紐約的航線 BCD　[牛頓運(yùn)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(yùn)動不服從牛頓運(yùn)動定律，A錯誤，B、C、D中各項(xiàng)運(yùn)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(yùn)動定律研究其規(guī)律，B、C、D正確．] 2．(多選)下列說法中哪些屬于經(jīng)典時空觀的觀點(diǎn)(　　) A．世界的過去、現(xiàn)在和將來都只有量的變化，而不會發(fā)生

19、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 ABC　[經(jīng)典時空觀認(rèn)為時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)典時空觀；選項(xiàng)D屬于相對論時空觀．] 3．如圖所示，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(　　) A．0.4c　　　 B．0.5c C．0.9c D．c D　[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．] - 9 -