《2019-2020學年高中物理 第4章 經典力學與物理學的革命 第1節(jié) 經典力學的成就與局限性 第2節(jié) 經典時空觀與相對論時空觀學案（含解析）粵教版必修2》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《2019-2020學年高中物理 第4章 經典力學與物理學的革命 第1節(jié) 經典力學的成就與局限性 第2節(jié) 經典時空觀與相對論時空觀學案（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) 經典力學的成就與局限性 第二節(jié) 經典時空觀與相對論時空觀 學 習 目 標 知 識 脈 絡 1.了解經典力學的發(fā)展歷程及其對自然科學、社會發(fā)展的影響. 2.認識經典力學的局限性和適用范圍. 3.了解經典時空觀及其基本推論. 4.了解狹義相對論的理論基礎和相對論時空觀的幾個推論．(重點、難點) 一、經典力學與相對論 1．經典力學的成就和局限性 (1)發(fā)展歷程 ①17世紀，伽利略發(fā)展了觀察實驗、科學思維與數(shù)學相結合的方法，并發(fā)現(xiàn)了慣性定律、落體定律和力學相對性原理． ②牛頓在伽利略、笛卡兒、開普勒、惠更斯等人研究的基礎上，采用歸納與演繹、綜合與分析的方法

2、，總結出一套普遍適用的力學運動規(guī)律——牛頓運動定律和萬有引力定律． ③17、18世紀的科學家逐漸發(fā)展了從動量、能量角度對牛頓運動定律的表述，進一步完善了經典力學體系． (2)偉大成就 ①經典力學把天上物體和地上物體的運動統(tǒng)一起來，實現(xiàn)了人類對自然界認識的第一次理論大綜合． ②使人們認識到了以現(xiàn)象觀察和實驗研究為基礎的自然科學理論的基本特征． ③建立了以實驗和數(shù)學相結合的研究方法． ④推動了其他學科的發(fā)展，與其他學科相結合產生了一些交叉性的分支學科． (3)適用范圍 從地面上的各種物體的運動到天體的運動；從大氣流動到地殼變動；從自行車到汽車、火車、飛機等交通工具的運動，從投出籃球

3、到發(fā)射導彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船——所有這些都服從經典力學的規(guī)律． (4)局限性 ①經典力學不適用于研究高速運動(接近光速)的物體． ②經典力學不適用于微觀領域中物質結構和能量不連續(xù)的現(xiàn)象． 2．經典時空觀 (1)慣性系與非慣性系 ①慣性系：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系，相對于慣性系做變速運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，力學規(guī)律都是相同的，或者說，一切慣性系都是等效的． (3)經典時空觀(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

4、界事物無關，從不運動，永遠不變． (4)經典時空觀的幾個具體結論 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． 時間、長度和質量這三個基本物理量在經典力學中都與參考系(觀察者)的運動無關． 3．相對論時空觀 (1)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：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；相對于觀察者運動時，走得慢．運動速度越快，效果越明顯． ③運動的尺子縮短：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，縮的越短． ④物體質量隨速度的增加而增大：當速度接近光速時，質量趨于無窮大，當速度比光速小得多時，物體運動質量與靜止時的質量相等． 二、狹義相對論的主要結論 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 (1

6、)時間延緩效應 ①在相對論時空觀中，運動的時鐘比靜止的時鐘走得慢． ②關系式為Δt＝，Δt′為運動時間，Δt為靜止時間． (2)長度收縮效應 ①在相對于物體運動著的慣性系中沿運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關系式： l′＝l. 3．兩種關系 (1)質速關系 ①在經典力學中，物體的質量與物體的運動無關．但在相對論中，運動物體的質量隨其運動速度的變化而變化． ②關系式：m＝ 其中m為物體的運動質量，m0為靜止質量，v為物體相對慣性系的運動速度． (2)質能關系 ①按照相對論及基本力學定律可推出質量和能量有如下關系：E＝mc2，這就是著名的質

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

8、示】　(1)√ (2)×　經典力學適用于宏觀低速運動的物體，相對論并沒有完全否定． (3)√ (4)×　汽車運動是宏觀低速運動，其長度的變化太小以至于可忽略不計． (5)×　質能關系反映的是當物體的質量發(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，運動的時鐘比靜止的時鐘走得慢． 2．(多選)20世紀以來，人們發(fā)現(xiàn)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．這說明(　　) 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

9、度上是有局限性的 C．經典力學與相對論是相互矛盾的一對理論 D．人們應當不斷地擴展認識，在更廣闊的領域內掌握不同事物的本質與規(guī)律 BD　[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，人們只有不斷地擴展自己的認識，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．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．] 經典力學與相對論 1.絕對時空觀是在地球范圍內憑直覺經驗建立起來的，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驗事實上，以狹義相對論的兩條基本假設為前提建立的． 2．經典時空觀中，時間、空間、物質是彼此獨立、互不聯(lián)系的，時間、長度和質量這三個物理量都與參考系的運動無關． 相對論

11、時空觀中，空間和時間是運動著的物質的存在形式，時空概念是從物質運動中抽象出來的，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 經典力學理論適用于弱引力作用下，低速運動的宏觀物體．而它在強引力作用下，或高速運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，它并沒有否定經典力學理論，是在經典力學基礎上加以完善，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

12、，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 C　[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的速度運動時所遵循的規(guī)律，選項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．經典力學理論普遍適用，大到天體，小到微觀粒子均適用 B．物體的質量取決于物體所含物質的多少，因而物體無論以多大速度運動，其質量與速度無關 C．一個真實的物

13、體，其運動速度有可能達到甚至超過真空中的光速 D．質量、長度、時間的測量結果都是隨物體與觀測者的相對運動狀態(tài)而改變 D　[根據(jù)愛因斯坦提出的相對論，經典力學只適用于宏觀低速的運動，A錯誤．質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．物體的質量、長度、時間的測量結果都與觀測者相對運動狀態(tài)有關，D正確．] 狹義相對論的主要結論 1.時間延緩效應 在相對論時空觀中，運動時鐘與靜止時鐘的關系：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歷的時間間隔小，我們稱該時鐘走得慢，所以我們說運動的鐘比靜止的鐘走得慢．這種效應被稱為時間延緩．

14、 2．長度收縮效應 按照狹義相對論時空觀，空間也與運動密切相關，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動有關．觀測長度l′與靜止長度l之間的關系：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． (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

16、的關系式．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 時間延緩效應和長度收縮效應的應用方法 1．(1)“鐘慢效應”或“動鐘變慢”是在兩個不同慣性系中進行時間比較的一種效應，不要認為是時鐘的結構或精度因運動而發(fā)生了變化，而是在不同參考系中對時間的觀測效應． (2)運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行觀測，測得的結果不同． (2

17、)這種沿著運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為多少？ (2)觀察者測得火箭的長度應為多少？ (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＝代入長度收縮效應公式得l′＝l. [答案]　(1)l　(2)l　(3)l 1．(

18、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 BCD　[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中各項運動雖然是“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．] 2．(多選)下列說法中哪些屬于經典時空觀的觀點(　　) A．世界的過去、現(xiàn)在和將來都只有量的變化，而不會發(fā)生

19、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 ABC　[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．] 3．如圖所示，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(　　) 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 -