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2019-2020年高中物理《經(jīng)典力學(xué)的局限性》導(dǎo)學(xué)案 新人教版必修2 【課題】經(jīng)典力學(xué)的局限性 【課型】問題生成解決拓展課 【學(xué)習(xí)目標】 1．知道牛頓運動定律的適用范圍． 2．了解經(jīng)典力學(xué)在科學(xué)研究和生產(chǎn)技術(shù)中的廣泛應(yīng)用． 【自主導(dǎo)學(xué)】 結(jié)合下列問題閱讀教材: 1、質(zhì)量是否與速度有關(guān)系? 2、速度疊加原理是否成立? 3、微觀粒子的行為與宏觀物體是否遵循相同的規(guī)律? 4、時間和空間是否是絕對一成不變的? 5、強引力作用下出現(xiàn)的問題 ? 6、牛頓建立的經(jīng)典力學(xué)的適用范圍？愛因斯坦提出的相對論是否全盤否定了牛頓的經(jīng)典力學(xué)理論? 7、牛頓的科學(xué)方法。 總結(jié)歸納: 1. 物體的質(zhì)量與運動速度有關(guān) 在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量是不隨運動狀態(tài)改變的。但是，按照20世紀初著名物理學(xué)家愛因斯坦建立的狹義相對論，質(zhì)量要隨物體運動速度的增大而增大。 物體的質(zhì)量與運動速度的關(guān)系是_____________________ (式中m0是__________________時的質(zhì)量，m是________________時的質(zhì)量，c是真空中的光速 。) 可見，當(dāng)v＜＜c時，m≈m0；當(dāng)v趨近于c時，m趨近于無窮大。因此，當(dāng)物體的速度遠小于真空中的光速時，經(jīng)典力學(xué)完全適用；當(dāng)物體的速度接近光速時，經(jīng)典力學(xué)就不適用了。 2.經(jīng)典力學(xué)中速度疊加原理不再成立 設(shè)河流中的水相對于河岸的速度為V水岸 船相對于水的速度為 V船水 則在經(jīng)典力學(xué)中，船相對于岸的速度為 （矢量和） 這似乎是天經(jīng)地義的。但是，這個關(guān)系式涉及兩個不同的慣性參考系，而速度總是與位移（空間長度）及時間間隔的測量相聯(lián)系。相對論認為，同一過程的位移和時間的測量在不同參考系中是不同的，因而上式不能成立。 3.兩種不同的時空觀 本節(jié)教材在“科學(xué)漫步”欄目《時間和空間是什么？》一文中提到了牛頓和愛因斯坦的兩種不同的時空觀。 牛頓認為：空間是獨立于物體及其運動而存在的，時間也是獨立于物體及其運動而存在的，這是一種經(jīng)典時空觀。 愛因斯坦則認為：在研究物體的高速運動（速度接近真空中的光速）時，物體的長度即物體占有的空間，以及物理過程、化學(xué)過程，甚至還有生命過程的持續(xù)時間，都與它們的運動狀態(tài)有關(guān)，空間與時間不再與物體及其運動無關(guān)而獨立存在。這是一種嶄新的時空觀。 4.經(jīng)典力學(xué)難以解釋微觀粒子的運動 科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子不僅具有粒子性，同時還具有波動性，它們的運動在很多情況下不能用經(jīng)典力學(xué)來說明。20世紀20 年代量子力學(xué)的出現(xiàn)，才很好地揭示了微觀世界的基本規(guī)律。 5.強引力作用下出現(xiàn)的問題 　牛頓的萬有引力定律取得了巨大的成就，但在一些問題上也遇到了困難。例如：水星的公轉(zhuǎn)軌道在不斷旋進，其實際觀察值要比經(jīng)典力學(xué)的預(yù)言值多。1915年，愛因斯坦創(chuàng)立的廣義相對論對此則能作出很好的解釋，同時還預(yù)言光線經(jīng)過大質(zhì)量星體附近時會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，且已被觀測證實。 另外，根據(jù)牛頓的理論，當(dāng)天體被壓縮成半徑幾乎為0的一個點時，引力趨于無窮大；而愛因斯坦的理論則認為，引力趨于無窮大發(fā)生在半徑接近一個“引力半徑”的時候，這個引力半徑的值由天體的質(zhì)量決定。當(dāng)天體的實際半徑接近引力半徑時，由愛因斯坦和牛頓引力理論計算出的力的差異急劇增大，在強引力情況下牛頓引力理論不再適用。 6.經(jīng)典力學(xué)的適用范圍 經(jīng)典力學(xué)有它的適用范圍：只適用于低速運動，不適用于高速運動；只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界；只適用于弱引力情況，不適用于強引力情況。 對于高速運動（速度接近真空中的光速），需要應(yīng)用愛因斯坦的相對論。當(dāng)物體的運動速度遠小于真空中的光速時，相對論物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別。 對于微觀世界，需要應(yīng)用量子力學(xué)。當(dāng)普朗克常數(shù)可以忽略不計時，量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別。 對于強引力情況，需要應(yīng)用愛因斯坦引力理論。當(dāng)天體的實際半徑遠大于它們的引力半徑時，愛因斯坦引力理論和牛頓引力理論計算出的力的差異并不很大。 7.牛頓的科學(xué)方法 　本節(jié)教材在“科學(xué)足跡”欄目《牛頓的科學(xué)生涯》一文中總結(jié)了牛頓的科學(xué)方法，這些科學(xué)方法值得我們借鑒： 重視實驗：重視實驗，從歸納入手，這是牛頓科學(xué)方法論的基礎(chǔ)。 邏輯推論：為了歸納成功，不僅需要大量的可靠資料與廣博的知識，而且要有清晰的邏輯頭腦。 數(shù)學(xué)歸納：事物之間的本質(zhì)聯(lián)系只有通過數(shù)學(xué)才能歸納為能夠測量、應(yīng)用和檢驗的公式和定律。 拓展閱讀 1． 狹義相對論(specialrelativity) 適用于慣性系，從時間、空間等基本概念出發(fā)將力學(xué)和電磁學(xué)統(tǒng)一起來的物理理論。1905年由A.愛因斯坦創(chuàng)建。這個理論在涉及高速運動現(xiàn)象時，同經(jīng)典物理理論顯示出重要的區(qū)別。 (1)產(chǎn)生：到19世紀末，經(jīng)典物理理論已經(jīng)相當(dāng)完善，當(dāng)時物理學(xué)界較為普遍地認為物理理論已大功告成，剩下的不過是提高計算和測量的精度而已。然而某些涉及高速運動的物理現(xiàn)象顯示了與經(jīng)典理論的沖突，而且整個經(jīng)典物理理論顯得很不和諧：①電磁理論按照經(jīng)典的伽利略變換不滿足相對性原理，表明存在絕對靜止的參考系，而探測絕對靜止參考系的種種努力均告失敗。②似乎存在著經(jīng)典力學(xué)無法說明的極限速度。③電子的質(zhì)量依賴于它的速度。在這種形勢下，有見地的物理學(xué)家預(yù)感到物理學(xué)中正孕育著一場深刻的革命。愛因斯坦立足于物理概念要以觀察到的事實為依據(jù)，而不能以先驗的概念強加于客觀事實，他考察了一些普遍的物理事實和經(jīng)典物理學(xué)中如運動、時間、空間等基本概念，看出以下兩點具有根本的重要性，并把它們作為建立新理論的基本原理：①狹義相對性原理，不僅力學(xué)實驗，而且電磁學(xué)實驗也無法確定自身慣性系的運動狀態(tài)，也就是說，在一切慣性系中的物理定律都具有相同的形式。②光速不變原理，真空中的光速對不同慣性系的觀察者來說都是c。承認這兩條原理，牛頓的絕對時間、絕對空間觀念必須修改，異地同時概念只具有相對意義。在此基礎(chǔ)上，愛因斯坦建立了狹義相對論。 (2)主要內(nèi)容： 洛倫茲變換 在狹義相對論中，洛倫茲變換是最基本的關(guān)系式，狹義相對論的運動學(xué)結(jié)論和時空性質(zhì)，如同時性的相對性、長度收縮、時間延緩、速度變換公式、相對論多普勒效應(yīng)等都可以從洛倫茲變換中直接得出。 質(zhì)速關(guān)系 狹義相對論預(yù)言，與經(jīng)典力學(xué)不同，物體的質(zhì)量不再是與其運動狀態(tài)無關(guān)的量，它依賴于物體的運動速度。運動物體速度為v時的質(zhì)量為，式中m0為物體的靜質(zhì)量，當(dāng)物體的速度趨于光速時，物體的質(zhì)量趨于無窮大。 關(guān)于狹義相對論中的質(zhì)量，還存在另一種觀點，認為只有一種不變的質(zhì)量，即物體的靜質(zhì)量，無法明確定義運動質(zhì)量。兩種觀點對于狹義相對論的基本看法上沒有分歧，只是對質(zhì)量概念的引入上存在分歧。后一種觀點在概念引入的邏輯嚴謹性上更為可取，而前一種觀點對于某些物理現(xiàn)象，如回旋加速器的加速限制、康普頓效應(yīng)以及光線的引力偏折等，作淺顯說明頗為有效。 質(zhì)能關(guān)系 狹義相對論最重要的預(yù)言是物體的能量E和質(zhì)量m有當(dāng)量關(guān)系，E＝mc2。與物體靜質(zhì)量m0相聯(lián)系的能量E0＝m0c2。質(zhì)能關(guān)系是核能釋放的理論基礎(chǔ)。 (3)意義： 狹義相對論經(jīng)受了廣泛的實驗檢驗，所有的實驗都沒有檢測到同狹義相對論有什么不一致的結(jié)果。狹義相對論是基礎(chǔ)牢靠、邏輯結(jié)構(gòu)嚴謹和形式完美的物理理論。廣泛應(yīng)用于許多學(xué)科，和量子力學(xué)成為近代物理學(xué)的兩大理論支柱。在現(xiàn)代物理學(xué)中，成為檢驗基本粒子相互作用的各種可能形式的試金石，只有符合狹義相對論的那些理論才有考慮的必要，這就嚴格限制了各種理論成立的可能性。 2．量子力學(xué) 二十世紀初，物理學(xué)取得了兩大突破：一個是普朗克提出了作用量子的概念；一個是愛因斯坦提出的狹義相對論的時空觀。 100多年前的1900年，德國科學(xué)家普朗克提出量子概念，１９２５年到１９２６年，海森伯和薛定諤最終建立了量子力學(xué)，解決了原子物理、光譜等基本問題，取得了巨大成功。之后，量子力學(xué)朝兩個重要方向發(fā)展：一是向更?。ㄈ缭右韵拢┏叨鹊膽?yīng)用，原子核物理學(xué)就是在量子力學(xué)指引下發(fā)展的，進而發(fā)展為目前的基本粒子物理學(xué)。量子力學(xué)使人類對物質(zhì)世界的認識從宏觀層次跨進了微觀層次。 量子力學(xué)的另一個發(fā)展方向，就是把量子力學(xué)用于處理更大尺度上的問題，比如分子的問題（即量子化學(xué)問題）和固體物理或凝聚態(tài)物理的問題。從研究對象的尺度看，從固體物理到地球物理、行星物理，再到天體物理和宇宙物理，其研究范圍越來越大。 從１９２５年之后，幾乎所有的二十世紀的物質(zhì)文明都是從相對論和量子力學(xué)這兩個物理基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展衍生的。原子構(gòu)造、分子構(gòu)造、核能、激光、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體、x光、超級計算機……假如沒有狹義相對論和量子力學(xué)，這一切都不會有。相對論和量子力學(xué)作為物理學(xué)的基礎(chǔ)，已成為現(xiàn)代精密科學(xué)的兩大柱石。二者的結(jié)合，不僅使物理學(xué)本身日新月異，而且也使物理學(xué)以外的其他自然科學(xué)改變了面貌。 3．廣義相對論 1915年，愛因斯坦（1879──1955）發(fā)表了他的廣義相對論。他解釋了引力作用和加速度作用沒有差別的原因。他還解釋了引力是如何和時空彎曲聯(lián)系起來的，利用數(shù)學(xué)，愛因斯坦指出物體使周圍空間、時間彎曲，在物體具有很大的相對質(zhì)量（例如一顆恒星）時，這種彎曲可使從它旁邊經(jīng)過的任何其它事物(即使是光線)改變路徑。 彎曲光線 廣義相對論指出，時空曲率將產(chǎn)生引力。當(dāng)光線經(jīng)過一些大質(zhì)量的天體時，它的路線是彎曲的，這源于它沿著大質(zhì)量物體所形成的時空曲率。因為黑洞是極大的質(zhì)量的濃縮，它周圍的時空非常彎曲，即使是光線也無法逃逸。 蟲洞 理論上，蟲洞是一個黑洞，它的質(zhì)量非常大，把時空彎曲進了它自身之中，它的口開向宇宙的另一個空間及時間，或者也許完全進入另一個宇宙空間。也許能夠利用蟲洞建立一個時間旅行機器，但許多科學(xué)家們指出這個機器不可能重返到它自身被創(chuàng)建的時間之前。 ［問題思考］ 以牛頓運動定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)，在科學(xué)研究和生產(chǎn)技術(shù)中有哪些應(yīng)用? ［例題解析］ 例1以牛頓運動定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)，在科學(xué)研究和生產(chǎn)技術(shù)中有哪些應(yīng)用？ 解析 經(jīng)典力學(xué)在科學(xué)研究和生產(chǎn)技術(shù)中有廣泛應(yīng)用。經(jīng)典力學(xué)與天文學(xué)相結(jié)合建立了天體力學(xué)；經(jīng)典力學(xué)和工程實際相結(jié)合，建立了應(yīng)用力學(xué)，如水利學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等。從地面上各種物體的運動到天體運動；從大氣的流動到地殼的變動；從攔河筑壩、修建橋梁到設(shè)計各種機械；從自行車到汽車、火車、飛機等現(xiàn)代交通工具的運動；從投出籃球到發(fā)射導(dǎo)彈、衛(wèi)星、宇宙飛船等等，所有這些都服從經(jīng)典力學(xué)規(guī)律。 例2以牛頓運動定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)的適用范圍是什么？ 解析 經(jīng)典力學(xué)只適用于解決低速運動物體，不能用來處理高速運動物體；經(jīng)典力學(xué)只適用于宏觀物體，一般不適用于微觀粒子；經(jīng)典力學(xué)只適用于解決弱引力問題，不能用來處理強引力問題。 例3怎樣看待經(jīng)典力學(xué)和相對論、量子力學(xué)的關(guān)系？ 解析 相對論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，說明人類對自然界的認識更加廣泛和深入，而不表示經(jīng)典力學(xué)失去了意義。它只是使人們認識到經(jīng)典力學(xué)有它的適用范圍。當(dāng)物體的運動速度遠小于光速c(3108m/s）時，相對論物理學(xué)和經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別；當(dāng)另一個重要常數(shù)即“普朗克常數(shù)”h（6.6310-34J?s）可以忽略不計時，量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別。相對論和量子力學(xué)都沒有否定過去的科學(xué)，而只認為過去的科學(xué)是自己在一定條件下的特殊情形。 例4一個靜止質(zhì)量mo=1kg的物體，與地球一起繞太陽公轉(zhuǎn)的速度是v=30km/s，在相應(yīng)的慣性系的觀測者測得物體的質(zhì)量為多大？ 解析 根據(jù)狹義相對論中質(zhì)量與運動速度的關(guān)系得： 拓展： 在物體的速度v=30km/s時，仍可以認為是低速運動，其質(zhì)量仍認為是靜止質(zhì)量。 【夯實基礎(chǔ)】 1.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.經(jīng)典力學(xué)理論的成立具有一定的局限性 C.在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量不隨運動狀態(tài)而改變 D.相對論與量子力學(xué)否定了經(jīng)典力學(xué)理論 2.20世紀初，著名物理學(xué)家愛因斯坦提出了 ，改變了經(jīng)典力學(xué)的一些結(jié)論。在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量是 的，而相對論指出質(zhì)量隨著速度變化而 。 3.經(jīng)典力學(xué)只適用于解決 問題，不能用來處理 問題，經(jīng)典力學(xué)只適用于 物體，一般不適用于 。 4. 與 都沒有否定過去的科學(xué)，而認為過去的科學(xué)是自己在一定條件下的特殊情形。 5.一條河流中的水以相對于河岸的速度v水岸流動，河中的船以相對于水的速度v船水順流而下。在經(jīng)典力學(xué)中，船相對于岸的速度為v船岸 。 【知能提升】 1.下列說法中正確的是（ ） A．經(jīng)典力學(xué)適用于任何情況下的任何物體 B．狹義相對論否定了經(jīng)典力學(xué) C．量子力學(xué)能夠描述微觀粒子運動的規(guī)律性 D．萬有引力定律也適用于強相互作用力 2.經(jīng)典力學(xué)不能適用下列哪些運動（ ） 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 D．微觀粒子的波動性 3.對于下列說法正確的是（ ） A．經(jīng)典力學(xué)的質(zhì)量是不變的 B．經(jīng)典力學(xué)的時間和空間是獨立于物體運動的 C．萬有引力定律適用于強作用力 D．物體的速度可以是任意值 4.下列說法正確的是（ ） A．微觀粒子的運動速度超過光速，因此經(jīng)典力學(xué)不適用 B．微觀粒子的質(zhì)量是不確定的，因此經(jīng)典力學(xué)不適用 C．微觀粒子具有波粒二象性，因此經(jīng)典力學(xué)不適用 D．量子力學(xué)僅適用于微觀粒子的運動 5.經(jīng)典力學(xué)只適用于“宏觀世界”，這里的“宏觀世界”是指（ ） A．行星、恒星、星系等巨大的物質(zhì)領(lǐng)域 B．地球表面上的物質(zhì)世界 C．人眼能看到的物質(zhì)世界 D．不涉及分子、原子、電子等微觀粒子的物質(zhì)世界 6.關(guān)于經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué)，下面說法中正確的是（ ） A．不論是對宏觀物體，還是微觀粒子，經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué)都是適用的 B．量子力學(xué)適用于宏觀物體的運動；經(jīng)典力學(xué)適用于微觀粒子的運動 C．經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀物體的運動；量子力學(xué)適用于微觀粒子的運動 D．上述說法都是錯誤的 7.日常生活我們并沒發(fā)現(xiàn)物體的質(zhì)量隨物體的運動的速度變化而變化，其原因是（ ） A．運動中物體無法稱量質(zhì)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 8.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．經(jīng)典力學(xué)理論的成立具有一定的局限性 C．在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量不隨運動狀態(tài)而改變 D．相對論與量子力學(xué)否定了經(jīng)典力學(xué)理論 9.已知電子的靜止質(zhì)量為me，真空中的光速為c?，F(xiàn)有一個觀察者測出電子的質(zhì)量為2me,則電子的速度為多大？ 10.如果真空中的光速為c＝3108m/s，當(dāng)一個物體的運動速度為v1＝2.4108 m/s時，質(zhì)量為3kg，當(dāng)它的速度為v2＝1.8108m/s時，質(zhì)量為多少？ 參考答案： 【問題思考】經(jīng)典力學(xué)在科學(xué)研究和生產(chǎn)技術(shù)中有廣泛的應(yīng)用．經(jīng)典力學(xué)與天文學(xué)相結(jié)合建立了天體力學(xué)；經(jīng)典力學(xué)和工程實際相結(jié)合，建立了應(yīng)用力學(xué)，如水利學(xué)，材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等．從地面上各種物體的運動到天體的運動：從大氣的流動到地殼的變動：從攔柯筑壩、修建橋梁到設(shè)計各種機械；從自行車到汽車、火車、飛機等現(xiàn)代交通工具的運動，從投出籃球到發(fā)射導(dǎo)彈、衛(wèi)星、宇宙飛船等等，所有這些都服從經(jīng)典力學(xué)規(guī)律． 【夯實基礎(chǔ)】 1. BC 2. 狹義相對論 固定不變 變化 3. 低速運動 高速運動 宏觀 微觀粒子 4. 狹義相對論 量子力學(xué) 5. v船水+ v水岸 【知能提升】 1.C 2.D 3.AB 4.C 5.D 6.C 7.B 8.BC 9. 0.8c 10. 分析：根據(jù)狹義相對論： 由題意知： 所以 ;所以