2018-2019學(xué)年高中物理 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學(xué)案 滬科版必修2

《2018-2019學(xué)年高中物理 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學(xué)案 滬科版必修2》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2018-2019學(xué)年高中物理 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學(xué)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(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． 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)通常叫牛頓力學(xué)，主要研究宏觀物體機械運動的規(guī)律． 2．經(jīng)典力學(xué)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(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(xué)定律導(dǎo)出的動量守恒定律、機械能守恒定律等是航空航天技術(shù)的理論基礎(chǔ)． (5)相對論和量子力學(xué)的形成都受到經(jīng)典力學(xué)的影響． 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)了將實驗、邏輯(數(shù)學(xué))相結(jié)合的方法． (2)牛頓：歸納—演繹法，大量運用數(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)果必須通過實驗驗證． 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，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(xué)和哲學(xué)的方法論，意義很大． 三、經(jīng)典力學(xué)的局限性和適用范圍 1．經(jīng)典力學(xué)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(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)用受到物體運動速率的限制，當(dāng)物體運動速率接近于真空中的光速時，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(guān)；空間與任何外界事物無關(guān)，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(xué)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(guān)． 2．相對論時空觀 (1)光速不變與經(jīng)典物理學(xué)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(xué)的速度合成法則相矛盾． (2)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：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(guān)． (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(xué)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(rèn)為時間是絕對的．(√) (3)經(jīng)典

6、時空觀認(rèn)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(xué)和相對論都是適用的．(×) 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、飛機等交通工具的運動 B．發(fā)射導(dǎo)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(xué)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(xué)來解釋，所以選項D錯誤. 一、經(jīng)典力學(xué)與相對論的比較 [導(dǎo)學(xué)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(xué)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(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　(1)質(zhì)子束的運動屬于高速、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)進行研究． (2)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)用廣義相對論進行研究． [知識深化] 1．區(qū)別： 比較項 經(jīng)典力學(xué) 相對論 形成時期 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(guān) 2.聯(lián)系： (1)當(dāng)物體的運動速度遠小于光速時，相對論物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別． (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(xué)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(xué)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(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B錯誤；經(jīng)典力學(xué)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(xùn)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(dǎo)學(xué)探究]　地球繞太陽公轉(zhuǎn)的速度是3×104 m/s；如圖2所示，設(shè)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(guān)系 時間均勻流逝，空間不變化，與運動情況及外部條件無關(guān) 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(rèn)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(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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)速度v?c時，Δt＝Δt′，這就回到了經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論——時間與物體的運動狀態(tài)無關(guān)． 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(shè)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(xùn)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(xué)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(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 答案　BCD 解析　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

17、科學(xué)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(rèn)為時間和空間都是與外界事物無關(guān)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(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(yīng)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(luò)，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(xué)的認(rèn)識 1．經(jīng)典力學(xué)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(xué)在低速運動的廣闊領(lǐng)域(包括天體力學(xué)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(lǐng)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(guān) 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(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)改變而改變 D．相對論和量子力學(xué)否定了經(jīng)典力學(xué)理論 答案　BC 解析　經(jīng)典力學(xué)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(xué)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(xué)并不否定經(jīng)典力學(xué)，認(rèn)為經(jīng)典力學(xué)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(shè)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(shè)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(shè)，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(yīng)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