2017_2018年高中物理第六章万有引力与航天第6节经典力学的局限性教学案新人教版.docx

第6节 经典力学的局限性一、从低速到高速1经典力学的基础是牛顿运动定律，牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的广阔领域，包括天体力学的研究中，经受了实践的检验，取得了巨大的成就。2狭义相对论阐述物体在以接近光的速度运动时所遵从的规律。3在经典力学中，物体的质量m是不随运动状态改变的，而狭义相对论指出，质量要随物体运动速度的增大而增大，即m，两者在速度远小于光速的条件下是统一的。4经典力学认为位移和时间的测量与参考系无关，相对论认为，同一过程的位移和时间的测量，在不同的参考系中不同。说明(1)洲际导弹的飞行速度可达6 000 m/s，远远小于光速，此速度在狭义相对论中属于低速。(2)物体的质量是它的固有属性，是相对不变的，这一结论成立的前提是物体做低速运动，在高速运动中物体的质量要随运动速度的增大而增大。二、从宏观到微观经典力学能够很精确地描述宏观物体的运动规律，但对微观粒子的粒子性和波动性无能为力，量子力学能够正确地描述微观粒子运动的规律性。以上事实说明，经典力学的适用范围：只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界。说明经典力学只对宏观、低速物体适用，微观粒子的运动规律不遵循牛顿运动定律。三、从弱引力到强引力1915年，爱因斯坦创立了广义相对论，这是一种新的时空与引力的理论。牛顿的万有引力定律认为：若物体的总质量不变，物体的半径减小到原来的二分之一，引力增到原来的四倍，即符合“平方反比”规律。爱因斯坦引力理论表明：物体间的距离减小时，它们间的引力比“平方反比”规律增加得更快，半径越小，这种差别就越大。说明由经典力学与行星轨道的矛盾说明了经典力学只适用于弱引力，而不适用于强引力。判一判1质量是物体的固有属性，速度对质量没有影响()2当物体的速度可以和光速相比较时，它的质量随着速度的增加而变大()3相对论和量子力学的出现，说明经典力学已失去意义()4原子中电子的运动能用经典力学进行解释()5空气中灰尘的运动能用经典力学进行解释()1.低速与高速的概念通常所见物体的运动皆为低速运动，如行驶的汽车、发射的导弹、人造地球卫星及宇宙飞船等。有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近，这样的速度称为高速。2速度对质量的影响在经典力学中，物体的质量是不变的，但爱因斯坦的狭义相对论指出，物体的质量随速度的增大而增大，即m，其中m0为物体静止时的质量，m是物体速度为v时的质量，c是真空中的光速。在高速运动时，质量的测量是与运动状态密切相关的。3速度对物理规律的影响对低速运动问题，一般用经典力学规律来处理。对高速运动问题，经典力学已不再适用，需要用相对论知识来处理。典型例题例1.一个原来静止的电子，经高压加速后速度为v6106 m/s。则电子的质量增大了还是减小了？改变了百分之几？(光速c3108 m/s)解析根据爱因斯坦的狭义相对论m得，运动后电子的质量增大了，且m1.000 2m0所以质量改变的百分比为100%0.02%答案增大了0.02%点评速度对物体的质量的影响从爱因斯坦的相对论可知：物体的速度越大，它的质量就越大。当物体的速度远小于光速时，其质量的变化可以忽略，可以认为速度对质量没有影响；当物体的速度接近光速时，质量变化将很明显，其质量变化不可忽略。即时巩固1日常生活中，我们并没有发现物体的质量随物体的运动的变化而变化，其原因是()A运动物体无法称质量B物体的速度远小于光速，质量变化极小C物体的质量太大D物体的质量不随速度变化而变化解析：选B根据爱因斯坦狭义相对论观点，物体的质量随速度的增加而增加，其具体关系为m，通常情况下在日常生活中所观察到的物体速度vc，所以mm0，即质量随速度的变化极其微小，B正确。经典力学与相对论、量子力学的比较比较项经典力学相对论、量子力学形成时期受历史发展限制，理论较肤浅、片面理论较完善、科学适用范围低速运动、宏观世界、弱引力作用任何情况都适用速度对质量的影响物体的质量不随其速度的变化而变化物体的质量随其速度的增加而变大速度的合成v船岸v船水v水岸v船岸v船水v水岸成立v船岸v船水v水岸不成立引力规律牛顿的万有引力定律认为物体间的引力符合“平方反比”规律爱因斯坦相对论认为物体间的引力不完全符合“平方反比”规律联系(1)以下两种情况，相对论与经典力学的结论没有区别：物体的速度远小于光速c(3108 m/s)时；普朗克常h(6.631034 Js)可以忽略不计时(2)相对论和量子力学都没有否定经典力学，经典力学是相对论、量子力学的特殊情况典型例题例2.多选以下说法正确的是()A经典力学理论普遍适用，大到天体，小到微观粒子均适用B经典力学理论的成立具有一定的局限性C在经典力学中，物体的质量不随运动状态的改变而改变D相对论与量子力学否定了经典力学理论解析经典力学理论只适用于宏观、低速运动的物体，A错误；经典力学只在一定条件下适用，具有一定局限性，B正确；经典力学研究的是低速运动问题，物体的质量变化很小，可以认为不变，C正确；相对论和量子力学并没有否定经典力学，认为经典力学是在一定条件下的特殊情形，D错误。答案BC即时巩固2下列说法正确的是()A牛顿定律就是经典力学B经典力学的基础是牛顿运动定律C牛顿运动定律可以解决自然界中所有的问题D经典力学可以解决自然界中所有的问题解析：选B经典力学并不等于牛顿运动定律，牛顿运动定律是经典力学的基础；经典力学并非万能，也有其适用范围，并不能解决自然界中所有的问题，没有哪个理论可以解决自然界中所有的问题，B正确。1牛顿定律不适用于下列哪些情况()A研究原子中电子的运动B研究“神舟十号”飞船的高速发射C研究地球绕太阳的运动D研究飞机从北京飞往纽约的航线解析：选A牛顿定律属于经典力学的研究范畴，适用于宏观、低速运动的物体，低速和高速的标准是相对于光速，可判定牛顿定律适用于B、C、D项中描述的运动，而A项不适用。2关于经典力学和量子力学，下列说法正确的是()A不论是对宏观物体，还是微观粒子，经典力学和量子力学都是适用的B量子力学适用于宏观物体的运动，经典力学适用于微观粒子的运动C经典力学适用于宏观物体的运动，量子力学适用于微观粒子的运动D上述说法均错误解析：选C经典力学适用于宏观物体的运动，量子力学适用于微观粒子的运动，C正确。3多选物理学的发展丰富了人类对物质世界的认识，推动了科学技术的创新和革命，促进了物质生产的繁荣与人类文明的进步，下列表述正确的是()A牛顿发现了万有引力定律B牛顿通过实验证实了万有引力定律C相对论的创立表明经典力学已不再适用D爱因斯坦建立了狭义相对论，把物理学推到更高领域解析：选AD万有引力定律是牛顿发现的，但在实验室里加以验证是卡文迪许进行的，A正确，B错误；相对论并没有否定经典力学，经典力学对于低速、宏观运动仍适用，C错误；狭义相对论的建立，是人类取得的重大成就，从而把物理学推到更高领域，D正确。4经典力学不能适用于下列哪些运动()A火箭的发射B宇宙飞船绕地球的运动C“勇气号”宇宙探测器的运动D以99%倍光速运行的电子束解析：选D经典力学在低速运动的广阔领域(包括天体力学的研究)中，经受了实践的检验，取得了巨大的成就，但在高速领域不再适用，A、B、C项适用。5根据爱因斯坦的相对论，质量要随物体运动速度的增大而增大。请讨论：如果使一个物体加速、加速、再加速，它的速度会增加到等于光速甚至大于光速吗？为什么？解析：由m知：当vc时，m应是无穷大。随着质量的不断增大，产生加速度的力会随之不断增大，使加速越来越困难。因此一个物体不管怎样加速，它的速度不会等于甚至超过光速。答案：见解析基础练一、选择题 1经典力学只适用于“宏观世界”，这里的“宏观世界”是指()A行星、恒星、星系等巨大的物质领域B地球表面上的物质世界C人眼能看到的物质世界D不涉及分子、原子、电子等微观粒子的物质世界解析：选DA、B、C三个选项描述的都属于“宏观世界”，但都很片面，没有全面描述，D正确。2下列说法正确的是()A世界的过去、现在和将来都只有量的变化，而不会发生质的变化B时间和空间是依赖人们的意识而存在的C时间和空间是绝对的D时间和空间是紧密联系、不可分割的解析：选D根据狭义相对论的观点，时间和空间都不是绝对的，都是相对的，时间和空间不能分割，是紧密联系的，A、B、C错误，D正确。3属于狭义相对论基本假设的是：在不同的惯性系中()A真空中光速不变B时间间隔具有相对性C物体的质量不变D物体的能量与质量成正比解析：选A狭义相对论基本假设为：一是在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的；二是真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，即光速不变原理，由此可知A属于狭义相对论基本假设，A正确，B、C、D错误。4下列说法正确的是()A在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变，在狭义相对论中，物体的质量也不随运动状态而改变B在经典力学中，物体的质量随运动速度的增加而减小，在狭义相对论中，物体的质量随物体速度的增大而增大C在经典力学中，物体的质量是不变的，在狭义相对论中，物体的质量随物体速度的增大而增大D上述说法都是错误的解析：选C在经典力学中，物体的质量是不变的，在狭义相对论中，物体的质量随物体速度的增大而增大，二者在速度远小于光速时是统一的，C正确。5某物体在低速(接近零)情况下质量为m0，在速度为v的高速(接近光速)情况下质量为m，则由狭义相对论可知，物体速度v为()A.c B. cC.c D. c解析：选B根据m可得v c，B正确。二、非选择题6一块静止质量为m0的石块，当它相对于静止在地面上的人以速度v(接近光速)匀速运动时，人观测到它的质量是增大、减小，还是不变？解析：当石块相对于静止地面的人以速度v(接近光速)匀速运动时，由m知，m增大。答案：增大提能练一、选择题 1多选20世纪以来，人们发现了一些新的事实，而经典力学却无法解释，经典力学只适用于处理物体的低速运动问题，不能用来处理高速运动问题，只适用于宏观物体，一般不适用于微观粒子，这说明()A随着认识的发展，经典力学已成了过时的理论B人们对客观事物的具体认识在广度上是有局限性的C不同领域的事物各有其本质与规律D人们应当不断扩展认识，在更广阔的领域内掌握不同事物的本质与规律解析：选BCD人们对客观世界的认识要受到所处的时代的客观条件和科学水平的制约，所以形成的看法也都具有一定的局限性，人们只有不断扩展自己的认识，才能掌握更广阔领域内的不同事物的本质与规律；新的科学的诞生并不意味着对原来科学的全盘否定，只能认为过去的科学是新的科学在一定条件下的特殊情形，故A错误，B、C、D正确。2多选(2016威海高一检测)牛顿的经典力学能很好地解释下列哪些现象()A高速公路上行驶的汽车B空气中下落的雨滴C原子核外电子绕核的转动D空气中漂浮的肥皂泡解析：选ABD经典力学只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界。高速公路上行驶的汽车、空气中下落的雨滴、空气中漂浮的肥皂泡都属于宏观、低速范畴，经典力学适用；原子核外电子绕核的转动属于微观现象，经典力学不适用。3多选关于公式m，下列说法正确的是()A公式中的m0是物体以速度v运动时的质量B当物体的运动速度v0时，物体的质量mm0，即物体的质量改变了，故经典力学不适用，是不正确的C当物体以较小速度运动时，质量变化十分微弱，经典力学理论仍然适用，只有当物体以接近光速运动时，质量变化才明显，故经典力学适用于低速运动，而不适用于高速运动D通常由于物体的运动速度太小，故质量的变化引不起我们的觉察。在分析地球上物体的运动时，不必考虑质量的变化解析：选CD公式中的m0是物体静止时的质量，m是物体以速度v运动时的质量，A错误；由公式可知，只有当v接近光速时，物体的质量变化才明显，一般情况下物体的质量变化十分微小，故经典力学仍然适用，B错误，C、D正确。4多选下列说法中正确的是()A当物体运动速度远小于光速时，相对论物理学和经典力学的结论没有区别B当物体运动速度接近光速时，相对论物理学和经典力学的结论没有区别C当普朗克常量h(6.631034 Js)可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别D当普朗克常量h(6.631034 Js)不能忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别解析：选AC在物体的速度远小于光速时，相对论物理学和经典力学的结论是一样的；在微观微粒运动中，忽略普朗克常量，两者结论也一样，A、C正确。5多选通过一个加速装置对电子施加一个很大的恒力，使电子从静止开始加速，则对这个加速过程，下列描述错误的是()A根据牛顿第二定律，电子将不断做匀加速直线运动B电子先做加速运动，后以光速做匀速直线运动C电子开始先近似于匀加速运动，后来质量增大，牛顿运动定律不再适