2017_2018学年高中物理第五章经典力学的成就与局限性教学案教科版.docx

第五章 经典力学的成就与局限性1经典力学是以牛顿运动定律和万有引力定律为基础的力学理论体系。2经典力学认为时间、空间与物质及其运动完全无关，时间与空间也无关。3经典力学只适用于宏观、低速、弱引力场，不能解释微观世界的现象。一、经典力学的成就与局限性1经典力学的成就(1)经典力学的基础是牛顿运动定律和万有引力定律。(2)经典力学能说明行星和卫星的轨道、开普勒的行星运动定律、彗星运动、落体运动、海洋的潮汐、汽车的运动、足球的运动以及宏观世界中种种运动。(3)经典力学的思想方法影响到了化学和生物等自然科学领域，也影响到了艺术、政治、哲学等社会科学领域。2经典力学的局限性(1)经典力学的绝对时空观内容：时间、空间与物质及其运动完全无关，时间与空间也完全无关。局限性：割裂了时间、空间、物质及其运动之间的联系，不能解释高速运动领域的许多客观现象。(2)经典力学的运动观成就：牛顿所总结的运动定律，确立了严格的、用数值表示的机械运动的因果关系。局限性：不能解释微观世界的现象。3经典力学的适用范围(1)适用范围：适用于宏观(1010 m)、低速(vc)、弱引力场(例如地球附近)中的运动物体。(2)超出了以上范围要由相对论、量子论取代。二、了解相对论(选学)1狭义相对论中的主要效应(1)运动长度l会收缩，即ll0。(2)运动时钟会变慢，即。(3)物体质量m随速度v的增大而变大，其关系为m。(4)质量m和能量E之间存在着一个相互联系的关系式：Emc2，称为质能关系，式中c是光速。(5)任何物体的速度不能超过光速c。2广义相对论点滴(1)当光线通过强引力场时，光线在引力场中会发生偏折。(2)广义相对论是数学与物理学相结合的典范。三、初识量子论(选学)1量子论的基本内容(1)量子论认为微观世界的某些物理量不能连续变化而只能取某些分立值，相邻两分立值之差称为该物理量的一个量子。(2)一切微观粒子都具有波粒二象性。(3)由于微观粒子运动的特殊规律性，使一个微观粒子的某些物理量不可能同时具有确定的数值。2量子论的作用(1)量子论或量子力学起作用的领域主要是微观世界。(2)量子力学的建立标志着人们对客观规律的认识从宏观世界深入到了微观世界。(3)量子力学的成功：揭示了微观世界的基本规律。1自主思考判一判(1)在以牛顿运动定律为基础的经典力学中，时间、空间和质量均与物体的运动速度无关。()(2)经典力学适用于低速、宏观的物体的运动。()(3)像人造卫星这样高速运动的物体，已经无法用牛顿运动定律研究其运动规律了。()2合作探究议一议(1)牛顿第二定律属经典力学理论，它在高速世界还适用吗？提示：不适用。(2)密度很大的中子星附近存在很强的引力场，研究它周围物体的运动，经典力学是否适用？如果不适用，要用什么理论才能解决？提示：不适用。相对论、量子论等。对经典力学的成就与局限性的理解1速度(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。2微观粒子的运动特点(1)微观粒子既有粒子性，又有波动性。就单个粒子而言，运动没有确定的运动轨迹。(2)19世纪末到20世纪初，人们相继发现了电子、质子、中子等微观粒子，发现它们不仅具有粒子性，而且具有波动性，它们的运动规律不能用经典力学来描述。(3)20世纪20年代，建立了量子力学，用量子力学理论就可以解决微观粒子的运动问题。117世纪末，采用归纳与演绎、综合与分析的方法，建立了完整的经典力学体系，使物理学从此成为一门成熟的自然科学的科学家是()A牛顿B开普勒C笛卡儿 D伽利略解析：选A牛顿是经典力学理论体系的建立者，牛顿运动定律是经典力学的基础。2(多选)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空气中飘浮的肥皂泡解析：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、空气中飘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对于经典力学理论，下述说法中正确的是()A由于相对论、量子论的提出，经典力学已经失去了它的意义B经典力学在今天广泛应用，它的正确性无可怀疑，仍是普遍适用的C经典力学在历史上起了巨大的作用，随着物理学的发展而逐渐过时，成为一种古老的理论D经典力学在宏观低速运动中，引力不太大时适用解析：选D经典力学和其他任何理论一样，有其自身的局限性和适用范围，但对于低速宏观物体的运动，经典力学仍然适用，并仍将在它适用范围内大放异彩，所以D正确。4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三个选项说的当然都属于“宏观世界”，但都很片面，没有全面描述，本题应选D。5(多选)关于经典力学的局限性，下列说法正确的是()A经典力学没有局限性B经典力学的应用受到物体运动速度的限制，当物体运动的速度接近于真空中的光速时，经典力学就不适用了C经典力学不适用于微观领域中物质结构和能量不连续的现象D经典力学割裂了时间、空间、物质及其运动之间的联系解析：选BCD经典力学也不适用于微观世界，并割裂了时间、空间、物质及其运动之间的联系，选项A错误，B、C、D正确。6(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。经典力学只适用于解决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。7(多选)继哥白尼提出“太阳中心说”、开普勒提出行星运动三定律后，牛顿站在巨人的肩膀上，创立了经典力学，揭示了包括行星在内的宏观物体的运动规律；爱因斯坦既批判了牛顿力学的不足，又进一步发展了经典力学，创立了相对论，这说明()A世界无限扩大，人不可能认识世界，只能认识世界的一部分B人的意识具有能动性，能够正确地反映客观世界C人对世界的每一个正确认识都有局限性，需要发展和深化D每一个认识都可能被后人推翻，人不可能获得正确地认识解析：选BC发展总是来自于认识过程，观点总是为解释发现而提出。主动认识世界，积极思考问题，追求解决问题，这是科学研究的基本轨迹。任何一个人对客观世界的认识都受当时的客观条件和科学水平的制约，所以所形成的“正确理论”都有一定的局限性，爱因斯坦的相对论是对牛顿力学的发展和深化，但也有人正在向爱因斯坦理论提出挑战，综上所述，选项B、C正确。实验综合问题1如图1所示，用底部带孔的玻璃试管和弹簧可以组装一个简易“多功能实验器”，利用该实验器，一方面能测弹簧的劲度系数，另一方面可测量小球做平抛运动的初速度。图1(1)用该装置测量弹簧劲度系数k时需要读出几次操作时的_和_，然后由公式_求出k的平均值。(2)使用该装置测量小球的初速度时，需要多次将弹簧的右端压到_(选填“同一”或“不同”)位置。然后分别测出小球几次飞出后的_和_，再由公式_求出初速度的平均值。解析：(1)根据胡克定律Fkx，可得k。弹簧的劲度系数可由弹簧的伸长量(或压缩量)和弹力计算。(2)物体做平抛运动时，水平方向上xv0t，竖直方向上ygt2，所以v0x。答案：(1)弹簧测力计的示数F弹簧的伸长量xk(2)同一水平位移x竖直高度yv0x2.图2是“研究平抛物体运动”的实验装置图，通过描点画出平抛小球的运动轨迹。图2(1)以下是实验过程中的一些做法，其中合理的有_。a安装斜槽轨道，使其末端保持水平b每次小球释放的初始位置可以任意选择c每次小球应从同一高度由静止释放d为描出小球的运动轨迹，描绘的点可以用折线连接(2)实验得到平抛小球的运动轨迹，在轨迹上取一些点，以平抛起点O为坐标原点，测量它们的水平坐标x和竖直坐标y，下列yx2图像能说明平抛小球的运动轨迹为抛物线的是_。(3) 图3是某同学根据实验画出的平抛小球的运动轨迹，图3O为平抛的起点，在轨迹上任取三点A、B、C，测得A、B两点竖直坐标y1为5.0 cm、y2为45.0 cm，A、B两点水平间距x为40.0 cm，则平抛小球的初速度v0为_m/s，若C点的竖直坐标y3为60.0 cm，则小球在C点的速度vc为_m/s(结果保留两位有效数字，g取10 m/s2)。 解析：(1)为了保证小球做平抛运动，实验中必须保证斜槽末端水平，为了保证每次做平抛运动的初速度相同，每次应该让小球从同一高度由静止释放，小球的运动轨迹应为平滑的曲线，因此a、c项合理。(2)小球做平抛运动，水平位移xv0t，竖直位移ygt2，因此yg2，y x2图像是一条过原点的直线，c项正确。(3)由ygt2得，t1 0.10 s，t2 0.30 s，因此小球平抛运动的初速度为v0 m/s2.0 m/s。小球在C点时竖直方向的分速度vy3 m/s2 m/s，因此C点速度vC4.0 m/s。答案：(1)ac(2)c(3)2.04.03某探究学习小组验证动能定理的实验装置如图4所示。图4(1)实验时首先要平衡摩擦力：取下沙桶，把木板不带滑轮的一端垫高，轻推小车，让小车_(选填“拖着”或“不拖着”)纸带运动。如果纸带上的点是均匀分布的，说明已经平衡了摩擦力，否则重新调节。(2)打点计时器使用频率为50 Hz的交流电，记录小车运动的纸带如图5所示。在纸带上相邻两计数点之间还有四个点未画出。本实验需根据此纸带计算_(选填“速度”或“加速度”)的值，其中小车通过计数点“B”时，该值_(计算结果保留2位有效数字)。图5(3)若实验室没有沙桶只有钩码，每个钩码质量m50 g，小车总质量M200 g，用该实验装置验证动能定理，则需验证重力对钩码所做的功是否等于_(选填“小车”或“小车和钩码”)动能的增量。解析：(1)实验时首先要平衡摩擦力：取下沙桶，把木板不带滑轮的一端垫高，轻推小车，让小车拖着纸带运动。如果纸带上的点是均匀分布的，说明已经平衡了摩擦力，否则要重新调节。(2)打点计时器使用频率为50 Hz的交流电，即打点周期为0.02 s，在纸带上相邻两计数点之间还有四个点未画出，即计数点间的时间间隔为0.1 s，根据本实验的需要，要求动能的增量，即根据此纸带计算某点速度的值，其中小车通过计数点“B”时，该速度值为v0.13 m/s。(3)若实验室没有沙桶只有钩码，每个钩码质量m50 g，小车总质量M200 g，用该实验装置验证动能定理，需验证重力对钩码所做的功是否等于小车和钩码动能的增量。答案：(1)拖着(2)速度0.13 m/s(3)小车和钩码4某同学用如图6甲所示的装置验证动能定理。为了提高实验精度，该同学多次改变小滑块下落高度H的值，测出对应的平抛运动水平位移x，并算出x2如下表所示，进而画出x2H图线如图乙所示。图6滑块下落高度H平抛水平位移x/cm平抛水平位移的平方x2/cm2h5.530.252h9.182.813h11.7136.894h14.2201.645h15.9252.816h17.6309.767h19.0361.008h20.6424.369h21.7470.89(1)原理分析：若滑块在下滑过程中所受阻力很小，则只要满足_，便可验证动能定理。(2)实验结果分析：实验中获得的图线未过坐标原点，而交在了大约(0.2h,0)处，原因是_。解析：(1)若滑块在下滑过程中所受阻力很小，由动能定理，mgHmv02，根据平抛运动规律，xv0t，hgt2，显然x2与H成正比，即只要测量量满足x2与H成正比，便可验证动能定理。(2)实验中获得的图线未过坐标原点，而交在了大约(0.2h，0)处，原因是滑块需要克服阻力做功。答案：(1)x2与H成正比(2)滑块需要克服阻力做功5“验证机械能守恒定律”的实验装置可以采用图7所示的甲或乙方案来进行。图7(1)比较这两种方案，_(填“甲”或“乙”)方案好些。(2)该同学开始实验时情形如图丙所示，接通电源释放纸带。请指出该同学在实验操作中存在的两处明显错误或不当的地方：_；_。(3)该实验中得到一条纸带，且测得每两个计数点间的距离如图丁中所示。已知相邻两个计数点之间的时间间隔T0.1 s。则物体运动的加速度a_；该纸带是采用_(填“甲”或“乙”)实验方案得到的。解析：由xaT2，利用逐差法得到物体运动的加速度a4.8 m/s2。若用自由落体实验测得物体运动的加速度a应该接近10 m/s2，所以该纸带是采用“乙”实验方案得到的。答案：(1)甲(2)打点计时器接了直流电源重物离打点计时器太远(3)4.8 m/s2乙6在用落体法验证机械能守恒定律时，某小组按照正确的操作选得纸带如图8所示。其中O是起始点，A、B、C是打点计时器连续打下的3个点。用毫米刻度尺测量O到A、B、C各点的距离，并记录在图中。(已知当地的重力加速度g9.80 m/s2，重锤质量为m1 kg，计算结果均保留3位有效数字)图8(1)图中的三个测量数据中不符合有效数字读数要求的是_段的读数，应记作_cm。(2)甲同学用重锤在OB段的运动来验证机械能守恒，他用AC段的平均速度作为B点对应的瞬时速度vB，则求得该过程中重锤的动能增加量Ek_ J，重力势能的减少量Ep_ J。这样验证的系统误差总是使Ek_Ep(选填“”“”“”或“”)。(4)上述两种处理方法中，你认为合理的是_同学所采用的方法。(选填“甲”或“乙”)解析：(1)毫米刻度尺读数要估读到毫米下一位，OC长度读数到1毫米，不符合读数要求。应记作15.70 cm。(2)AC段的平均速度即B点瞬时速度vB1.55 m/s，则系统增加的动能EkmvB21.20 J，重力势能减少了Epmg1.22 J，由于摩擦力的作用，部分重力势能转化为内能，所以EkEp。(3)B是打点计时器打下的第9个点，所以B点的速度vBgtg80.02 s1.57 m/s，动能的增加量EkmvB21.23 J。这样做把加速度按照自由落体计算，没有考虑摩擦力的作用，而实际上，由于摩擦力的作用，加速度a