2019学年高中物理第6章经典力学与现代物理6.1经典力学的巨大成就和局限性6.2狭义相对论.doc

6.1 经典力学的巨大成就和局限性 6.2 狭义相对论的基本原理 6.3 爱因斯坦心目中的宇宙学习目标 1.了解经典力学的发展历程和伟大成就.2.认识经典力学的局限性和适用范围.3.初步了解微观和高速世界中的奇妙现象.4.知道相对论、量子力学和经典力学的关系.一、经典力学的巨大成就1.经典力学经典力学通常叫牛顿力学，主要研究宏观物体机械运动的规律.2.经典力学的巨大成就(1)把天体的运动与地上物体的运动统一起来.(2)经典力学和以经典力学为基础发展起来的天体力学、材料力学和结构力学等得到了广泛的应用.(3)力学和热力学的发展及其与生产的结合引发了第一次工业革命.(4)由牛顿力学定律导出的动量守恒定律、机械能守恒定律等是航空航天技术的理论基础.(5)相对论和量子力学的形成都受到经典力学的影响.二、经典力学方法论的意义1.两种典型研究方法(1)伽利略：“自然数学化”的方法，开创了将实验、逻辑(数学)相结合的方法.(2)牛顿：归纳演绎法，大量运用数学方法系统地整理物理学理论的方法.其演绎的结果必须通过实验验证.2.意义伽利略和牛顿的科学方法是经典力学方法的典型，影响深远，并不断得到发展和完善，逐渐成为一种传统，甚至作为社会科学和哲学的方法论，意义很大.三、经典力学的局限性和适用范围1.经典力学的局限性和适用范围：对于宏观、低速(相对光速)物体的运动经典力学仍然适用.2.经典力学的局限性(1)经典力学的应用受到物体运动速率的限制，当物体运动速率接近于真空中的光速时，经典力学的许多观念将发生重大变化.(2)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.四、经典时空观与相对论时空观1.经典时空观(1)经典时空观(绝对时空观)：时间永远均匀地流逝，与任何外界无关；空间与任何外界事物无关，从不运动，永远不变.(2)惯性系与非惯性系：惯性系：凡是牛顿运动定律成立的参考系，相对于惯性系静止或做匀速直线运动的参考系都是惯性系.非惯性系：牛顿运动定律不成立的参考系，相对于惯性系做变速运动的参考系是非惯性系.(3)伽利略相对性原理：对于所有的惯性系，力学规律都是相同的，或者说，一切惯性系都是等价的.(4)经典时空观的几个具体结论：同时的绝对性；时间间隔的绝对性；空间距离的绝对性；物体质量恒定不变，即它们与参考系的选择(或观察者的运动状态)无关.2.相对论时空观(1)光速不变与经典物理学的矛盾：观察和实验事实表明：无论光源和观察者如何运动，光速只能是c，这与经典力学的速度合成法则相矛盾.(2)狭义相对论的两条基本假设：相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的.光速不变原理：在一切惯性系中，光在真空中传播的速度都等于c，跟光源的运动无关.(3)相对论时空观同时的相对性：在一个参考系中同时发生的两个事件，在另一个参考系看来是不同时的.运动的时钟变慢：时钟相对于观察者静止时，走得快；相对于观察者运动时，走得慢.运动速度越快，效果越明显.运动的尺子缩短：一个物体相对于观察者静止时，它的长度测量值最大；相对于观察者运动时，观察者在运动方向上观测，它的长度要缩短，速度越快，缩得越短.物体质量随速度的增加而增大.即学即用1.判断下列说法的正误.(1)牛顿运动定律适用于任何参考系.()(2)经典时空观认为时间是绝对的.()(3)经典时空观认为物体的质量是绝对的.()(4)不论是宏观物体，还是微观粒子，经典力学和相对论都是适用的.()2.(多选)下列服从经典力学规律的是()A.自行车、汽车、火车、飞机等交通工具的运动B.发射导弹、人造卫星、宇宙飞船C.物体运动的速率接近于真空中的光速D.能量的不连续现象答案AB解析经典力学只适用于宏观、低速运动的物体，所以A、B正确，C错误；能量的不连续现象不适合用经典力学来解释，所以选项D错误.一、经典力学与相对论的比较导学探究如图1甲，质子束被加速到接近光速；如图乙，中子星是质量、密度非常大的星体.请思考：图1(1)经典力学是否适用于质子束的运动规律？如何研究质子束的运动规律？(2)经典力学是否适用于中子星的引力规律？如何研究中子星的引力规律？答案(1)质子束的运动属于高速、微观范畴，经典力学不再适用，应该应用狭义相对论、量子力学进行研究.(2)中子星的引力属于引力范畴，经典力学不再适用，应该应用广义相对论进行研究.知识深化1.区别：比较项经典力学相对论形成时期物理学形成的初期阶段，受历史发展限制，理论较肤浅、片面形成于物理学充分发展的现代，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增大速度的合成时间与空间互不相干速度与位移、时间的测量有关2.联系：(1)当物体的运动速度远小于光速时，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别.(2)相对论并没有否定经典力学，经典力学是相对论在一定条件下的特殊情形.例1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.狭义相对论和经典力学是完全不同、相互矛盾的两个理论C.物体高速运动时，物体的运动服从狭义相对论，在低速运动时，物体的运动服从牛顿运动定律D.以上说法都是错误的答案C解析在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变，在狭义相对论中，物体的质量随物体运动速度的增大而增大，选项A错误；狭义相对论没有否定经典力学，经典力学是狭义相对论在一定条件下的特殊情形，选项B错误；经典力学适用于低速运动的物体，狭义相对论阐述物体在以接近光速运动时所遵循的规律，选项C正确.针对训练1(多选)牛顿运动定律能适用于下列哪些情形()A.研究原子中电子的运动B.研究“神舟五号”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答案BCD解析牛顿运动定律只能用于“宏观低速”的情形，这里的“宏观”是相对于微观粒子而言的.这里的“低速”是相对于光速而言的.原子、电子等是微观粒子，它们的运动不服从牛顿运动定律，A错误；B、C、D选项中运动虽然是“高速”，但相对于光速来说，却是微不足道的，完全可以用牛顿运动定律研究其规律，B、C、D正确.二、相对论的理解导学探究地球绕太阳公转的速度是3104 m/s；如图2所示，设在美国伊利诺伊州费米实验室的圆形粒子加速器可以把电子加速到0.999 999 999 987倍光速的速度.请思考：图2(1)地球的公转速度在狭义相对论中属于低速还是高速？被加速器加速后的电子的速度呢？(2)加速后电子的质量比电子的静止质量增大了还是减小了？答案(1)狭义相对论的高速是可以与光速相比较的速度，所以地球的公转速度属于低速，被加速器加速后的电子的速度属于高速.(2)物体的质量随速度的增大而增大，所以加速后电子的质量比电子的静止质量增大了.知识深化1.两个基本原理(1)相对性原理：所有物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式，表明在任何惯性系中研究某个物体的某一运动过程，其运动规律形式不变.(2)光速不变原理：在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速c都一样，表明了经典时空观与相对论时空观的不同；比较如下：经典时空观相对论时空观运动情况同一运动对不同参考系描述结果不同，即速度不同光在一切惯性参考系中传向各个方向的速度不变时间与空间的关系时间均匀流逝，空间不变化，与运动情况及外部条件无关时间、空间都随运动情况而改变几个结论同时的绝对性时间间隔的绝对性空间距离的绝对性物体的质量恒定不变同时的相对性运动的时钟变慢运动的尺子缩短物体的质量随速度的增加而增大2.相对论时空观的内容认为时间和空间是相互联系、相互影响的，并且与物质的存在及运动有关.(1)长度收缩效应：一把尺子，在相对于它静止的参考系xOy中测得其长度为l(称为静止长度)，如图3所示.当该尺子相对另一参考系xOy(如地面)沿尺子长度方向以速度v运动时，在该参考系xOy(如地面)中测得尺子长度为ll.由于vc，所以ll，说明在相对尺子运动的参考系中测得的“运动长度”比在相对尺子静止的参考系中测得的“静止长度”短，即所谓的“长度收缩效应”.当速度vc时，ll，这就回到了经典物理学的结论空间的尺度与物体的运动状态无关.图3(2)时间延缓效应：在相对于地面以速度v匀速运动的参考系内，测得该参考系中某一事件所经历的时间为t，则在地面上测得该事件所经历的时间为：t.由于vt.即用同样标准的钟，在静止参考系中测得的时间比在运动参考系中测得的时间长，好比是运动的钟走“慢”了.当速度vc时，tt，这就回到了经典物理学的结论时间与物体的运动状态无关.例2半人马星座星是距离太阳系最近的恒星，它距地球为4.31016 m.设有一宇宙飞船自地球往返于半人马星座星之间.若宇宙飞船的速度为0.999c，按地球上的时钟计算，飞船往返一次需多长时间？如以飞船上的时钟计算，往返一次的时间又为多长？答案9年0.4年解析以地球上的时钟计算：t s2.87108 s9年若以飞船上的时钟计算(原时)，因为t所以得tt2.87108 s1.28107 s0.4年.针对训练2如图4所示，有三个完全相同的时钟，时钟A放在地面上，时钟B、C分别放在两个火箭上，两个火箭分别以速度vB和vC朝同一方向飞行，vBvC.对于地面上的观察者来说，以下说法中正确的是()图4A.时钟A走得最慢 B.时钟B走得最慢C.时钟C走得最慢 D.时钟C走得最快答案C解析根据相对论的时空观，运动的时钟变慢，其实质是指在相对论中每位观察者都有自身的时间测度，即如果一时钟在天空高速飞驰，对静止不动的观察者来说似乎时钟的时间走得慢了.时钟飞驰得越快，时钟的时间走得越慢.1.(经典力学的成就和局限性)(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，以下说法正确的是()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.人们应当不断拓展认识，在更广阔的领域内掌握不同事物的本质与规律答案BCD解析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，人们只有不断拓展自己的认识，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.2.(经典时空观)(多选)下列说法中哪些属于经典时空观的观点()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.时间和空间不依赖人们的意识而存在C.时间和空间是绝对的D.时间和空间是紧密联系、不可分割的答案ABC解析经典时空观认为时间和空间都是与外界事物无关的、绝对的，选项A、B、C属于经典时空观；选项D属于相对论时空观.3.(相对论效应的理解)如图5所示，沿平直铁路线有间距相等的三座铁塔A、B和C.假想有一列车沿AC方向以接近光速行驶，当铁塔B发出一个闪光，列车上的观察者测得A、C两铁塔被照亮的顺序是()图5A.同时被照亮 B.A先被照亮C.C先被照亮 D.无法判断答案C解析列车上的观察者看到的是由B发出后经过A和C反射的光，由于列车在这段时间内向C运动，靠近C而远离A，所以C的反射光先到达列车上的观察者，观察者看到C先被照亮，故只有C正确.4.(狭义相对论的应用)如图6所示，强强乘坐速度为0.9c(c为光速)的宇宙飞船追赶正前方的壮壮，壮壮的飞行速度为0.5c，强强向壮壮发出一束光进行联络，则壮壮观测到该光束的传播速度为()图6A.0.4c B.0.5c C.0.9c D.c答案D解析由狭义相对论的光速不变原理知，真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，可知D正确，A、B、C错误.课时作业一、选择题(15题为单选题，67题为多选题)1.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答案D解析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，故选项A、B、C适用，D不适用.2.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答案A解析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，故A正确，B、C、D错误.3.一列火车以接近光速的速度从我们身边飞驶而过，我们会感到车厢、车窗变窄了，而车厢、车窗的高度并没有变化，那么车厢内的人看路旁的电线杆间距将会()A.变窄 B.变宽 C.不变 D.都有可能答案A解析火车相对地面以接近光速的速度向前飞驶，如果以火车为参考系，地面向后飞驶，根据尺缩效应知电线杆间距变窄.4.日常生活中，我们并没有发现物体的质量随着物体运动速度的变化而变化，其原因是()A.运动中物体的质量无法称量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的变化而变化答案B5.广东省虎门大桥全长近15 km，在500 m高空有一架与大桥平行以接近光速飞行的飞机，飞机上人员看到大桥的长度将是()A.大于15 km B.等于15 kmC.小于15 km D.无法确定答案C解析由于飞机相对大桥是运动的，因此在飞机上观察者看来，大桥要缩短，故C正确.6.下列说法正确的是()A.牛顿运动定律只适用于相对静止的参考系B.在任何惯性系中，物体的加速度都具有不变性C.按照经典时空理论，物体的长度、质量和运动时间都与参考系的运动无关D.伽利略相对性原理表明，在惯性运动的范围内不存在绝对空间和绝对运动答案BCD7.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改变而改变D.相对论和量子力学否定了经典力学理论答案BC解析经典力学理论只适用于宏观、低速运动的物体，A错，B对.在经典力学中，物体的速度vc，所以物体的质量不随运动状态改变而改变，但相对论和量子力学并不否定经典力学，认为经典力学是相对论在一定条件下的特殊情形，C正确，D错误.二、非选择题8.某物体高速运动时的质量是其静止时质量的二倍，求该物体的高速运动速度是光速c的多少倍.答案倍解析由爱因斯坦的质速公式m，得1()2()2，所以. 日月崇拜是原始宗教的重要内容之一，中国古代很早就有祭祀日月的宗教礼俗。殷人将日月称东母与西母，周代依据日月的时间属性行朝日夕月的祭礼，“夕月”即秋分日的晚上在西门外祭月。春秋战国时，日月神被称为东皇公、西王母。沂南汉画像石中东王公、西王母分坐在柱收物（昆仑山）上，西王母两旁跪有捣药的玉兔，由此可知，晋代郭璞图赞中“昆仑月精”的说法言之有据，而后世的月神嫦娥即由西王母演变而来。秦汉时期日月祭祀仍为皇家礼制，此后直至明清历代都有秋分祭月的礼仪。上古时期祭月列入皇家祀典而例行祭祀后，民间缺少了祭月的消息，这可能与古代社会的神权控制有关，像日月这样的代表阴阳的天地大神，只有皇家才能与之沟通，一般百姓无缘祭享。隋唐以后，随着天文知识的丰富与文化观念的进步，人们对月亮有了较理性的认识，月亮的神圣色彩明显消褪。这时皇家也逐渐失去了对月神祭祀的独占权。对一般平民来说，月亮不再是那样“高不可及”。唐朝虽没有中秋节，但唐人精神浪漫，亲近自然，中秋赏月已成为文人的时尚，吟咏中秋明月的华章丽句寻常可见，如许浑鹤林寺中秋夜玩月云：“中秋云尽出沧海，半夜露寒当碧天。轮彩渐移金殿外，镜光犹挂玉楼前。”在宋代，中秋节已成为民俗节日。文人沿袭赏月古风，但其情趣大异于唐人。唐人大多由月亮的清辉联想到河山的壮美，友朋千里，邀赏明月，诗酒风流，如白居易八月十五日夜禁中独直，对月忆元九“三五夜中新月色，二千里外故人心”，就借秋月抒发了感物怀人的情思。宋人常以月之阴晴圆缺，喻人生变化无常，苏轼中秋月“暮云收尽溢清寒，银汉无声转玉盘。此生此夜不长好，明月明年何处看”就寄托着这种浩叹。似乎中秋明月的清光，也难掩宋人的感伤。不过对于宋人来说，中秋还有另一种形态，即世俗的欢愉。北宋东京中秋夜，“贵家结饰台榭，民间争占酒楼玩月”（东京梦华录）。南宋杭州中秋夜更是热闹，在银蟾光满之时，王孙公子、富家巨室，莫不登楼，临轩玩月，酌酒高歌；中小商户也登上小小月台，安排家宴，“团圆子女，以酬佳节”（梦梁录）；市井贫民“解衣市酒，勉强迎欢，不肯虚度”。团圆是中秋节俗的中心意义。宋人的团圆意识已与中秋节令发生关联，宋代城市居民阖家共赏圆月，就体现了这一伦理因素。明清时期，由于理学的浸染，民间社会乡族观念增强，人们对家庭更为依恋，中秋节正是加强亲族联系的良机。“中秋民间以月饼相连，取团圆之义”（明代田汝成西湖游览志奈），月饼在宋代已经出现，但以月饼为中秋特色食品及祭月供品的风俗大概始于明朝，小小的月饼在民间生活中作为团圆的象征与联系亲族情感的信物互相馈送。节日是日常生活的亮点，节俗文化是时代精神的聚焦。中秋经历了文人赏月的雅趣，民间拜月的情趣，以及有心吃月饼而无心看月的俗趣，节俗形态从古至今发生了重大变化。一部中秋节俗形态演变史，也是一部中国民众心态的变迁史。（摘编自萧放团圆饼与月亮节中秋节俗形态的变迁）1下列关于原文内容的表述，不正确的一项是( )A对于日月，殷人称东母与西母，春秋战国时称东皇公、西王母，汉代称东王公、西王母，从这些称呼可以看出，中国古人的日月崇拜有一脉相承之处。B唐宋两代都有文人赏月的风尚。唐人多借月表达对自然美景的欣赏赞美，体现出诗酒风流的情趣，而宋人常因月抒发感伤之情。C南宋时的都城杭州，中秋夜热闹非凡，不仅富家巨室、中小商户宴饮赏玩，“以酬佳节”，连财力匮乏的市井贫民也勉力寻欢，足见中秋在当时已是非常重要的节日。D中秋的节俗文化经历了不断丰富与演变的过程，如宋人赋予中秋节阖家团圆的意义，明人则将月饼引入中秋节，作为团圆的象征与联系亲族感情的信物。2下列理解和分析，不符合原文意思的一项是( )A弦、望、晦、朔是月亮在运行过程中被人观察到的不同形态，是中国大多数节日设定的基准，如中秋节的设定就与“望”有关。B中秋节源于原始宗教中的月亮崇拜，但形成较晚。唐代文人已有中秋之夜赏月的风尚，到宋代，中秋则成为重要的民俗节日。C沂南汉画像石中的西王母为月神，居于昆仑山，后演变为月神嫦娥。晋代郭璞图赞中“昆仑月精”的说法即以此神话为依据。D唐朝的一般民众将月亮视为欣赏的对象，而不再觉得它高不可及，这跟天文知识的丰富、文化观念的进步和皇家丧失对祭月的独占权大有关系，3根据原文内容，下列说法不正确的一项是( )A月为天地大神，在宗教祭祀中地位重要，上古时期统治者独占祭月权之后，直至隋唐以前，一般民众无权祭月，中国民间也没有祭月的风俗。B尽管唐宋文人赏月的情趣大异，但白居易八月十五日夜禁中独直，对月忆元九和苏轼中秋月都是借月抒怀的感伤之作，表达了对友人的思念之情。C在宋代，中秋已是团圆佳节，到明清时期，理学的影响增强了民间社会的乡族观念和人们对家庭的依恋，于是中秋节更成为共享天伦与联系亲族的良机。D中秋节俗形态丰富，从文人雅士赏玩明月，到民间阖家团圆共赏明月，再到以月饼相赠加强亲族联系，这些习俗的演变折射了时代精神的变迁。（二）文学类文本阅读（14分）阅读下面的文字，完成4-6题。百年震柳梁衡1920年12月16日，宁夏海原县发生了一场全球最大的地震。是日晚8时，风暴大起，四野尘霾，大地颤动，山移、地裂、河断、城陷。黄土高原经这一抖，如骨牌倒地，土块横飞。老百姓惊呼：“山走了！”有整座山滑行三四公里者，最大滑坡面积竟毗连三县，达两千平方公里。山一倒就瞬间塞河成湖，形成无数的大小“海子”。地震中心原有一大盐湖，为西北重要的产盐之地。湖底突然鼓起一道滚动的陡坎，如有人在湖下推行，竟滴水不漏地将整个湖面向北移了一公里，称之为“滚湖”。所有的地标都被扭曲、翻腾得面目全非。大地瞬间裂开一条237公里长的大缝，横贯甘肃、陕西、宁夏。裂缝如闪电过野，利刃破竹，见山裂山，见水断水，将城池村庄一劈两半，庄禾田畴被撕为碎片。当这条闪电穿过海原县的一条山谷时，谷中正有一片旺盛的柳树，它照样噼噼啪啪，一路撕了下去。但是没有想到，这些柔枝弱柳，虽被摇得东倒西歪，断枝拔根，却没有气绝身死。狂震之后，有一棵虽被撕为两半，但又挺起身子，顽强地活了下来，至今仍屹立在空谷之中，这就是那棵有名的震柳。 我不知道这株柳，该称它是一棵还是两棵。它同根，同干，同样的树纹，头上还枝叶连理。但地震已经将它从下一撕为二，现在两个半边树