高中物理 第六章《经典力学的局限性》学案 新人教版必修2.doc

6.6 经典力学的局限性学案【课标要求】（1）知道牛顿运动定律的适用范围；（2）了解经典力学在科学研究和生产技术中的广泛应用；（3）知道质量与速度的关系，知道高速运动中必须考虑速度随时。【重点难点】1.牛顿运动定律的适用范围。2.高速运动的物体，速度和质量之间的关系。【课前预习】1经典力学认为，物体的质量与物体的运动状态 ；而狭义相对沦认为，物体的质量随着它的速度的增大而 ，若一个物体静止时的质量为m0，则当它以速度v运动时，共质量m= 。2.每一个天体都有一个引力半径，半径的大小由 决定；只要天体实际半径 它们的引力半径，那么由爱因斯坦和牛顿引力理论计算出的力的差异 。但当天体的实际半径接近引力半径时，这种差异 。3.19世纪末和20世纪以来，物理学的研究深入到 ，发现 、 、 等微观粒子不仅有、 ，而且有 ，它们的运动规律不能用经典力学来说明。探究与生成问题1 经典力学发展和伟大成就教师点拨 经典力学发展经历了三个阶段：第一阶段是在伽利略、牛顿时代之前，人们对力学现象的研究大多直接反映在技术之中或完全融合在哲学之内，物理学就整体而言还没有成为独立的科学；第二阶段是从伽利略到牛顿，是经典力学从基本要领、基本定律到建成理论体系的阶段，在这一阶段有一系列的科学家为经典力学打下重要基础。如伽利略、笛卡儿对惯性的研究发现了惯性定律和重力作用下的匀加速运动，奠定了牛顿第一定律和第二定律的基本思想，开普勒对天体运动的研究发现了行星运动三定律，为万有引力定律奠定基础，惠更斯对碰撞问题的研究等。第三阶段是牛顿之后经典力学的新发展，后人对经典力学的表述形式和应用对象进行了拓展与分享和完善。经过几百年的发展和完善，经典力学取得了伟大成就：1.1687年，牛顿在前人的基础上发表了自然哲学的数学原理，这是一部奠定了经典力学基础的划时代的著作。在这本书中，牛顿用数学方法证明了万有引力定律和三大运动定律，被认为是“人类智慧史上最伟大的一个成就”。从而建立了一个完整的力学体系。2.牛顿力学只用了几个概念和原理，就说明了行星和卫星的运行规律和运行轨道、海洋的潮汐、落体的运动、飞机和汽车的运动、足球的运动等等一切宏观物体的运动都服从经典力学的规律。经典力学能在如此广阔的领域内显示出牛顿定律的正确性和经典力学的魅力。例1以牛顿运动定律为基础的经典力学，在科学研究和生产技术中有哪些应用？【解析】经典力学在科学研究和生产技术中有广泛的应用，经典力学与天文学相结合建立了天体力学；经典力学和工程实际相结合，建立了应用力学，如水利学，材料力学、结构力学等。从地面上各种物体的运动到天体的运动：从大气的流动到地壳的变动：从拦柯筑坝、修建桥梁到设计各种机械；从自行车到汽车、火车、飞机等现代交通工具的运动，从投出篮球到发射导弹、卫星、宇宙飞船等等，所有这些都服从经典力学规律。【拓展与分享】在物理学发展的过程中,许多物理学家的科学发现推动了人类历史的进步.在对以下几位物理学家所作科学贡献的叙述中,正确的说法是( )a.爱因斯坦创立了“日心说” b.哥白尼提出了“地心说”c.伽利略发现了行星运动定律 d.牛顿总结出了万有引力定律【解析】选d.“日心说”由哥白尼提出,爱因斯坦创立了相对论理论,a、b错.行星运动定律是开普勒发现的,c错.万有引力定律是牛顿总结提出的,d对.问题2 从经典力学到相对论的发展教师点拨 以牛顿运动定律为基础的经典力学中，空间间隔（长度）s、时间t和质量m这三个物理量都与物体的运动速度无关.一根尺子静止时这样长，当它运动时还是这样长；一分钟不论处于静止状态还是处于运动状态，其快慢保持不变；一个物体静止时的质量和运动时的质量一样.这就是经典力学的绝对时空观.经典力学不是万能的，像一切科学一样，它没有也不会穷尽一切真理，它也有自己的局限性它像一切科学理论一样，是一部“未完成的交响曲”到了19世纪末，面对高速运动的微观粒子发生的现象，经典力学遇到了困难。在新事物面前，爱因斯坦打破了传统的时空观，于1905年发表了题为论运动物体的电动力学的论文，提出了狭义相对性原理和光速不变原理，创建了狭义相对论。狭义相对论指出：长度、时间和质量都是随物体的运动速度而变化的.继狭义相对论之后，1915年爱因斯坦又建立了广义相对论，指出空间时间不可能离开物质而独立存在，空间的结构和性质取决于物质的分布，使人类对于时间、空间和引力现象的认识大大深化了.“狭义相对论”和“广义相对论”统称为相对论.例2：以牛顿运动定律为基础的经典力学的适用范围是什么？【解析】经典力学只适用于解决低速运动问题，不能用来处理高速运动问题，经典力学只适用于宏观物体，一般不适用于微观粒子：经典力学只适用于解决弱引力问题，不能用来处理强引力问题。【拓展与分享】关于经典力学和狭义相对论，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.狭义相对论否定了经典力学【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. 历史上的科学成就不会被新的科学成就所否定，而是作为某些条件下的局部情形，被包括在新的科学成就之中量子力学和经典力学的结论没有区别相对论和量子力学都没有否定过去的科学，而只认为过去的科学是自己在一定条件下的特殊情形，故d错.问题3经典力学的局限性教师点拨 1.从低速到高速经典力学是从日常生活中的机械运动中总结出来的规律，日常生活中的物体运动速度都为低速运动，其速度远远小于光速，如行驶的汽车、发射的导弹、人造卫星及宇宙飞船等，因此经典力学完全适用。有些微观粒子在一定的条件下其速度可以与光速相接近，这样的速度称为高速。高速运动的物体，经典力学就不再适用了，20世纪初，著名物理学家爱因斯坦建立了狭义相对论，狭义相对论阐述了物体在以接近光速运动时所遵从的规律。(1).物体的质量与运动速度有关在经典力学中，物体的质量是不随运动状态改变的。按照20世纪初著名物理学家爱因斯坦建立的狭义相对论，质量要随物体运动速度的增大而增大。物体的质量与运动速度的关系是: 式中m0是物体静止时的质量，m是物体速度为v时的质量，c是真空中的光速。例如：(1)v0.8c时，物体的质量约增大到静止质量的1.7倍，这时经典力学就不再适用了 (2)如地球以v30kms的速度绕太阳公转时，它的质量增大十分微小，可以忽略不计可见，当vc时，m m0；当v趋近于c时，m趋近于无穷大。因此，当物体的速度远小于真空中的光速时，经典力学完全适用；当物体的速度接近光速时，经典力学就不适用了。（2）.经典力学中速度叠加原理不再成立设河流中的水相对于河岸的速度为，船相对于水的速度为，则在经典力学中，船相对于岸的速度为 （矢量和），这似乎是天经地义的。但是，这个关系式涉及两个不同的惯性参考系，而速度总是与位移（空间长度）及时间间隔的测量相联系。本节教材在“科学漫步”栏目时间和空间是什么？一文中提到了牛顿和爱因斯坦的两种不同的时空观。牛顿认为：空间是独立于物体及其运动而存在的，时间也是独立于物体及其运动而存在的，这是一种经典时空观。在牛顿看来，位移和时间的测量与参考系无关，正是在这种时空的观念下，上式才成立爱因斯坦则认为：在研究物体的高速运动（速度接近真空中的光速）时，物体的长度即物体占有的空间，以及物理过程、化学过程，甚至还有生命过程的持续时间，都与它们的运动状态有关，空间和时间与物体及其运动有密切的关系，不能独立存在。这是一种崭新的时空观，并且还在进一步研究。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是不同的，因而上式不能成立，经典力学也就不再适用了，经典力学仅适用于低速运动的物体。2.从宏观到微观经典力学是从日常生活中的机械运动中总结出来的规律，因此所观察到的物体都是宏观的。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，超出宏观的日常生活经验的领域，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描述。20世纪20年代，建立了量子力学，它能够正确地描述微观粒子运动的规律性，并在现代科技中发挥了重要作用.相对论和量子力学的出现，使人们认识到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。3.从弱引力到强引力万有引力定律的发现解释天体运动的规律，并预言和发现了海王星和冥王星，首次把天上的星体运动规律与地面物体的运动规律统一起来把经典力学推上了当时科学的巅峰。牛顿的万有引力定律取得了巨大的成就，但在一些问题上也遇到了困难。(1).经典力学与行星轨道的矛盾按牛顿的万有引力理论，行星应该沿着一些椭圆或圆做周期性运动，而天文观测表明，行星的轨道并不是严格闭合的，它们的近日点在不断地旋进，如水星的运动.实际观测到的水星的运动情况与爱因斯坦广义相对论的计算结果吻合得很好.(2).牛顿万有引力定律与爱因斯坦引力理论的主要差异a.牛顿的万有引力定律认为：物体的半径减小时，其表面上的万有引力与半径的二次方成反比地增大.b.爱因斯坦理论认为：物体的半径减小时，其表面上的万有引力比二次方成反比规律增大得快，引力趋于无穷大发生在接近一个“引力半径”的时候.引力半径假定一个球形天体的质量不变，并通过压缩减小它的半径，天体表面上的引力将会增加，当引力趋于无穷大时，被压缩天体半径接近的值为“引力半径”c.只要天体的实际半径远大于它们的引力半径，那么由爱因斯坦和牛顿引力理论计算出的力的差异并不很大，但当天体的半径接近引力半径时，这种差异将急剧增大，这就是说，在强引力的情况下，牛顿引力理论将不再适用.4.经典力学和相对论及量子力学的关系经典力学有它的适用范围：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；只适用于弱引力情况，不适用于强引力情况。对于高速运动（速度接近真空中的光速），需要应用爱因斯坦的相对论。当物体的运动速度远小于真空中的光速时，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别。对于微观世界，需要应用量子力学。当普朗克常数可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别。对于强引力情况，需要应用爱因斯坦引力理论。当天体的实际半径远大于它们的引力半径时，爱因斯坦引力理论和牛顿引力理论计算出的力的差异并不很大。经典力学是相对论及量子力学在一定条件下的特例，它包含于相对论和量子力学之中，相对论和量子力学的建立并没有否定经典力学.【例3】一个原来静止的电子，经电压加速后，获得的速度为v=6106m/s.问电子的质量增大了还是减小了？改变了百分之几？【解析】根据爱因斯坦的狭义相对论 得运动后质量增大了。 将已知数据代入得运动后质量m=1.0002m0， 所以改变的百分比为m-m0m0100%=0.02% .【拓展与分享】对于公式，下列说法中正确的是（ ）a.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，物体的质量为mm0，即物体质量改变了，故经典力学不适用，是不正确的c.当物体以较小的速度运动时，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感觉，在分析地球上物体的运动时，不必考虑质量的变化【思路分析】公式中m0是静止质量，m是物体以速度v运动时的质量，a不对。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，故b不对，c、d正确。【课堂练习】1.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2.在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.物体质量太大 d.物体质量不随速度变化而变化3.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,把物理学推进到高速领域4.下面说法中正确的是( )根据牛顿的万有引力定律可以知道,当星球质量不变,半径变为原来的 1/2时,引力将变为原来的4倍;按照广义相对论可以知道,当星球质量不变,半径变为原来的1/2 时,引力将大于原来的4倍;在天体的实际半径远大于引力半径时,根据爱因斯坦的引力理论和牛顿的引力理论计算出的力差异很大;在天体的实际半径接近引力半径时,根据爱因斯坦的引力理论和牛顿的引力理论计算出的力差异不大.a. b. c. d.5.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”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6.下面说法中正确的是（ ）当物体运动速度远小于光速时,相对论物理学和经典物理学的结论没有区别;当物体运动速度接近光速时,相对论物理学和经典物理学的结论没有区别;当普朗克常量h(6.6310-34 js)可以忽略不计时,量子力学和经典力学的结论没有区别;当普朗克常量h(6.6310-34js)不能忽略不计时,量子力学和经典力学的结论没有区别.a. b. c. d.7.在粒子对撞机中,有一个电子经过高压加速,速度达到光速的0.5倍.试求此时电子的质量变为静止时的多少倍?6.6 经典力学的局限性学案【a组】1.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2.为经典物理学的建立作出重要贡献的科学家除了我们熟知的牛顿、伽利略和哥白尼外，还有（ ）a.开普勒 b.笛卡儿 c.惠更斯 d.爱因斯坦3.经典力学的建立（ ）a.标志着近代自然科学的诞生 b.实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合c.确立了一切自然科学理论应有的基本特征 d.成为量子力学的基础4.经典力学适用于解决（ ）a.宏观高速问题 b.微观低速问题c.宏观低速问题 d.微观高速问题5.牛顿曾谦虚地说过：他比别人看得更远是因为站在巨人的肩上，这里所指的巨人是（ ）a.亚里士多德 b.伽利略 c.笛卡儿 d.卡文迪许6.下列说法正确的是（ ）爱因斯坦的狭义相对论研究的是物体在低速运动时所遵循的规律爱因斯坦的狭义相对论研究的是物体在高速运动时所遵循的规律牛顿力学的运动定律研究的是物体在低速运动时所遵循的规律牛顿力学的运动定律研究的是物体在高速运动时所遵循的规律a. b. c. d.7.下列说法中正确的是（ ）a.经典力学是以牛顿的三大定律为基础的 b.经典力学在任何情况下都适用c.当物体的速度接近光速时,经典力学就不适用了 d.相对论和量子力学的出现,使经典力学失去了意义8.根据爱因斯坦的狭义相对论,质量要随着物体运动速度的增大而增大,即.请讨论:(1)如果你使一个物体加速、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?(2)光有静止质量吗?如果有,情况将会怎样?【b组】1.19世纪和20世纪之交，经典物理已达到了完整、成熟的阶段，但“在物理学晴朗天空的远处还有两朵小小的、令人不安的乌云”，人们发现了经典物理学也有无法解释的实验事实，“两朵乌云”是指（ ）a.宏观问题 b.高速问题 c.微观问题 d.低速问题2.经典力学的局限性表现在（ ）a.认为物体的质量恒定不变 b.认为物体的质量和能量之间存在着密切的联系c.认为微观粒子的能量只能取分立的数值 d.认为微观粒子的速度和位置具有不确定性3.20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4.丹麦天文学家第谷连续20年详细记录了行星的运动过程中的位置的变化。这些资料既丰富又准确，达到了肉眼所能及的限度。但他并没有发现行星运动规律。对此，下列说法正确的有 ( )a.占有大量感性材料是毫无意义的 b.第谷的工作为发现行星运动规律创造了前提c.说明第谷没有真正发挥主观能动性 d.第谷缺少的是对感性材料的加工、制作5.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，又进一步发展了牛顿的经典力学，创立了相对论这说明 ( )世界无限广大，人不可能认识世界 人的意识具有能动性，能够正确地反映客观世界 人对世界的每一个正确认识都有局限性，需要发展和深化 每一个认识都可能被后人推翻，人不可能获得正确的认识 a b c d6.相对论告诉我们，物体运动时的质量与其静止时的质量相比：（ ）a.运动时的质量比静止时的质量大 b.运动时的质量比静止时的质量小c.运动时的质量与静止时的质量相等 d.是两个不同的概念无法比较7.以下关于物体的质量的说法中正确的是（ ）a质量是物体固有的属性，其大小与物体运动的速度无关b只有当物体运动的速度远小于光速时，才可以认为质量不变c只有当物体运动的速度远小于光速时，物体的质量才增大d物体速度大，说明受力大，同时物体的质量也增大8.下列说法正确的是（ ）a.物质、时间、空间是紧密联系的统一体b.在某参考系中观察某一物理现象是同时发生的，但在另一参考系中，仍观察该物理现象也一定是同时发生c.光经过大质量的星体附近时会发生偏转等现象d.当天体的半径接近“引力半径”时，引力趣于