2019-2020学年高中物理 第五章 经典力学与物理学革命 第一节 经典力学的成就与局限性 第二节 经典时空观与相对论时空观学案 粤教版必修2

第一节经典力学的成就与局限性 第二节经典时空观与相对论时空观1.了解经典力学的发展历程和伟大成就2.知道经典力学的局限性和适用范围3了解经典时空观及其基本推论4.了解狭义相对论的理论基础与相对论时空观的几个推论一、经典力学的发展历程15世纪以后，欧洲文艺复兴时期，各行各业迅速发展，物理学也进入了快速发展的阶段16世纪，波兰的天文学家哥白尼创立了日心说，解放了世人的思想17世纪，伽利略发现了惯性定律、落体定律及力学相对性原理，奠定了动力学的基础法国的笛卡儿、荷兰的惠更斯、德国的开普勒分别在不同领域作出了重要贡献在17世纪，最伟大的科学家牛顿在前人研究的基础上，采用归纳与演绎、综合与分析的方法，总结出了力学运动规律牛顿运动定律和万有引力定律18世纪，很多科学家投入了大量的精力研究物理学问题，从动量、能量角度完善了牛顿力学19世纪，科学家用新的、更简洁的形式重新表述了牛顿运动定律，形成了分析力学同时，经典力学由单个质点推广到多质点构成的系统，建立了刚体力学、弹性力学、塑性力学、流体力学等1(1)伽利略发现了行星运动的规律()(2)卡文迪许通过实验测出了引力常数()(3)牛顿最早指出力不是维持物体运动的原因()(4)笛卡儿对牛顿第一定律的建立作出了贡献()提示：(1)(2)(3)(4)二、经典力学的成就和局限性经典力学的伟大成就(1)经典力学把天上物体和地上物体统一起来，实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合(2)使人们认识到了以现象观察和实验研究为基础的自然科学理论的基本特征(3)建立了以实验和数学相结合的研究方法(4)推动了其他学科的发展，与其他学科相结合产生了一些交叉性的分支学科经典力学的局限性和适用范围(1)经典力学不适用于研究高速运动(接近光速)的物体(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：在高速世界中，物体的质量随着速度的增加而变大，物体的加速度不一定与它所受的外力成正比，牛顿第二定律不再适用三、经典时空观惯性系与非惯性系(1)惯性系：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(2)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伽利略相对性原理：对于所有惯性系，力学规律都是相同的，或者说，一切惯性系都是等效的经典时空观(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，永远不变经典时空观的几个具体结论(1)同时的绝对性；(2)时间间隔的绝对性；(3)空间距离的绝对性；(4)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(1)质量是物体的固有属性，任何时候都不会改变()(2)经典力学可以解决自然界中所有的问题()提示：(1)(2)四、相对论时空观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狭义相对论的两条基本假设(1)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(2)光速不变原理：不管在哪个惯性系中，测得真空中的光速都相同相对论时空观(1)“同时”的相对性：在一个参考系中同时发生两个事件，在另一个参考系看来是不同时的(2)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(3)运动的尺子缩短：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(4)物体质量随速度的增加而增大2在“时间延缓效应”中，钟表走快走慢应如何理解？提示：每个惯性系中的观测者都是使用静止于该参考系中的时钟进行有关时间的观测，对同一物理过程经历的时间，在不同惯性系中观测，测得的结果不同，并不是时钟走快了或走慢了，而仅仅是一种观测效应对经典时空观与相对论时空观的认识学生用书p78绝对时空观是在地球范围内凭直觉经验建立起来的，它符合人们对空间、时间的主观感受；相对论时空观是在光速不变的实验事实上，以狭义相对论的两条基本假设为前提建立的经典时空观中，时间、空间、物质是彼此独立、互不联系的，时间、长度和质量这三个物理量都与参考系的运动无关相对论时空观中，空间和时间是运动着的物质的存在形式，时空概念是从物质运动中抽象出来的，它们之间相互依赖、彼此联系只有在高速运动时，相对论效应才比较显著，在通常情况下，相对论效应极其微小，可忽略不计，仍可按经典时空观理解理解时空观应特别注意参照系时空观所研究的就是时间、空间与参考系的问题，经典时空观认为时间和空间是绝对的，与参考系的选取无关，相对论时空观认为对于一个参照系，都有只属于这个参照系的空间和时间所以在相对论时空观中必须时刻清楚观察者所选定的参考系(多选)下列说法中属于经典时空观的观点是()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，故a、b、c属于经典时空观；d属于相对论时空观答案abc在经典力学中，时间、长度和质量都与参考系的运动无关 1.关于经典力学和相对论，下列说法正确的是()a经典力学和相对论是各自独立的学说，互不相容b相对论是在否定了经典力学的基础上建立起来的c相对论和经典力学是两种不同的学说，二者没有联系d经典力学包含在相对论之中，经典力学是相对论的特例解析：选d.相对论的建立并没有否定经典力学，而是认为经典力学是相对论在一定条件下的特殊情形所以a、b、c错误，d正确狭义相对论的基本假设及结论学生用书p78狭义相对论的基本假设(1)相对性原理：在不同的惯性系中，一切物理规律都是相同的(2)光速不变原理：不管在哪个惯性系中，测得的真空中的光速都相同狭义相对论的结论(1)“同时”的相对性：在一个参考系中同时发生的两个事件，在另一参考系看来是不同时的，这称为“同时”的相对性(2)运动的时钟变慢：相对于观察者运动的时钟，比相对于观察者静止的时钟走得慢运动速度越快，效果越明显(3)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，在沿运动方向上观察，物体的长度要缩短，速度越快，缩得越短(4)物体质量随速度的增加而增大：当速度接近光速时，质量趋于无穷大如果物体的运动速度比光速小很多时，物体运动时的质量和物体静止时的质量相等这意味着经典力学是相对论的一个特例可见相对论比经典力学具有更普遍的意义相对论中的时间延缓、长度缩短、质量增大现象是观测效应，并非时钟走慢了，也并非是物体的长度、质量变化了如图所示，地面上a、b两个事件同时发生对于坐在火箭中沿两个事件发生地点连线飞行的人来说，哪个事件先发生？思维流程 解答本题可按以下思路分析：解析可以设想在事件a发生时a处发出一个闪光，事件b发生时b处发出一个闪光，“两闪光相遇”作为一个事件，发生在线段ab中点，这在不同参考系中看都是一样的“相遇在中点”这个现象在地面坐标系中很容易解释：两个闪光同时发出，两个闪光传播的速度又一样，当然在线段的中点相遇火箭上的人则有如下推理：地面在向火箭方向运动，从闪光发生到两闪光相遇，线段中点向火箭的方向运动了一段距离因此闪光b传播的距离比闪光a长些，既然两个闪光的光速相同，一定是闪光b发生得早一些即b事件先发生答案b事件先发生对于同一事件，在不同参考系中看到的现象是不同的 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解析：选a.狭义相对论的基本假设有：(1)狭义相对论的相对性原理，一切彼此做匀速直线运动的惯性参考系，对于描述运动的一切规律来说都是等价的；(2)光速不变原理，对任一惯性参考系，真空中的光速都相等，所以只有a正确易错易混光速不变原理与速度合成关系式设某人在以速度0.5c飞行的飞船上打开一个光源，则下列说法正确的是()a飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为1.5cb飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为0.5cc在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是0.5cd在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c易错分析 本题易错选项及错误原因具体分析如下：易错选项错误原因a根据关系式vv船c求得光速为1.5c，忽视光速不变原理，实际上任何物体的运动速度不可能大于光速b根据关系式vcv船求得光速为0.5c，实际上接近光速时，以上关系式已不再适用c将飞船速度误认为是光速，这其实是两个不同的概念，而且也违背光速不变原理，光在一切惯性参考系中，在真空中的传播速度都是c解析根据光速不变原理知，在任何惯性系中测得的真空中的光速都相同，都为c，故d正确答案d(1)光速不变原理：爱因斯坦的狭义相对论指出，在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速c都一样，即光在所有的惯性参考系中的传播速度均是光速(2)速度合成的关系式v船岸v船水v水岸只适用于低速运动的惯性参考系，对于接近光速的高速运动物体，该关系式已不再适用，此时应根据光速不变原理去解决问题 随堂达标学生用书p7917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.牛顿在前人研究的基础上，总结出一套普遍适用的力学运动规律，建立了完整的经典力学体系(多选)牛顿运动定律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bcd.牛顿力学属于经典力学的研究范畴，适用于宏观、低速运动的物体，并注意到低速和高速的标准是相对于光速，可判定牛顿运动定律适用于b、c、d中描述的运动，而a不适用3如果你以接近于光速的速度朝一星体飞行，你可以根据下述变化发觉自己是在运动的是()a你的质量在增加b你的心脏跳慢了c你的尺寸在变小d你的感觉和在地面上的感觉都是一样的解析：选d.“你”相对飞船这个惯性参考系是静止的，因此“你”不能发现自己有什么变化，“你”的感觉和在地面上的感觉是一样的，d正确(多选)关于质量和长度的说法中正确的是()a物体的质量与位置、运动状态无关，是物质本身的属性b物体的质量与位置、运动状态有关，只是在速度较低的情况下，变化可忽略不计c物体的长度与运动状态无关，是物质本身的属性d物体的长度与运动状态有关，只是在速度较低的情况下，变化可忽略不计解析：选bd.由相对论的时空观可知，在物体运动的速度较低时，即远小于光速时物体的长度和质量基本保持不变，在物体的运动速度接近于光速时，质量随速度的增大而增大，在速度的方向上，物体的长度随速度的增大而缩短，故b、d说法正确，a、c错误5a、b、c是三个完全相同的时钟，a放在地面上，b、c分别放在两个火箭上，以vb和vc朝同一方向飞行，vbvc，地面上的观察者认为哪个时钟走得最慢？哪个走得最快？解析：运动的时钟变慢，相对观察者运动速度越大，时钟走得越慢，故c时钟最慢，a时钟和观察者相对静止，故a时钟最快答案：c时钟走得最慢，a时钟走得最快课时作业学生用书p128(单独成册)一、单项选择题20世纪初，提出了狭义相对论，引起了人们对时空观认识的改革的科学家是()a惠更斯 b普朗克c爱因斯坦 d洛伦兹解析：选c.20世纪初，爱因斯坦提出了狭义相对论，揭示了时间、空间与物体的运动速度之间的必然联系，引起了人们对时空观认识的改革2如图所示，按照狭义相对论的观点，火箭a是迎着光飞行的，火箭b是“追赶”光的，若火箭相对地面的速度为v，则两火箭上的观察者测出的光速分别为()acvcv bcvcvccc d无法确定解析：选c.根据光速不变原理，在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速c都一样，因此在火箭a、b两个惯性参考系中，观察者测量到的光速一样大，均为c，故c正确惯性系s中有一边长为l的正方形(如图所示)，从相对s系沿x方向以接近光速匀速飞行的飞行器上测得该正方形的图象是()解析：选c.物体运动时在运动方向上，相对观察者缩短，因物体相对s系沿x方向运动，故在x方向上缩短，c正确有一对孪生兄弟小明和小伟，当他们长大到20岁时，由于航天的需要，小伟要乘坐航天飞船去太空进行科学研究，小明在地球上经过了20年后，小伟才返回地面，则下列判断正确的是()a小明显得更年轻 b小伟显得更年轻c他们俩一样年轻 d无法判断谁更年轻解析：选b.狭义相对论的时空观认为，时间是相对的，即在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中不一定是同时的，根据爱因斯坦的时间延缓效应，当飞船接近光速时，时间会变慢故小伟显得更年轻5伽利略是经典力学的开创者，有关他的叙述错误的是()a伽利略对运动进行了描述和分类，对自由落体运动规律进行了探索，得到了惯性原理，研究了抛体运动的轨迹b伽利略提出了运动的相对性原理，开创了实验科学c伽利略的研究，无论是在动力学的基本原理上，还是在动力学的研究方法上，都作出了奠基性的重要贡献d伽利略提出了狭义相对论解析：选d.伽利略是经典力学的开创者，a、b、c选项内容皆为其科学贡献，故a、b、c说法均正确；狭义相对论是爱因斯坦提出的，d说法错误日常生活中，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运动中的物体无法称量其质量b物体的速度远小于光速，质量变化极小c物体的质量太小d物体的质量不随速度的变化而变化解析：选b.在宏观物体的运动中，由于vc，所以质量变化不大，而不是因为物体的质量太小或无法测量，也不是因为质量不随速度的变化而变化，正确选项为b.二、多项选择题下列运动中经典力学能适用的是()a火箭的发射b宇宙飞船绕地球的运动c“勇气号”火星探测器d微观粒子的波动性解析：选abc.经典力学不能适用的情况是微观、高速物体的运动下列说法正确的是()a牛顿运动定律只适用于相对静止的参考