2024-2025学年高中物理第4章经典力学与物理学的革命第1节经典力学的成就与局限性第2节经典时空观与相对论时空观学案含解析粤教版必修2

PAGE8-经典力学的成就与局限性其次节经典时空观与相对论时空观学习目标知识脉络1.了解经典力学的发展历程及其对自然科学、社会发展的影响.2.相识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和相对论时空观的几个推论．(重点、难点)一、经典力学与相对论1．经典力学的成就和局限性(1)发展历程①17世纪，伽利略发展了视察试验、科学思维与数学相结合的方法，并发觉了惯性定律、落体定律和力学相对性原理．②牛顿在伽利略、笛卡儿、开普勒、惠更斯等人探讨的基础上，采纳归纳与演绎、综合与分析的方法，总结出一套普遍适用的力学运动规律——牛顿运动定律和万有引力定律．③17、18世纪的科学家渐渐发展了从动量、能量角度对牛顿运动定律的表述，进一步完善了经典力学体系．(2)宏大成就①经典力学把天上物体和地上物体的运动统一起来，实现了人类对自然界相识的第一次理论大综合．②使人们相识到了以现象视察和试验探讨为基础的自然科学理论的基本特征．③建立了以试验和数学相结合的探讨方法．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．(3)适用范围从地面上的各种物体的运动到天体的运动；从大气流淌到地壳变动；从自行车到汽车、火车、飞机等交通工具的运动，从投出篮球到放射导弹、人造卫星、宇宙飞船——全部这些都听从经典力学的规律．(4)局限性①经典力学不适用于探讨高速运动(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．2．经典时空观(1)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．(2)伽利略相对性原理对于全部的惯性系，力学规律都是相同的，或者说，一切惯性系都是等效的．(3)经典时空观(肯定时空观)时间恒久匀称地消逝，与任何外界无关；空间与任何外界事物无关，从不运动，恒久不变．(4)经典时空观的几个详细结论①同时的肯定性．②时间间隔的肯定性．③空间距离的肯定性；物体质量恒定不变，即它们与参考系的选择(或视察者的运动状态)无关．时间、长度和质量这三个基本物理量在经典力学中都与参考系(视察者)的运动无关．3．相对论时空观(1)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，测得的真空中的光速都相同．(2)相对论时空观①“同时”的相对性：在一个参考系中同时发生的两个事务，在另一个参考系看来是不同时的．②运动的时钟变慢：时钟相对于视察者静止时，走得快；相对于视察者运动时，走得慢．运动速度越快，效果越明显．③运动的尺子缩短：物体相对于视察者静止时，它的长度测量值最大；相对于视察者运动时，视察者在运动方向上观测，它的长度要缩短．速度越快，缩的越短．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，当速度比光速小得多时，物体运动质量与静止时的质量相等．二、狭义相对论的主要结论1．两个基本原理(1)相对性原理全部物理规律在一切惯性参照系中都具有相同的形式．(2)光速不变原理在一切惯性参照系中，测量到的真空中的光速c都一样(c＝3×108m/s)．2.两个效应(1)时间延缓效应①在相对论时空观中，运动的时钟比静止的时钟走得慢．②关系式为Δt＝eq\f(Δt′,\r(1－\f(v2,c2)))，Δt′为运动时间，Δt为静止时间．(2)长度收缩效应①在相对于物体运动着的惯性系中沿运动方向测出的物体长度，比在相对静止的惯性系中测出的长度变小．②关系式：l′＝leq\r(1－\f(v2,c2)).3．两种关系(1)质速关系①在经典力学中，物体的质量与物体的运动无关．但在相对论中，运动物体的质量随其运动速度的变更而变更．②关系式：m＝eq\f(m0,\r(1－\f(v2,c2)))其中m为物体的运动质量，m0为静止质量，v为物体相对惯性系的运动速度．(2)质能关系①依据相对论及基本力学定律可推出质量和能量有如下关系：E＝mc2，这就是闻名的质能关系式．②质量和能量是物质不行分别的属性，当物质的质量削减或增加时，必定伴随着能量的削减或增加，其关系为ΔE＝Δmc2.1．思索推断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)在经典力学中，时间、长度和质量与运动没有关系．()(2)相对论，完全否定了经典力学的理论． ()(3)对于高速运动的物体，它的质量随着速度的增加而变大． ()(4)汽车运动时没发觉长度变更，故狭义相对论是错误的． ()(5)由质能关系可知，质量就是能量，能量也就是质量，二者无区分． ()(6)时钟延缓效应是低速的时钟比高速的时钟走的慢． ()【提示】(1)√(2)×经典力学适用于宏观低速运动的物体，相对论并没有完全否定．(3)√(4)×汽车运动是宏观低速运动，其长度的变更太小以至于可忽视不计．(5)×质能关系反映的是当物体的质量发生变更时，必定伴随着能量的变更．(6)×时钟延缓是指在相对论时空观中，运动的时钟比静止的时钟走得慢．2．(多选)20世纪以来，人们发觉了一些新的事实，而经典力学却无法说明．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．随着相识的发展，经典力学已成了过时的理论B．人们对客观事物的详细相识，在广度上是有局限性的C．经典力学与相对论是相互冲突的一对理论D．人们应当不断地扩展相识，在更广袤的领域内驾驭不同事物的本质与规律BD[人们对客观世界的相识，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肯定的局限性，人们只有不断地扩展自己的相识，才能驾驭更广袤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肯定条件下的特别情形．所以A、C错，B、D对．]3．如图所示，沿平直铁路途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，列车上的视察者测得A、C两铁塔被照亮的依次是()A．同时被照亮 B．A先被照亮C．C先被照亮 D．无法推断C[列车上的视察者看到的是由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视察者，视察者看到C先被照亮，故只有C正确．]经典力学与相对论1.肯定时空观是在地球范围内凭直觉阅历建立起来的，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试验事实上，以狭义相对论的两条基本假设为前提建立的．2．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，它们之间相互依靠、彼此联系．3．两种理论的适用范围不同经典力学理论适用于弱引力作用下，低速运动的宏观物体．而它在强引力作用下，或高速运动或微观世界不适用．相对论原理是一种全新的时空与引力理论，它并没有否定经典力学理论，是在经典力学基础上加以完善，适用范围更广、更全面．【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变更，在狭义相对论中，物体的质量也不随运动状态而变更B．狭义相对论和经典力学是完全不同相互冲突的两个理论C．物体高速运动时，物体的运动听从狭义相对论，在低速运动时，物体的运动听从牛顿运动定律D．以上说法都是错误的C[在经典力学中，物体的质量不随运动状态而变更，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肯定条件下的特别情形，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的速度运动时所遵循的规律，选项C正确．]1．依据爱因斯坦提出的相对论，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．物体的质量取决于物体所含物质的多少，因而物体无论以多大速度运动，其质量与速度无关C．一个真实的物体，其运动速度有可能达到甚至超过真空中的光速D．质量、长度、时间的测量结果都是随物体与观测者的相对运动状态而变更D[依据爱因斯坦提出的相对论，经典力学只适用于宏观低速的运动，A错误．质量随速度的增大而增大，B错误．物体的速度不能越过光速，C错误．物体的质量、长度、时间的测量结果都与观测者相对运动状态有关，D正确．]狭义相对论的主要结论1.时间延缓效应在相对论时空观中，运动时钟与静止时钟的关系：Δt＝eq\f(Δt′,\r(1－\f(v2,c2)))，由上式可以看出v<c，Δt>Δt′，因此假如某时钟所显示的某个物理过程经验的时间间隔小，我们称该时钟走得慢，所以我们说运动的钟比静止的钟走得慢．这种效应被称为时间延缓．2．长度收缩效应依据狭义相对论时空观，空间也与运动亲密相关，即对某物体空间广延性的观测，与观测者和该物体的相对运动有关．观测长度l′与静止长度l之间的关系：l′＝leq\r(1－\f(v2,c2))，由于v<c，所以l′<l.这种长度观测效应被称为长度收缩．3．质速关系在相对物体静止的参考系中测量，物体具有最小的质量m0(称为静止质量)；在相对物体以速度v运动的惯性系中测量，物体的运动质量为m＝eq\f(m0,\r(1－\f(v2,c2))).4．质能关系(1)经典物理学的观点：在经典物理学中，质量和能量是两个独立的概念．(2)相对论的观点：由相对论及基本力学定律可推出质量和能量的关系为E＝mc2，能量变更量和质量变更量关系为ΔE＝Δmc2.【例2】半人马星座α星是离太阳系最近的恒星，它距地球为4.3×1016m．设有一宇宙飞船自地球来回于半人马星座α星之间．(1)若宇宙飞船的速率为0.999c，按地球上时钟计算，飞船来回一次需多少时间？(2)如以飞船上时钟计算，来回一次的时间又为多少？[解析](1)由于题中恒星与地球的距离s和宇宙飞船的速度v均是地球上的视察者测量的，故飞船来回一次，地球时钟所测时间间隔Δt＝eq\f(2s,v)＝2.87×108s.(2)可从相对论的时间延缓效应考虑．把飞船离开地球和回到地球视为两个事务，明显飞船上的钟测出两事务的时间间隔Δt′是固定的，地球上所测的时间间隔Δt与Δt′之间满意时间延缓效应的关系式．以飞船上的时钟计算，飞船来回一次的时间间隔为Δt′＝Δteq\r(1－\f(v2,c2))＝1.28×107s.[答案](1)2.87×108s(2)1.28×107s时间延缓效应和长度收缩效应的应用方法1．(1)“钟慢效应”或“动钟变慢”是在两个不同惯性系中进行时间比较的一种效应，不要认为是时钟的结构或精度因运动而发生了变更，而是在不同参考系中对时间的观测效应．(2)运动时钟变慢完全是相对的，在两个惯性参考系中的观测者都将发觉对方的钟变慢了．2．(1)长度收缩效应是狭义相对论时空观的一种体现，即在不同惯性系中的观测者对同一物体的同一个空间广延性进行观测，测得的结果不同．(2)这种沿着运动方向的长度的变更是相对的；另外垂直于速度方向的长度不变．2．一支静止时长l的火箭以v的速度从视察者的身边飞过．(1)火箭上的人测得火箭的长度应为多少？(2)视察者测得火箭的长度应为多少？(3)假如火箭的速度为光速的二分之一，视察者测得火箭的长度应为多少？[解析](1)火箭上的人测得的火箭长度与火箭静止时测得的长度相同，即为l.(2)火箭外面的视察者看火箭时，有相对速度v，测量长度将变短，由相对论长度收缩效应公式知l′＝leq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2)，其中c为真空中的光速．(3)将v＝eq\f(c,2)代入长度收缩效应公式得l′＝eq\f(\r(3),2)l.[答案](1)l(2)leq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up20(2))(3)eq\f(\r(3),2)l1．(多选)牛顿运动定律能适用于下列哪些情形()A．探讨原子中电子的运动B．探讨“神舟五号”飞船的高速放射C．探讨地球绕太阳的运动D．探讨飞机从北京飞往纽约的航线BCD[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，它们的运动不听从牛顿运动定律，A错误，B、C、D中各项运动虽然是“高速”，但相对于光速来说，却是微乎其微的，完全可以用牛顿运动定律探讨其规律，B、C、D正确．]2．(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更，而