2018-2019學(xué)年高中物理 第五章 經(jīng)典力學(xué)與物理學(xué)革命 第一節(jié) 經(jīng)典力學(xué)的成就與局限性 第二節(jié) 經(jīng)典時空觀與相對論時空觀學(xué)案 粵教版必修2

第一節(jié)經(jīng)典力學(xué)的成就與局限性第二節(jié)經(jīng)典時空觀與相對論時空觀知識目標(biāo)核心素養(yǎng)1.知道經(jīng)典力學(xué)的局限性和適用范圍2了解經(jīng)典時空觀及其基本推論3了解狹義相對論的理論基礎(chǔ)及相對論時空觀的幾個推論.1.了解經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展歷程和偉大成就2了解經(jīng)典力學(xué)在科學(xué)研究和生產(chǎn)技術(shù)上的廣泛應(yīng)用3了解相對論時空觀，體會科學(xué)理論是不斷發(fā)展和完善的.一、經(jīng)典力學(xué)的局限性和適用范圍1經(jīng)典力學(xué)的適用范圍：對于宏觀、低速(相對光速)物體的運(yùn)動經(jīng)典力學(xué)仍然適用2經(jīng)典力學(xué)的局限性(1)經(jīng)典力學(xué)的應(yīng)用受到物體運(yùn)動速率的限制，當(dāng)物體運(yùn)動速率接近于真空中的光速時，經(jīng)典力學(xué)的許多觀念將發(fā)生重大變化(2)經(jīng)典力學(xué)不適用于微觀領(lǐng)域中物質(zhì)結(jié)構(gòu)和能量不連續(xù)的現(xiàn)象二、經(jīng)典時空觀與相對論時空觀1經(jīng)典時空觀(1)慣性系與非慣性系：慣性系：凡是牛頓運(yùn)動定律成立的參考系，相對于慣性系靜止或做勻速直線運(yùn)動的參考系都是慣性系非慣性系：牛頓運(yùn)動定律不成立的參考系，相對于慣性系做變速運(yùn)動的參考系是非慣性系(2)伽利略相對性原理：對于所有的慣性系，力學(xué)規(guī)律都是相同的，或者說，一切慣性系都是等效的(3)經(jīng)典時空觀(絕對時空觀)：時間永遠(yuǎn)均勻地流逝，與任何外界無關(guān)；空間與任何外界事物無關(guān)，從不運(yùn)動，永遠(yuǎn)不變(4)經(jīng)典時空觀的幾個具體結(jié)論：同時的絕對性；時間間隔的絕對性；空間距離的絕對性；物體質(zhì)量恒定不變即它們與參考系的選擇(或觀察者的運(yùn)動狀態(tài))無關(guān)2相對論時空觀(1)光速不變與經(jīng)典物理學(xué)的矛盾：觀察和實驗事實表明：無論光源和觀察者如何運(yùn)動，光速只能是c，這與經(jīng)典力學(xué)的速度合成法則相矛盾(2)狹義相對論的兩條基本假設(shè)：相對性原理：在不同的慣性系中，一切物理規(guī)律都是相同的光速不變原理：不管在哪個慣性系中，測得的真空中的光速都相同(3)相對論時空觀“同時”的相對性：在一個參考系中同時發(fā)生的兩個事件，在另一個參考系看來是不同時的運(yùn)動的時鐘變慢：時鐘相對于觀察者靜止時，走得快；相對于觀察者運(yùn)動時，走得慢運(yùn)動速度越快，效果越明顯運(yùn)動的尺子縮短：一個物體相對于觀察者靜止時，它的長度測量值最大；相對于觀察者運(yùn)動時，觀察者在運(yùn)動方向上觀測，它的長度要縮短，速度越快，縮得越短物體質(zhì)量隨速度的增加而增大1判斷下列說法的正誤(1)牛頓運(yùn)動定律適用于任何參考系(×)(2)經(jīng)典時空觀認(rèn)為時間間隔是絕對的()(3)經(jīng)典時空觀認(rèn)為物體的質(zhì)量是絕對的()(4)不論是宏觀物體，還是微觀粒子，經(jīng)典力學(xué)和相對論都是適用的(×)2(多選)下列服從經(jīng)典力學(xué)規(guī)律的是()A自行車、汽車、火車、飛機(jī)等交通工具的運(yùn)動B發(fā)射導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船C物體運(yùn)動的速率接近于真空中的光速D能量的不連續(xù)現(xiàn)象答案AB解析經(jīng)典力學(xué)只適用于宏觀、低速運(yùn)動的物體，所以A、B正確，C錯誤；能量的不連續(xù)現(xiàn)象不適合用經(jīng)典力學(xué)來解釋，所以選項D錯誤.一、經(jīng)典力學(xué)與相對論的比較如圖1甲，質(zhì)子束被加速到接近光速；如圖乙，中子星是質(zhì)量、密度非常大的星體請思考：圖1(1)經(jīng)典力學(xué)是否適用于質(zhì)子束的運(yùn)動規(guī)律？如何研究質(zhì)子束的運(yùn)動規(guī)律？(2)經(jīng)典力學(xué)是否適用于中子星的引力規(guī)律？如何研究中子星的引力規(guī)律？答案(1)質(zhì)子束的運(yùn)動屬于高速、微觀范疇，經(jīng)典力學(xué)不再適用，應(yīng)該應(yīng)用狹義相對論、量子力學(xué)進(jìn)行研究(2)中子星的引力規(guī)律屬于引力范疇，經(jīng)典力學(xué)不再適用，應(yīng)該應(yīng)用廣義相對論進(jìn)行研究1區(qū)別：比較項經(jīng)典力學(xué)相對論形成時期物理學(xué)形成的初期階段，受歷史發(fā)展限制，理論較膚淺、片面形成于物理學(xué)充分發(fā)展的現(xiàn)代，理論較完善、科學(xué)適用范圍低速運(yùn)動、宏觀世界，弱引力作用任何情況都適用速度對質(zhì)量的影響物體的質(zhì)量不隨其速度的變化而變化物體的質(zhì)量隨其速度的增加而變大速度的合成時間與空間互不相干，關(guān)系式v船岸v船水v水岸成立速度與位移、時間的測量有關(guān)，v船岸v船水v水岸不成立2.聯(lián)系：(1)當(dāng)物體的運(yùn)動速度遠(yuǎn)小于光速時，相對論物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別(2)相對論并沒有否定經(jīng)典力學(xué)，經(jīng)典力學(xué)是相對論在一定條件下的特殊情形例1下列說法正確的是()A在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量不隨運(yùn)動狀態(tài)而改變，在狹義相對論中，物體的質(zhì)量也不隨運(yùn)動狀態(tài)而改變B狹義相對論和經(jīng)典力學(xué)是完全不同相互矛盾的兩個理論C物體高速運(yùn)動時，物體的運(yùn)動服從狹義相對論，在低速運(yùn)動時，物體的運(yùn)動服從牛頓運(yùn)動定律D以上說法都是錯誤的答案C解析在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量不隨運(yùn)動狀態(tài)而改變，在狹義相對論中，物體的質(zhì)量隨物體運(yùn)動速度的增大而增大，選項A錯誤；狹義相對論沒有否定經(jīng)典力學(xué)，經(jīng)典力學(xué)是狹義相對論在一定條件下的特殊情形，選項B錯誤；經(jīng)典力學(xué)適用于低速運(yùn)動的物體，狹義相對論闡述物體在以接近光速的速度運(yùn)動時所遵循的規(guī)律，選項C正確針對訓(xùn)練1(多選)牛頓運(yùn)動定律能適用于下列哪些情形()A研究原子中電子的運(yùn)動B研究“神舟五號”飛船的高速發(fā)射C研究地球繞太陽的運(yùn)動D研究飛機(jī)從北京飛往紐約的航線答案BCD解析牛頓運(yùn)動定律只能用于“宏觀低速”的情形，這里的“宏觀”是相對于微觀粒子而言的這里的“低速”是相對于光速而言的原子、電子等是微觀粒子，它們的運(yùn)動不服從牛頓運(yùn)動定律，A錯誤，B、C、D中各項運(yùn)動雖然是“高速”，但相對于光速來說，卻是微不足道的，完全可以用牛頓運(yùn)動定律研究其規(guī)律，B、C、D正確二、相對論幾個效應(yīng)的理解地球繞太陽公轉(zhuǎn)的速度是3×104 m/s；如圖2所示，圖2設(shè)在美國伊利諾伊州費(fèi)米實驗室的圓形粒子加速器可以把電子加速到0.999 999 999 987倍光速的速度請思考：(1)地球的公轉(zhuǎn)速度在狹義相對論中屬于低速還是高速？被加速器加速后的電子的速度呢？(2)加速后電子的質(zhì)量比電子的靜止質(zhì)量增大了還是減小了？答案(1)狹義相對論的高速是可以與光速相比較的速度，所以地球的公轉(zhuǎn)速度屬于低速，加速后的電子速度屬于高速(2)物體的質(zhì)量隨速度的增大而增大，所以加速后電子的質(zhì)量比電子的靜止質(zhì)量大了1兩個基本原理：(1)相對性原理：所有物理規(guī)律在一切慣性參考系中都具有相同的形式，表明在任何慣性系中研究某個物體的某一運(yùn)動過程，其運(yùn)動規(guī)律形式不變(2)光速不變原理：在一切慣性參考系中，測量到的真空中的光速c都一樣，表明了經(jīng)典時空觀與相對論時空觀的不同；比較如下：經(jīng)典時空觀相對論時空觀運(yùn)動情況同一運(yùn)動對不同參考系描述結(jié)果不同，即速度不同光在一切慣性參考系中傳向各個方向的速度不變時間與空間的關(guān)系時間均勻流逝，空間不變化，與運(yùn)動情況及外部條件無關(guān)時間、空間都隨運(yùn)動情況而改變幾個結(jié)論同時的絕對性時間間隔的絕對性空間距離的絕對性物體的質(zhì)量恒定不變同時的相對性運(yùn)動的時鐘變慢運(yùn)動的尺子縮短物體的質(zhì)量隨速度的增加而增大2.相對論時空觀的內(nèi)容：認(rèn)為時間和空間是相互聯(lián)系、相互影響的，并且與物質(zhì)的存在及運(yùn)動有關(guān)(1)時間延緩效應(yīng)：在相對于地面以速度v勻速運(yùn)動的參考系內(nèi)，測得該參考系中某一事件所經(jīng)歷的時間為t，則在地面上測得該事件所經(jīng)歷的時間為：t.由于v<c，所以t>t.即用同樣標(biāo)準(zhǔn)的鐘，在靜止參考系中測得的時間比在運(yùn)動參考系中測得的時間長，好比是運(yùn)動的鐘走“慢”了當(dāng)速度vc時，tt，這就回到了經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論時間與物體的運(yùn)動狀態(tài)無關(guān)當(dāng)v0.999 8c時，t50t，時間將延緩50倍(2)長度收縮效應(yīng)：一把尺子，在相對于它靜止的參考系xOy中測得其長度為l(稱為靜止長度)，如圖3所示當(dāng)該尺子相對另一參考系xOy(如地面)沿尺子長度方向以速度v運(yùn)動時，在該參考系xOy(如地面)中測得尺子長度為ll.圖3由于v<c，所以l<l，說明在相對尺子運(yùn)動的參考系中測得的“運(yùn)動長度”比在相對尺子靜止的參考系中測得的“靜止長度”短，即所謂的“長度收縮效應(yīng)”當(dāng)速度vc時，ll，這就回到了經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論空間的尺度與物體的運(yùn)動狀態(tài)無關(guān)當(dāng)v0.999 8c時，ll，長度將縮短.例2半人馬星座星是太陽系最近的恒星，它距地球為4.3×1016 m設(shè)有一宇宙飛船自地球往返于半人馬星座星之間若宇宙飛船的速度為0.999c，按地球上的時鐘計算，飛船往返一次需多長時間？如以飛船上的時鐘計算，往返一次的時間又為多長？答案9年0.4年解析以地球上的時鐘計算：t s2.87×108 s9年若以飛船上的時鐘計算，因為t所以得tt2.87×108× s1.28×107 s0.4年針對訓(xùn)練2如圖4所示，有三個完全相同的時鐘，時鐘A放在地面上，時鐘B、C分別放在兩個火箭上，兩個火箭分別以速度vB和vC朝同一方向飛行，vB<vC.對于地面上的觀察者來說，以下說法中正確的是()圖4A時鐘A走得最慢 B時鐘B走得最慢C時鐘C走得最慢 D時鐘C走得最快答案C解析根據(jù)相對論的時空觀，運(yùn)動的時鐘變慢，其實質(zhì)是指在相對論中每位觀察者都有自身的時間測度，即如果一時鐘在天空高速飛馳，對靜止不動的觀察者來說似乎時鐘的時間走得慢了時鐘飛馳得越快，時鐘的時間走得越慢1(經(jīng)典力學(xué)的成就和局限性)(多選)20世紀(jì)以來，人們發(fā)現(xiàn)了一些新的事實，而經(jīng)典力學(xué)卻無法解釋經(jīng)典力學(xué)只適用于解決物體的低速運(yùn)動問題，不能用來處理高速運(yùn)動問題；只適用于宏觀物體，一般不適用于微觀粒子，以下說法正確的是()A隨著認(rèn)識的發(fā)展，經(jīng)典力學(xué)已成了過時的理論B人們對客觀事物的具體認(rèn)識在廣度上是有局限性的C不同領(lǐng)域的事物各有其本質(zhì)與規(guī)律D人們應(yīng)當(dāng)不斷拓展認(rèn)識，在更廣闊的領(lǐng)域內(nèi)掌握不同事物的本質(zhì)與規(guī)律答案BCD解析人們對客觀世界的認(rèn)識要受到所處的時代的客觀條件和科學(xué)水平的制約，所以形成的看法也都具有一定的局限性，人們只有不斷拓展自己的認(rèn)識，才能掌握更廣闊領(lǐng)域內(nèi)的不同事物的本質(zhì)與規(guī)律；新的科學(xué)的誕生并不意味著對原來科學(xué)的全盤否定，只能認(rèn)為過去的科學(xué)是新的科學(xué)在一定條件下的特殊情形2(經(jīng)典時空觀)(多選)下列說法中哪些屬于經(jīng)典時空觀的觀點(diǎn)()A世界的過去、現(xiàn)在和將來都只有量的變化，而不會發(fā)生質(zhì)的變化B時間和空間不依賴人們的意識而存在C時間和空間是絕對的D時間和空間是緊密聯(lián)系、不可分割的答案ABC解析經(jīng)典時空觀認(rèn)為時間和空間都是與外界事物無關(guān)的、絕對的，選項A、B、C屬于經(jīng)典時空觀；選項D屬于相對論時空觀3(相對論效應(yīng)的理解)如圖5所示，沿平直鐵路線有間距相等的三座鐵塔A、B和C.假想有一列車沿AC方向以接近光速行駛，當(dāng)鐵塔B發(fā)出一個閃光，列車上的觀察者測得A、C兩鐵塔被照亮的順序是()圖5A同時被照亮 BA先被照亮CC先被照亮 D無法判斷答案C解析列車上的觀察者看到的是由B發(fā)出后經(jīng)過A和C反射的光，由于列車在這段時間內(nèi)向C運(yùn)動，靠近C而遠(yuǎn)離A，所以C的反射光先到達(dá)列車上的觀察者，觀察者看到C先被照亮，故只有C正確4(狹義相對論的應(yīng)用)如圖6所示，強(qiáng)強(qiáng)乘坐速度為0.9c(c為光速)的宇宙飛船追趕正前方的壯壯，壯壯的飛行速度為0.5c，強(qiáng)強(qiáng)向壯壯發(fā)出一束光進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，則壯壯觀測到該光束的傳播速度為()圖6A0.4c B0.5c C0.9c Dc答案D解析由狹義相對論的光速不變原理知，真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的，可知D正確，A、B、C錯誤.一、選擇題考點(diǎn)一經(jīng)典力學(xué)的局限性經(jīng)典時空觀1經(jīng)典力學(xué)不能適用于下列哪些運(yùn)動()A火箭的發(fā)射B宇宙飛船繞地球的運(yùn)動C“勇氣號”宇宙探測器的運(yùn)動D以99%倍光速運(yùn)行的電子束答案D解析經(jīng)典力學(xué)在低速運(yùn)動的廣闊領(lǐng)域(包括天體力學(xué)的研究)中，經(jīng)受了實踐的檢驗，取得了巨大的成就，但在高速領(lǐng)域不再適用，故選項A、B、C適用，D不適用2(多選)下列說法正確的是()A牛頓運(yùn)動定律只適用于相對靜止的參考系B在任何慣性系中，物體的加速度都具有不變性C按照經(jīng)典時空理論，物體的長度、質(zhì)量和運(yùn)動時間都與參考系的運(yùn)動無關(guān)D伽利略相對性原理表明，在慣性運(yùn)動的范圍內(nèi)不存在絕對空間和絕對運(yùn)動答案BCD3(多選)根據(jù)伽利略相對性原理，下列結(jié)論正確的是()A任何力學(xué)規(guī)律在慣性系中都是相同的B同一力學(xué)規(guī)律在不同的慣性系中可能不同C在一個慣性參考系里不能用力學(xué)實驗判斷該參考系是否在做勻速直線運(yùn)動D在一個慣性參考系里可以用力學(xué)實驗判斷該參考系是否在做勻速直線運(yùn)動答案AC4(多選)關(guān)于經(jīng)典力學(xué)的成就，下列說法中正確的是()A經(jīng)典力學(xué)把天體的運(yùn)動與地上物體的運(yùn)動統(tǒng)一起來，是人類對自然界認(rèn)識的第一次大綜合，是人類認(rèn)識史上的一次重大飛躍B18世紀(jì)60年代，力學(xué)與熱學(xué)的發(fā)展及其與生產(chǎn)的結(jié)合引發(fā)了第一次工業(yè)革命C火箭、人造地球衛(wèi)星、航天飛機(jī)、宇宙飛船、行星探測器等航天器的發(fā)射，都是牛頓力學(xué)規(guī)律的應(yīng)用范例D經(jīng)典力學(xué)是解決高速運(yùn)動的物理理論答案ABC5(多選)以下說法正確的是()A經(jīng)典力學(xué)理論普遍適用，大到天體，小到微觀粒子均適用 B經(jīng)典力學(xué)理論的成立具有一定的局限性C在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量不隨運(yùn)動狀態(tài)改變而改變D相對論和量子力學(xué)否定了經(jīng)典力學(xué)理論答案BC解析經(jīng)典力學(xué)理論只適用于宏觀、低速運(yùn)動的物體，A錯，B對在經(jīng)典力學(xué)中，物體的速度vc，所以物體的質(zhì)量不隨運(yùn)動狀態(tài)而改變，但相對論和量子力學(xué)并不否定經(jīng)典力學(xué)，經(jīng)典力學(xué)是相對論在一定條件下的特殊情形，C正確，D錯誤6(多選)關(guān)于靜止時質(zhì)量為m0的物體，當(dāng)以速度v運(yùn)動時物體的質(zhì)量為m，以下說法正確的是()A在任何情況下，物體的質(zhì)量都不會改變，即與v無關(guān)B當(dāng)物體的運(yùn)動速度v>0時，物體的質(zhì)量m>m0，即物體的質(zhì)量改變了，故經(jīng)典力學(xué)不適用，是不正確的C當(dāng)物體以較小速度運(yùn)動時，質(zhì)量變化十分微弱，經(jīng)典力學(xué)理論仍然適用，只有當(dāng)物體的運(yùn)動接近光速時，質(zhì)量變化才明顯，故經(jīng)典力學(xué)適用于低速運(yùn)動，而不適用于高速運(yùn)動D通常由于物體的運(yùn)動速度太小，故物體質(zhì)量的變化不會引起我們的感覺，在分析地球上物體的運(yùn)動時，不必考慮質(zhì)量的變化答案CD解析只有速度 v接近光速，物體增加的質(zhì)量才比較明顯，一般情況下物體質(zhì)量的變化十分微小，故經(jīng)典力學(xué)仍然在低速即遠(yuǎn)小于光速時適用，故A、B錯，C、D正確考點(diǎn)二相對論時空觀7屬于狹義相對論基本假設(shè)的是：在不同的慣性系中()A真空中光速不變B時間間隔具有相對性C物體的質(zhì)量不變D物體的能量與質(zhì)量成正比答案A解析狹義相對論基本假設(shè)為：一是在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的；二是真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的，即光速不變原理，由此可知A屬于狹義相對論基本假設(shè)，故A正確，B、C、D錯誤8一列火車以接近光速的速度從我們身邊飛駛而過，我們會感到車廂、車窗變窄了，而車廂、車窗的高度并沒有變化，那么車廂內(nèi)的人看路旁的電線桿間距將會()A變窄 B變寬C不變 D都有可能答案A解析火車相對地面以接近光速的速度向前飛駛，如果以火車為參考系，地面向后飛駛，根據(jù)尺縮效應(yīng)知電線桿間距變窄9日常生活中，我們并沒有發(fā)現(xiàn)物體的質(zhì)量隨著物體運(yùn)動速度的變化而變化，其原因是()A運(yùn)動中物體的質(zhì)量無法稱量B物體的速度遠(yuǎn)小于光速，質(zhì)量變化極小C物體的質(zhì)量太大D物體的質(zhì)量不隨速度的變化而變化答案B10廣東省虎門大橋全長近15 km，在500 m高空有一架與大橋平行以接近光速飛行的飛機(jī)，飛機(jī)上人員看到大橋的長度將是()A大于15 km B等于15 kmC小于15 km D無法確定答案C解析由于飛機(jī)相對大橋是運(yùn)動的，因此在飛機(jī)上觀察者看來，大橋要縮短，故C正確二、非選擇題11(同時的相對性)一列火車以速度v相對地面運(yùn)動，如果地面上的人測得某光源發(fā)出的閃光同時到達(dá)車廂的前壁和后壁，那么按照火車上的人的測量，閃光先到達(dá)前壁還是后壁？火車上的人怎樣解釋自己的測量結(jié)果？答案見解析解析火車上的人測得閃光先到達(dá)前壁如圖所示，由于地面上的人測得閃光同時到達(dá)前后兩壁，而在光向前后兩壁傳播的過程中，火車要相對于地面向前運(yùn)動一段距離，所以光源發(fā)光的位置一定離前壁較近，這個事實對車上、車下的人都是一樣的，在車上的人看來，既然發(fā)光點(diǎn)離前壁較近，各個方向的光速又是一樣的，當(dāng)然閃光先到達(dá)前壁11