2022年高中物理第章经典力学的成就与局限性教师用书教科版必修 .pdf

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1、1 第 5 章 经典力学的成就与局限性1经典力学的成就与局限性2了解相对论 ( 选学 ) 3初识量子论 ( 选学 ) 学 习 目 标知 识 脉 络1. 知道经典力学的局限性和适用范围( 重点) 2. 初步了解相对论时空观中的基本观点( 难点 ) 3. 了解狭义相对论和广义相对论4. 了解量子论的基本内容. 经 典 力 学 的 成 就 与 局 限 性 先填空 1经典力学的成就英国物理学家牛顿在自然哲学的数学原理中建立了一个完整的力学理论体系他的理论只用几个基本的概念和原理，不但可以解决人们日常看到的种种物体的运动问题，也可以说明天体运动规律经典力学的思想方法的影响远远超出了物理学与天文学的研究领

2、域，对其他自然科学、社会科学领域都产生了巨大影响2经典力学的局限性(1) 经典力学是从日常的机械运动中总结出来的，超出宏观的、日常生活经验的领域常常就不适用了(2) 绝对时空观：把时间、空间、物质及其运动之间的联系割裂开来，不能解释高速运动领域的许多现象(3) 经典力学认为一切自然现象都服从、遵守力学原理，严格按力学规律发生、演化，并且变化是连续的，这种观点与微观世界的很多现象都不相符3经典力学的适用范围(1) 只适用于低速运动，不适用于高速运动(2) 只适用于宏观物体的运动，不适用于微观粒子的运动(3) 只适用于弱引力环境，不适用于强引力环境名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - -

3、- - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 11 页 - - - - - - - - - 2 再判断 1经典力学的基础是牛顿运动定律( )2经典力学中时间、空间与物质及其运动完全无关( ) 后思考 洲际导弹的速度可达6 000 m/s ，此速度属于低速还是高速？【提示】属于低速 .6 000 m/s远小于光速，因此属于低速 合作探讨 地球绕太阳公转的速度是3104m/s；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 5-1-1探讨：地球的公转和

4、电子的运动情况都能用经典力学( 牛顿力学 ) 来研究吗？【提示】地球的公转属于宏观、低速运动，能用经典力学来研究；而电子的运动属于微观、高速运动，经典力学就不能适用了 核心点击 1以牛顿运动定律为基础的经典力学的成就(1) 牛顿运动三定律和万有引力定律把天体的运动与地上物体的运动统一起来，是人类对自然界认识的第一次大综合，是人类认识史上的一次重大飞跃(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，并取得了巨大的成就(3)18世纪 60 年代，力学和热力学的发展及其与生产的结合，使机器和蒸汽机得到改进和推广，引发了第一次工业革命(4) 由牛顿力学定律导

5、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火箭、人造地球卫星、航天飞机、宇宙飞船、行星探测器等航天器的发射，都是牛顿力学规律的应用范例2经典力学的局限性(1) 经典力学的绝对时空观，割裂了时间、空间、物质及其运动之间的联系，不能解释高速运动领域的许多客观现象(2) 经典力学的运动观，从自然观角度来说，给出的是一幅机械运动的图景，不能解释微观世界丰富多彩的现象名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 11 页 - - - - - - - - - 3

6、3经典力学的适用范围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”宇宙探测器在火星着陆D微观粒子的波动性【解析】经典力学适用于宏观物体的低速运动，故经典力学对A 、B、C都能适用，对D不适用【答案】D 2经典力学只适用于“宏观世界”，这里的“宏观世界”是指( ) A行星、恒星、星系等巨大的物质领域B地球表面上的物质世界C人眼能看到的物质世界D不涉及分子、原子、电子等微观粒子的物质世界【解析】前三个选项说的当然都属于“宏观世界”，但

7、都很片面，没有全面描述，本题应选 D. 【答案】D 3.( 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人们应当不断地扩展认识，在更广阔的领域内掌握不同事物的本质与规律【解析】人们对客观世界的认识，要受到他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，人们只有不断地扩展自己的认识，才能掌握更广阔领域内的不同

8、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所以A错， B、C、D对【答案】BCD 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 11 页 - - - - - - - - - 4 科学是不断发展和完善的一切科学的发展都是人们主动认识世界的过程，而每个人的研究又都是建立在前人的基础上， 通过自己的努力去发展和提高科学的成就总是在某些条件下的局部形成，在新的科学成就形成后， 它将被包括在其中爱因斯坦的

9、相对论并没有否定牛顿力学的理论，而是把它看成是在一定条件下的特殊情形了 解 相 对论 和 量 子 论 先填空 1狭义相对论爱因斯坦针对经典力学的运动规律在处理微观高速时所遇到的困难，创立了狭义相对论狭义相对论的主要效应有：(1) 长度收缩：在观测运动的物体时，物体沿运动方向上的长度会收缩(2) 时钟变慢：在观测运动的时钟时，时钟显示的时间变慢(3) 质量变化：物体的质量随速度的增大而增大(4) 质能关系：物体的质量和能量之间存在着相互联系的关系，关系式为：Emc2. (5) 速度上限：任何物体的速度都不能超过光速一般情况下，由于物体的速度v?c，相对论效应消失，其结果还原为经典力学因此认为经典

10、力学是相对论力学在低速情况下的近似2广义相对论(1) 爱因斯坦于1916 年创立了广义相对论根据该理论推得一些结果，例：(a) 当光线通过强引力场时，光线会发生偏折，即时空会发生“弯曲”(b) 引力场存在引力波(2) 广义相对论把数学与物理学紧密地联系在了一起3量子论的基本内容(1) 量子假设最早是在1900 年由德国物理学家普朗克提出来的(2) 量子论认为，微观世界的某些物理量不能连续变化，而只能取某些分立值，相邻两分立值之差称为该物理量的一个量子(3) 微观粒子有时显示出波动性，有时又显示出粒子性，这种在不同条件下分别表现出经典力学中的波动性和粒子性的性质称为波粒二象性，在粒子的质量或能量

11、越大时，波动性变得越不显著，所以我们日常所见的宏观物体，实际上可以看做只具有粒子性(4) 由于微观粒子运动的特殊规律性，使一个微观粒子的某些物理量不可能( 填“不可能”或“一定” ) 同时具有确定的数值例如粒子的位置和动量，其中的一个量愈确定，另名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 11 页 - - - - - - - - - 5 一个量就愈不确定，粒子的运动不遵守确定性规律而遵守统计规律 再判断 1物体高速运动时，沿运动方向上的长度会变短( )2质量是物体的固

12、有属性，任何时候都不会变( )3对于高速运动的物体，它的质量随着速度的增加而变大( ) 后思考 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？【提示】不能因为物体的质量随速度的增大而增大，假若物体的速度趋近于光速，这时物体的质量会趋近于无穷大，故不可能把物体的速度增大到等于光速，当然更不可能大于光速，因为光速是速度的最大值 合作探讨 探讨：在狭义相对论中， 长度收缩是不是指物体的长度变短了？时钟变慢是不是指时钟走得慢了？【提示】不是长度收缩和时钟变慢是由于时空条件不同而引起的观测效应，不是物体的长度真的变短或时钟真的变慢了 核心点击 1尺缩效应运动长度l会收缩，

13、ll01v2/c2，l为沿运动方向观测到的物体长度，l0为物体静止时观测到的长度，在垂直于运动方向上，物体的长度没有变化2钟慢效应运动时钟会变慢，0/1v2/c2，即运动时钟显示的时间 比静止的时钟显示的时间 0延缓了，而时钟的结构并没有改变3质速关系物体的质量m随速度v的增大而变大，mm0/1v2/c2，m0为静止时的质量，m为运动时的质量4质能关系质量m和能量E之间存在着一个相互联系的关系式：Emc2，式中c为光速5任何物体的速度不能超过光速6当v?c时，相对论效应消失，其结果还原为经典力学，因此经典力学是相对论力学在低速情况下的近似4假设地面上有一列火车以接近光速的速度运行，其内站立着一

14、个中等身材的人，站名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 11 页 - - - - - - - - - 6 在路旁的人观察车里的人，观察的结果是( ) 【导学号： 67120095】A这个人是一个矮胖子B这个人是一个瘦高个子C这个人矮但不胖D这个人瘦但不高【解析】由公式ll01v2c2可知，在运动方向上，人的宽度要减小，在垂直于运动方向上，人的高度不变【答案】D 5A、B两火箭沿同一方向高速飞过地面上的某处，vAvB. 在火箭A上的人观察到的结果正确的是 ( )

15、A火箭A上的时钟走得最快B地面上的时钟走得最快C火箭B上的时钟走得最快D火箭B上的时钟走得最慢【解析】在火箭A看来，地面和火箭B都高速远离自已，由tt01vc2知，在火箭A上的人观察到的结果是地面和火箭B的时钟都变慢了，且vAvB，故地面的时钟最慢，因此 A正确， B、C、D错误【答案】A 6 (2016九江高一检测)把电子从v10.9c加速到v20.97c时电子的质量增加多少？( 已知电子静止质量m09.1 10 31 kg) 【解析】电子速度为v1时电子质量为m1m01v1c2m010.92电子速度为v2时电子质量为m2m01v2c2m010.972电子质量增量为mm2m11.6610 3

16、0 kg. 【答案】1.661030 kg 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 11 页 - - - - - - - - - 7 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化，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现对方的钟变慢了2(1) 长度收缩效应是狭义相对论时空观的一种体现，即在

17、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化是相对的；另外垂直于速度方向的长度不变学业分层测评 ( 十七 ) ( 建议用时： 45 分钟 ) 学业达标 1( 多选 ) 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，把物理学推广到高速领域【解析】万有引力定律是牛顿发现的，但在实验室里加以验证是卡文迪许进行的，A对， B错；相对论并没有

18、否定经典力学，经典力学对于低速、宏观物体的运动仍适用，C错；狭义相对论的建立，是人类取得的重大成就，从而把物理学推广到高速领域，D对【答案】AD 2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经典力学包含于相对论之中，经典力学是相对论的特例【解析】经典力学包含于相对论之中，经典力学是相对论的特例，即当速度远小于光速时的特殊情形，故D对【答案】D 3假设有兄弟俩个，哥哥乘坐宇宙飞船以接近光速的速度离开地球去遨游太空，经过一段时间返回地球，哥哥惊奇地发现弟弟比

19、自己要苍老许多，则该现象的科学解释是( ) 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 11 页 - - - - - - - - - 8 A哥哥在太空中发生了基因突变，停止生长了B弟弟思念哥哥而加速生长C由相对论可知，物体速度越大，其时间进程越慢，生理进程也越慢D这是神话，科学无法解释【解析】根据公式tt01vc2可知，物体的速度越大，其时间进程越慢【答案】C 4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

20、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【解析】根据狭义相对论的质速关系mm01vc2知，物体运动时的质量比静止时的质量大， A对， B、C、D错【答案】A 5(2016攀枝花高一检测) 关于爱因斯坦质能关系式，下列说法中正确的是( ) AEmc2中的E是物体以光速c运动的动能BEmc2是物体的核能CEmc2是物体各种形式能的总和D由 Emc2知，在核反应中，亏损的质量m与放出的能量E存在一定关系【解析】爱因斯坦的质能关系Emc2，只是说明物体具有的能量与它的质量之间存在着简单的正比关系物体的能量增大了，质量也增大；能量减小了，质量也减小故只有D项是正确的，其

21、他均错【答案】D 6( 多选 ) 对于带电微粒辐射和吸收能量时的特点下列说法正确的有( ) A以某一个最小能量值一份一份地辐射或吸收的B辐射和吸收的能量是某一最小值的整数倍C吸收的能量可以是连续的D辐射和吸收的能量是量子化的【解析】根据普朗克的量子理论，能量是不连续的，其辐射和吸收的能量只能是某一最小能量单位的整数倍，故A 、B、D均正确而 C错【答案】ABD 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 11 页 - - - - - - - - - 9 7如果真空中的

22、光速为c3.0 108 m/s ，当一个物体的运动速度为v12.4 108 m/s时，质量为3 kg. 当它的速度为1.8 108 m/s 时，则质量是 ( ) A2.25 kg B2.50 kg C3.00 kg D2.10 kg 【解析】根据狭义相对论，mm01vc2，由题意知：m1m01v1c2，m2m01v2c2，则m1m21v22c21v21c2453543，解得m234m194 kg 2.25 kg.A对【答案】A 8一支静止时长l的火箭以v的速度从观察者的身边飞过(1) 火箭上的人测得火箭的长度应为多少？(2) 观察者测得火箭的长度应为多少？(3) 如果火箭的速度为光速的二分之一

23、，观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) 火箭外面的观察者看火箭时，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ll1vc2，其中c为真空中的光速(3) 将vc2代入长度收缩效应公式得l32l. 【答案】(1)l(2)l1vc2(3)32l 能力提升 9如图 5-1-2 所示，a、b、c为三个完全相同的时钟，a放在水平地面上，b、c分别放在以速度vb、vc向同一方向飞行的两枚火箭上，且vbvc，则地面的观察者认为走得最慢的钟为 ( ) 【导学号： 67120096】名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载

24、- - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 11 页 - - - - - - - - - 10 图 5-1-2AaBbCcD无法确定【解析】根据公式tt1vc2可知，相对于观察者的速度v越大，其上的时间进程越慢，由vcvbva0，知c钟走得最慢【答案】C 10 惯性系S中有一边长为l的正方形从相对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】由ll01vc2可知沿速度方向即x轴方向的长度变短了，而垂直于速度方向即y轴方向的边长不变，故选项C正确【答案】C 11一个原来静止的电子，

25、经电压加速后，获得的速度为v6106m/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mm01v2c2得出运动后的质量增大了mm01v2c2m016210623210821.000 2m0. 所以改变的百分比为：mm0m0100% 0.02%. 【答案】增大0.02% 12半人马星座 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往返于半人马星座 星之间(1) 若宇宙飞船的速率为0.999c，按地球上时钟计算，飞船往返一次需多少时间？名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - -

26、 - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 11 页 - - - - - - - - - 11 (2) 如以飞船上时钟计算，往返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均是地球上的观察者测量的，故飞船往返一次，地球时钟所测时间间隔t2sv2.87108 s. (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件，显然飞船上的钟测出两事件的时间间隔t是固定的，地球上所测的时间间隔t与 t之间满足时间延缓效应的关系式以飞船上的时钟计算，飞船往返一次的时间间隔为t t1v2c21.28107 s. 【答案】(1)2.87 108 s (2)1.28 107 s 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 11 页 - - - - - - - - -