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1、【课题】经典力学的局限性 【学习目标】 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【自主导学】结合下列问题阅读教材:1、质量是否与速度有关系?2、速度叠加原理是否成立?3、微观粒子的行为与宏观物体是否遵循相同的规律? 4、时间和空间是否是绝对一成不变的?5、强引力作用下出现的问题 ?6、牛顿建立的经典力学的适用范围？爱因斯坦提出的相对论是否全盘否定了牛顿的经典力学理论?7、牛顿的科学方法。总结归纳: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。但是，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
2、增大。 物体的质量与运动速度的关系是_ (式中m0是_时的质量，m是_时的质量，c是真空中的光速 。)可见，当vc时，mm0；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V水岸 船相对于水的速度为 V船水 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。相对论认为，同一过程的位移和时间的测量在不同参考系中是不同的，因而上式不能成
3、立。3.两种不同的时空观 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。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，空间与时间不再与物体及其运动无关而独立存在。这是一种崭新的时空观。4.经典力学难以解释微观粒子的运动 科学家们发现，电子、质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性，同时还具有波动性，它们的运动在很多情况下不能用经典力学来说明。20世纪2
4、0 年代量子力学的出现，才很好地揭示了微观世界的基本规律。5.强引力作用下出现的问题 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。例如：水星的公转轨道在不断旋进，其实际观察值要比经典力学的预言值多。1915年，爱因斯坦创立的广义相对论对此则能作出很好的解释，同时还预言光线经过大质量星体附近时会发生偏转，且已被观测证实。 另外，根据牛顿的理论，当天体被压缩成半径几乎为0的一个点时，引力趋于无穷大；而爱因斯坦的理论则认为，引力趋于无穷大发生在半径接近一个“引力半径”的时候，这个引力半径的值由天体的质量决定。当天体的实际半径接近引力半径时，由爱因斯坦和牛顿引力理论计算出的力的差异
5、急剧增大，在强引力情况下牛顿引力理论不再适用。6.经典力学的适用范围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。7.牛顿的科学方法 本
6、节教材在“科学足迹”栏目牛顿的科学生涯一文中总结了牛顿的科学方法，这些科学方法值得我们借鉴：重视实验：重视实验，从归纳入手，这是牛顿科学方法论的基础。逻辑推论：为了归纳成功，不仅需要大量可靠资料与广博的知识，而且要有清晰的逻辑头脑。数学归纳：事物之间的本质联系只有通过数学才能归纳为能够测量、应用和检验的公式和定律。例题解析例1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物体，不能用来处理高速运动物体；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。例2怎样看待经典力学和相对论、量子力学的关系？解析
7、相对论和量子力学的出现，说明人类对自然界的认识更加广泛和深入，而不表示经典力学失去了意义。它只是使人们认识到经典力学有它的适用范围。当物体的运动速度远小于光速c(3108m/s）时，相对论物理学和经典物理学的结论没有区别；当另一个重要常数即“普朗克常数”h（6.6310-34Js）可以忽略不计时，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。例3一个静止质量mo=1kg的物体，与地球一起绕太阳公转的速度是v=30km/s，在相应的惯性系的观测者测得物体的质量为多大？ 解析 根据狭义相对论中质量与运动速度的关系得： 拓展：
8、 在物体的速度v=30km/s时，仍可以认为是低速运动，其质量仍认为是静止质量。【夯实基础】1.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.经典力学理论的成立具有一定的局限性C.在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变D.相对论与量子力学否定了经典力学理论2.20世纪初，著名物理学家爱因斯坦提出了 ，改变了经典力学的一些结论。在经典力学中，物体的质量是 的，而相对论指出质量随着速度变化而 。3.经典力学只适用于解决 问题，不能用来处理 问题，经典力学只适用于 物体，一般不适用于 。4. 与 都没有否定过去的科学，而认为过去的科学是自己在一定条件下的特殊情形
9、。5.一条河流中的水以相对于河岸的速度v水岸流动，河中的船以相对于水的速度v船水顺流而下。在经典力学中，船相对于岸的速度为v船岸 。 【知能提升】1.下列说法中正确的是（ ）A经典力学适用于任何情况下的任何物体B狭义相对论否定了经典力学C量子力学能够描述微观粒子运动的规律性D万有引力定律也适用于强相互作用力2.经典力学不能适用下列哪些运动（ ）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 D微观粒子的波动性3.对于下列说法正确的是（ ）A经典力学的质量是不变的 B经典力学的时间和空间是独立于物体运动的C万有引力定律适用于强作用力 D物体的速度可以是任意值4.下列说法正确的是（ ）
10、A微观粒子的运动速度超过光速，因此经典力学不适用B微观粒子的质量是不确定的，因此经典力学不适用C微观粒子具有波粒二象性，因此经典力学不适用D量子力学仅适用于微观粒子的运动5.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6.关于经典力学和量子力学，下面说法中正确的是（ ）A不论是对宏观物体，还是微观粒子，经典力学和量子力学都是适用的B量子力学适用于宏观物体的运动；经典力学适用于微观粒子的运动C经典力学适用于宏观物体的运动；量子力学适用于微观粒子的运动D上述说
11、法都是错误的7.日常生活我们并没发现物体的质量随物体的运动的速度变化而变化，其原因是（ ）A运动中物体无法称量质量B物体的速度远小于光速，质量变化极小C物体的质量太大D物体的质量不随速度的变化而变化8.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经典力学理论的成立具有一定的局限性C在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变D相对论与量子力学否定了经典力学理论 9.如果真空中的光速为c3108m/s，当一个物体的运动速度为v12.4108 m/s时，质量为3kg，当它的速度为v21.8108m/s时，质量为多少？参考答案：【问题思考】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【夯实基础】1. BC 2. 狭义相对论 固定不变 变化3. 低速运动 高速运动 宏观 微观粒子4. 狭义相对论 量子力学 5. v船水+ v水岸【知能提升】1.C 2.D 3.AB 4.C 5.D 6.C 7.B 8.BC 9. 0.8c
高中物理《经典力学的局限性》导学案新人教版必修
