高中物理 第5章 典力學(xué)與物理學(xué)的革命 第1節(jié) 經(jīng)典力學(xué)的成就與局限性 第2節(jié) 經(jīng)典時(shí)空觀與相對(duì)論時(shí)空觀教師用書 粵教版

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(shí)空觀與相對(duì)論時(shí)空觀學(xué) 習(xí) 目 標(biāo)知 識(shí) 脈 絡(luò)1.了解經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展歷程及其對(duì)自然科學(xué)、社會(huì)發(fā)展的影響.2.認(rèn)識(shí)經(jīng)典力學(xué)的局限性和適用范圍.3.了解經(jīng)典時(shí)空觀及其基本推論.4.了解狹義相對(duì)論的理論基礎(chǔ)和相對(duì)論時(shí)空觀的幾個(gè)推論(重點(diǎn)、難點(diǎn))經(jīng) 典 力 學(xué) 與 相 對(duì) 論1經(jīng)典力學(xué)的成就和局限性(1)發(fā)展歷程17世紀(jì)，伽利略發(fā)展了觀察實(shí)驗(yàn)、科學(xué)思維與數(shù)學(xué)相結(jié)合的方法，并發(fā)現(xiàn)了慣性定律、落體定律和力學(xué)相對(duì)性原理牛頓在伽利略、笛卡兒、開普勒、惠更斯等人研究的基礎(chǔ)上，采用歸納與演繹、綜合與分析的方法，總結(jié)出一套普遍適用的力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律牛頓運(yùn)動(dòng)定律和萬有引力定律17、18世紀(jì)的科學(xué)家逐漸發(fā)展了從動(dòng)量、能量角度對(duì)牛頓運(yùn)動(dòng)定律的表述，進(jìn)一步完善了經(jīng)典力學(xué)體系(2)偉大成就經(jīng)典力學(xué)把天上物體和地上物體的運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一起來，實(shí)現(xiàn)了人類對(duì)自然界認(rèn)識(shí)的第一次理論大綜合使人們認(rèn)識(shí)到了以現(xiàn)象觀察和實(shí)驗(yàn)研究為基礎(chǔ)的自然科學(xué)理論的基本特征建立了以實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)相結(jié)合的研究方法推動(dòng)了其他學(xué)科的發(fā)展，與其他學(xué)科相結(jié)合產(chǎn)生了一些交叉性的分支學(xué)科(3)適用范圍從地面上的各種物體的運(yùn)動(dòng)到天體的運(yùn)動(dòng)；從大氣流動(dòng)到地殼變動(dòng)；從自行車到汽車、火車、飛機(jī)等交通工具的運(yùn)動(dòng)，從投出籃球到發(fā)射導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船所有這些都服從經(jīng)典力學(xué)的規(guī)律(4)局限性經(jīng)典力學(xué)不適用于研究高速運(yùn)動(dòng)(接近光速)的物體經(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2經(jīng)典時(shí)空觀(1)慣性系與非慣性系慣性系：牛頓運(yùn)動(dòng)定律成立的參考系，相對(duì)于慣性系靜止或做勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系都是慣性系非慣性系：牛頓運(yùn)動(dòng)定律不成立的參考系，相對(duì)于慣性系做變速運(yùn)動(dòng)的參考系是非慣性系(2)伽利略相對(duì)性原理對(duì)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(shí)空觀(絕對(duì)時(shí)空觀)時(shí)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(dòng)，永遠(yuǎn)不變(4)經(jīng)典時(shí)空觀的幾個(gè)具體結(jié)論同時(shí)的絕對(duì)性時(shí)間間隔的絕對(duì)性空間距離的絕對(duì)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(dòng)狀態(tài))無關(guān)時(shí)間、長(zhǎng)度和質(zhì)量這三個(gè)基本物理量在經(jīng)典力學(xué)中都與參考系(觀察者)的運(yùn)動(dòng)無關(guān)3相對(duì)論時(shí)空觀(1)狹義相對(duì)論的兩條基本假設(shè)相對(duì)性原理：在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的光速不變?cè)恚翰还茉谀膫€(gè)慣性系中，測(cè)得的真空中的光速都相同(2)相對(duì)論時(shí)空觀“同時(shí)”的相對(duì)性：在一個(gè)參考系中同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，在另一個(gè)參考系看來是不同時(shí)的運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘變慢：時(shí)鐘相對(duì)于觀察者靜止時(shí)，走得快；相對(duì)于觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)，走得慢運(yùn)動(dòng)速度越快，效果越明顯運(yùn)動(dòng)的尺子縮短：物體相對(duì)于觀察者靜止時(shí)，它的長(zhǎng)度測(cè)量值最大；相對(duì)于觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者在運(yùn)動(dòng)方向上觀測(cè)，它的長(zhǎng)度要縮短速度越快，縮的越短物體質(zhì)量隨速度的增加而增大：當(dāng)速度接近光速時(shí)，質(zhì)量趨于無窮大，當(dāng)速度比光速小得多時(shí)，物體運(yùn)動(dòng)質(zhì)量與靜止時(shí)的質(zhì)量相等1在經(jīng)典力學(xué)中，時(shí)間、長(zhǎng)度和質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)沒有關(guān)系()2相對(duì)論，完全否定了經(jīng)典力學(xué)的理論()3對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的物體，它的質(zhì)量隨著速度的增加而變大()若一列火車的速度是10 m/s，一個(gè)人在車上相對(duì)于車以10 m/s的速度向前跑，那么他相對(duì)于地面的速度為20 m/s.若火車的速度為0.9c(c為光速)，火車上的人向前發(fā)出一束激光(相對(duì)于車的速度為c)激光相對(duì)于地面的速度是否為1.9c?【提示】根據(jù)光速不變?cè)砉馑偃詾閏，對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的物體，例如本題中以0.9c的速度行駛的列車，經(jīng)典力學(xué)中的結(jié)論不能簡(jiǎn)單套用探討1：經(jīng)典時(shí)空觀中，時(shí)間、長(zhǎng)度和質(zhì)量這三個(gè)基本物理量與參考系有關(guān)嗎？【提示】無關(guān)探討2：相對(duì)論時(shí)空觀中時(shí)間和空間與物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)有關(guān)嗎？【提示】有關(guān)1絕對(duì)時(shí)空觀是在地球范圍內(nèi)憑直覺經(jīng)驗(yàn)建立起來的，它符合人們對(duì)空間、時(shí)間的主觀感受；相對(duì)論時(shí)空觀是在光速不變的實(shí)驗(yàn)事實(shí)上，以狹義相對(duì)論的兩條基本假設(shè)為前提建立的2經(jīng)典時(shí)空觀中，時(shí)間、空間、物質(zhì)是彼此獨(dú)立、互不聯(lián)系的，時(shí)間、長(zhǎng)度和質(zhì)量這三個(gè)物理量都與參考系的運(yùn)動(dòng)無關(guān)相對(duì)論時(shí)空觀中，空間和時(shí)間是運(yùn)動(dòng)著的物質(zhì)的存在形式，時(shí)空概念是從物質(zhì)運(yùn)動(dòng)中抽象出來的，它們之間相互依賴、彼此聯(lián)系3兩種理論的適用范圍不同經(jīng)典力學(xué)理論適用于弱引力作用下，低速運(yùn)動(dòng)的宏觀物體而它在強(qiáng)引力作用下，或高速運(yùn)動(dòng)或微觀世界不適用相對(duì)論原理是一種全新的時(shí)空與引力理論，它并沒有否定經(jīng)典力學(xué)理論，是在經(jīng)典力學(xué)基礎(chǔ)上加以完善，適用范圍更廣、更全面1(多選)20世紀(jì)以來，人們發(fā)現(xiàn)了一些新的事實(shí)，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(dòng)問題，不能用來處理高速運(yùn)動(dòng)問題；只適用于宏觀物體，一般不適用于微觀粒子這說明()A隨著認(rèn)識(shí)的發(fā)展，經(jīng)典力學(xué)已成了過時(shí)的理論B人們對(duì)客觀事物的具體認(rèn)識(shí)，在廣度上是有局限性的C經(jīng)典力學(xué)與相對(duì)論是相互矛盾的一對(duì)理論D人們應(yīng)當(dāng)不斷地?cái)U(kuò)展認(rèn)識(shí)，在更廣闊的領(lǐng)域內(nèi)掌握不同事物的本質(zhì)與規(guī)律【解析】人們對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)，要受到所處的時(shí)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，人們只有不斷地?cái)U(kuò)展自己的認(rèn)識(shí)，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(duì)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所以A、C錯(cuò)，B、D對(duì)【答案】BD2(2016廣州期末)根據(jù)愛因斯坦提出的相對(duì)論，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物體的質(zhì)量取決于物體所含物質(zhì)的多少，因而物體無論以多大速度運(yùn)動(dòng)，其質(zhì)量與速度無關(guān)C一個(gè)真實(shí)的物體，其運(yùn)動(dòng)速度有可能達(dá)到甚至超過真空中的光速D質(zhì)量、長(zhǎng)度、時(shí)間的測(cè)量結(jié)果都是隨物體與觀測(cè)者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而改變【解析】根據(jù)愛因斯坦提出的相對(duì)論，經(jīng)典力學(xué)只適用于宏觀低速的運(yùn)動(dòng)，A錯(cuò)誤質(zhì)量隨速度的增大而增大，B錯(cuò)誤物體的速度不能越過光速，C錯(cuò)誤物體的質(zhì)量、長(zhǎng)度、時(shí)間的測(cè)量結(jié)果都與觀測(cè)者相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，D正確【答案】D狹 義 相 對(duì) 論 的 主 要 結(jié) 論1兩個(gè)基本原理(1)相對(duì)性原理所有物理規(guī)律在一切慣性參照系中都具有相同的形式(2)光速不變?cè)碓谝磺袘T性參照系中，測(cè)量到的真空中的光速c都一樣(c3108 m/s)2兩個(gè)效應(yīng)(1)時(shí)間延緩效應(yīng)在相對(duì)論時(shí)空觀中，運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘比靜止的時(shí)鐘走得慢關(guān)系式為t，t為運(yùn)動(dòng)時(shí)間，t為靜止時(shí)間(2)長(zhǎng)度收縮效應(yīng)在相對(duì)于物體運(yùn)動(dòng)著的慣性系中沿運(yùn)動(dòng)方向測(cè)出的物體長(zhǎng)度，比在相對(duì)靜止的慣性系中測(cè)出的長(zhǎng)度變小關(guān)系式： ll.3兩種關(guān)系(1)質(zhì)速關(guān)系在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量與物體的運(yùn)動(dòng)無關(guān)但在相對(duì)論中，運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量隨其運(yùn)動(dòng)速度的變化而變化關(guān)系式：m其中m為物體的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，m0為靜止質(zhì)量，v為物體相對(duì)慣性系的運(yùn)動(dòng)速度(2)質(zhì)能關(guān)系按照相對(duì)論及基本力學(xué)定律可推出質(zhì)量和能量有如下關(guān)系：Emc2，這就是著名的質(zhì)能關(guān)系式質(zhì)量和能量是物質(zhì)不可分離的屬性，當(dāng)物質(zhì)的質(zhì)量減少或增加時(shí)，必然伴隨著能量的減少或增加，其關(guān)系為Emc2.1汽車運(yùn)動(dòng)時(shí)沒發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)度變化，故狹義相對(duì)論是錯(cuò)誤的()2由質(zhì)能關(guān)系可知，質(zhì)量就是能量，能量也就是質(zhì)量，二者無區(qū)別()3時(shí)鐘延緩效應(yīng)是低速的時(shí)鐘比高速的時(shí)鐘走的慢()如果你使一個(gè)物體加速、加速、再加速，它的速度會(huì)增加到等于光速甚至大于光速嗎？【提示】不能因?yàn)槲矬w的質(zhì)量隨速度的增大而增大，假若物體的速度趨近于光速，這時(shí)物體的質(zhì)量會(huì)趨近于無窮大，故不可能把物體的速度增大到等于光速，當(dāng)然更不可能大于光速，因?yàn)楣馑偈撬俣鹊淖畲笾堤接?：相對(duì)性原理和光速不變?cè)砀鞅砻髁耸裁磫栴}？【提示】(1)相對(duì)性原理表明：在某個(gè)慣性系中描述某個(gè)物理系統(tǒng)的某個(gè)物理過程的物理定律，在其他一切慣性系中對(duì)該系統(tǒng)該過程做出描述的物理定律形式不變(2)光速不變?cè)肀砻鳎涸谝磺袘T性系中觀測(cè)在真空中傳播的光，不論沿任何方向，其速度大小都是c，與光源或觀察者的運(yùn)動(dòng)無關(guān)探討2：時(shí)間延緩效應(yīng)是不是指時(shí)鐘走得慢了？長(zhǎng)度收縮效應(yīng)是不是指物體長(zhǎng)度變短了？【提示】不是時(shí)間延緩效應(yīng)和長(zhǎng)度收縮效應(yīng)說明在不同慣性系中觀測(cè)時(shí)，測(cè)得的結(jié)果不同，是相對(duì)論時(shí)空觀的體現(xiàn)，不是時(shí)鐘真的變慢了或物體長(zhǎng)度真的變短了1時(shí)間延緩效應(yīng)在相對(duì)論時(shí)空觀中，運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘與靜止時(shí)鐘的關(guān)系：t，由上式可以看出v<c，t>t，因此如果某時(shí)鐘所顯示的某個(gè)物理過程經(jīng)歷的時(shí)間間隔小，我們稱該時(shí)鐘走得慢，所以我們說運(yùn)動(dòng)的鐘比靜止的鐘走得慢這種效應(yīng)被稱為時(shí)間延緩2長(zhǎng)度收縮效應(yīng)按照狹義相對(duì)論時(shí)空觀，空間也與運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，即對(duì)某物體空間廣延性的觀測(cè)，與觀測(cè)者和該物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)有關(guān)觀測(cè)長(zhǎng)度l與靜止長(zhǎng)度l之間的關(guān)系：ll，由于v<c，所以l<l.這種長(zhǎng)度觀測(cè)效應(yīng)被稱為長(zhǎng)度收縮3質(zhì)速關(guān)系在相對(duì)物體靜止的參考系中測(cè)量，物體具有最小的質(zhì)量m0(稱為靜止質(zhì)量)；在相對(duì)物體以速度v運(yùn)動(dòng)的慣性系中測(cè)量，物體的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量為m.4質(zhì)能關(guān)系(1)經(jīng)典物理學(xué)的觀點(diǎn)：在經(jīng)典物理學(xué)中，質(zhì)量和能量是兩個(gè)獨(dú)立的概念(2)相對(duì)論的觀點(diǎn)：由相對(duì)論及基本力學(xué)定律可推出質(zhì)量和能量的關(guān)系為Emc2，能量變化量和質(zhì)量變化量關(guān)系為Emc2.3半人馬星座星是離太陽系最近的恒星，它距地球?yàn)?.31016 m設(shè)有一宇宙飛船自地球往返于半人馬星座星之間(1)若宇宙飛船的速率為0.999c，按地球上時(shí)鐘計(jì)算，飛船往返一次需多少時(shí)間？(2)如以飛船上時(shí)鐘計(jì)算，往返一次的時(shí)間又為多少？【解析】(1)由于題中恒星與地球的距離s和宇宙飛船的速度v均是地球上的觀察者測(cè)量的，故飛船往返一次，地球時(shí)鐘所測(cè)時(shí)間間隔t2.87108 s.(2)可從相對(duì)論的時(shí)間延緩效應(yīng)考慮把飛船離開地球和回到地球視為兩個(gè)事件，顯然飛船上的鐘測(cè)出兩事件的時(shí)間間隔t是固定的，地球上所測(cè)的時(shí)間間隔t與t之間滿足時(shí)間延緩效應(yīng)的關(guān)系式以飛船上的時(shí)鐘計(jì)算，飛船往返一次的時(shí)間間隔為tt1.28107 s.【答案】(1)2.87108 s(2)1.28107 s4一支靜止時(shí)長(zhǎng)l的火箭以v的速度從觀察者的身邊飛過(1)火箭上的人測(cè)得火箭的長(zhǎng)度應(yīng)為多少？(2)觀察者測(cè)得火箭的長(zhǎng)度應(yīng)為多少？(3)如果火箭的速度為光速的二分之一，觀察者測(cè)得火箭的長(zhǎng)度應(yīng)為多少？【解析】(1)火箭上的人測(cè)得的火箭長(zhǎng)度與火箭靜止時(shí)測(cè)得的長(zhǎng)度相同，即為l.(2)火箭外面的觀察者看火箭時(shí)，有相對(duì)速度v，測(cè)量長(zhǎng)度將變短，由相對(duì)論長(zhǎng)度收縮效應(yīng)公式知ll，其中c為真空中的光速(3)將v代入長(zhǎng)度收縮效應(yīng)公式得ll.【答案】(1)l(2)l(3)l5(2016福州高一檢測(cè))太陽內(nèi)部不停地發(fā)生著劇烈的熱核反應(yīng)，在不斷地輻射能量因而其質(zhì)量也不斷地減少若太陽每秒鐘輻射的總能量為41026 J，試計(jì)算太陽在1 s內(nèi)失去的質(zhì)量估算5 000年內(nèi)總共減少了多少質(zhì)量，并求5 000年內(nèi)減少的質(zhì)量與太陽的總質(zhì)量21027 t的比值【解析】由太陽每秒鐘輻射的能量E可得其每秒內(nèi)失去的質(zhì)量為：mkg1010kg4.4109 kg.在5 000年內(nèi)太陽總共減少的質(zhì)量為Mmt10105 000243653 600 kg71020 kg.與太陽的總質(zhì)量比值為k3.51010.【答案】4.4109 kg71020kg3.51010時(shí)間延緩效應(yīng)和長(zhǎng)度收縮效應(yīng)的應(yīng)用方法1(1)“鐘慢效應(yīng)”或“動(dòng)鐘變慢”是在兩個(gè)不同慣性系中進(jìn)行時(shí)間比較的一種效應(yīng)，不要認(rèn)為是時(shí)鐘的結(jié)構(gòu)或精度因運(yùn)動(dòng)而發(fā)生了變化，而是在不同參考系中對(duì)時(shí)間的觀測(cè)效應(yīng)(2)運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘變慢完全是相對(duì)的，在兩個(gè)慣性參考系中的觀測(cè)者都將發(fā)現(xiàn)對(duì)方的鐘變慢了2(1)長(zhǎng)度收縮效應(yīng)是狹義相對(duì)論時(shí)空觀的一種體現(xiàn)，即在不同慣性系中的觀測(cè)者對(duì)同一物體的同一個(gè)空間廣延性進(jìn)行觀測(cè)，測(cè)得的結(jié)果不同(2)這種沿著運(yùn)動(dòng)方向的長(zhǎng)度的變化是相對(duì)的；另外垂直于速度方向的長(zhǎng)度不變