（新課標(biāo)）2018-2019學(xué)年高考物理 3.1 牛頓力學(xué)的局限性學(xué)案.doc

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3.1　牛頓力學(xué)的局限性 學(xué)習(xí)目標(biāo) 核心凝煉 1.了解牛頓力學(xué)的發(fā)展歷程及其成就。 1個范圍——牛頓力學(xué)的適用范圍 3種關(guān)系——①低速與高速；②宏觀與微觀；③弱引力與強(qiáng)引力 2.知道牛頓力學(xué)的局限性和適用范圍。 3.知道速度對質(zhì)量的影響及速度的相對性。 , 一、從低速到高速 速度遠(yuǎn)小于光速 接近光速運(yùn)動 物理理論 經(jīng)典力學(xué) 相對論 質(zhì)量與速度的關(guān)系 物體的質(zhì)量是不隨運(yùn)動狀態(tài)改變的 物體的質(zhì)量隨著物體運(yùn)動速度的增大而增大，m＝ 位移、時間 與參考系 的關(guān)系 位移的測量、時間的測量都與參考系無關(guān) 同一過程的位移和時間的測量在不同參考系中是不同的 二、從宏觀到微觀 1.微觀世界：電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子的運(yùn)動規(guī)律在很多情況下不能用經(jīng)典力學(xué)來說明，而量子力學(xué)能夠正確地描述微觀粒子的運(yùn)動規(guī)律。 2.經(jīng)典力學(xué)的適用范圍：只適用于低速運(yùn)動，不適用于高速運(yùn)動；只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界。 三、從弱引力到強(qiáng)引力 1.1915年，愛因斯坦創(chuàng)立了廣義相對論，這是一種新的時空與引力的理論。在強(qiáng)引力的情況下，牛頓的引力理論不再適用。 2.當(dāng)物體的運(yùn)動速度遠(yuǎn)小于光速c(3108 m/s)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。當(dāng)另一個重要常數(shù)即“普朗克常量”(6.6310－34 Js)可以忽略不計時，量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別。 [理解概念] 判斷下列說法是否正確。 (1)洲際導(dǎo)彈的速度有時可達(dá)到6 000 m/s，這一速度屬于相對論中的高速。() (2)質(zhì)量是物體的固有屬性，任何時候都不會變。() (3)對于高速物體，它的質(zhì)量隨著速度的增加而變大。(√) (4)經(jīng)典力學(xué)不適用于高速運(yùn)動的物體，但適用于微觀世界。() (5)對于宏觀物體的低速運(yùn)動問題，相對論、量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)是一致的。(√) 　從低速到高速 [觀察探究] 地球的第一宇宙速度是7.9 km/s；設(shè)在美國伊利諾伊州費(fèi)米實(shí)驗(yàn)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。 (1)地球的第一宇宙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)地球第一宇宙速度在狹義相對論中屬于低速，被加速器加速后的電子速度屬于高速。 (2)加速后電子的質(zhì)量增大了。 [探究歸納]　 1.低速與高速的概念 (1)低速：遠(yuǎn)小于光速的速度為低速，通常所見物體的運(yùn)動，如行駛的汽車、發(fā)射的導(dǎo)彈、人造地球衛(wèi)星及宇宙飛船等物體的運(yùn)動皆為低速運(yùn)動。 (2)高速：有些微觀粒子在一定條件下其速度可以與光速相接近，這樣的速度稱為高速。 2.速度對質(zhì)量的影響 (1)在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量不隨速度而變。根據(jù)牛頓第二定律F＝ma知，物體在力F作用下做勻變速運(yùn)動，只要時間足夠長，物體的運(yùn)動速度就可以增加到甚至超過光速c。 (2)愛因斯坦的狹義相對論指出，物體的質(zhì)量隨速度的增大而增大，即m＝，其中m0為物體靜止時的質(zhì)量，m是物體速度為v時的質(zhì)量，c是真空中的光速。在高速運(yùn)動時，質(zhì)量的測量是與運(yùn)動狀態(tài)密切相關(guān)的。 3.速度對物理規(guī)律的影響：對于低速運(yùn)動問題，一般用經(jīng)典力學(xué)規(guī)律來處理。對于高速運(yùn)動問題，經(jīng)典力學(xué)已不再適用，需要用狹義相對論知識來處理。 [試題案例] [例1] 如果真空中的光速c＝3108 m/s，當(dāng)一個物體的運(yùn)動速度v1＝2.4 108 m/s時，質(zhì)量為3 kg，當(dāng)它的速度為v2＝1.8108 m/s時，質(zhì)量為多少？ 【思路點(diǎn)撥】　(1)物體的運(yùn)動速度接近光速，物體的質(zhì)量隨物體運(yùn)動速度的變化而變化。 (2)m1＝3 kg是物體運(yùn)動速度為v1時的質(zhì)量，而不是物體的靜止質(zhì)量。 解析　由m＝得＝＝，代入數(shù)據(jù)解得＝，所以 m2＝3 kg＝2.25 kg。 答案　2.25 kg [針對訓(xùn)練1] 根據(jù)愛因斯坦的狹義相對論，質(zhì)量要隨著物體運(yùn)動速度的增大而增大，即m＝。請討論： (1)如果你使一個物體加速、加速、再加速，它的速度會增加到等于光速甚至大于光速嗎？為什么？ (2)光有靜止質(zhì)量嗎？如果有，情況將會怎樣？ 解析　(1)由m＝知：當(dāng)v＝c時，m應(yīng)是無窮大。隨著質(zhì)量的不斷增大，產(chǎn)生加速度的力會隨著不斷增大，使加速越來越困難。因此一個物體不管怎樣加速，它的速度不會等于甚至超過光速。 (2)光沒有靜止質(zhì)量。若光有靜止質(zhì)量，當(dāng)光傳播時速度為c，由m＝，它傳播時的質(zhì)量會無窮大，光照射到物體上，如同一質(zhì)量無窮大的物體以光速砸到被照物體上，后果不堪設(shè)想。 答案　見解析 　從宏觀到微觀　從弱引力到強(qiáng)引力 [觀察探究] 如圖所示， “黑洞”是愛因斯坦廣義相對論中預(yù)言的一種特殊天體。它的密度極大，對周圍的物質(zhì)(包括光)有極強(qiáng)的吸引力，在研究“黑洞”時，經(jīng)典力學(xué)還適用嗎？ 答案　不適用，經(jīng)典力學(xué)適用于弱引力問題，而“黑洞”問題屬于強(qiáng)引力問題，經(jīng)典力學(xué)不再適用。 [探究歸納]　 經(jīng)典力學(xué)與相對論、量子理論的比較 1.區(qū)別 狹義相對論 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運(yùn)動時所遵循的規(guī)律 量子力學(xué) 經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀世界；量子力學(xué)能夠正確描述微觀粒子的運(yùn)動規(guī)律 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)當(dāng)另一個重要常數(shù)即“普朗克常量”可以忽略不計時，量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別。 (3)相對論和量子力學(xué)并沒有否定經(jīng)典力學(xué)，經(jīng)典力學(xué)是二者在一定條件下的特殊情形。 [試題案例] [例2] (多選)關(guān)于牛頓物理學(xué)與狹義相對論，下列說法正確的是(　　) A.狹義相對論研究的是物體在低速運(yùn)動時所遵循的規(guī)律 B.狹義相對論研究的是物體在高速運(yùn)動時所遵循的規(guī)律 C.牛頓物理學(xué)研究的是物體在低速運(yùn)動時所遵循的規(guī)律 D.牛頓物理學(xué)研究的是物體在高速運(yùn)動時所遵循的規(guī)律 解析　牛頓物理學(xué)的運(yùn)動規(guī)律適用于低速、宏觀物體，而愛因斯坦的狹義相對論適用于高速、微觀世界。 答案　BC [針對訓(xùn)練2] (多選)關(guān)于經(jīng)典力學(xué)、相對論與量子論的說法正確的是 (　　) A.當(dāng)物體的速度接近光速時，經(jīng)典力學(xué)就不適用了 B.相對論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，使經(jīng)典力學(xué)失去了意義 C.量子力學(xué)能夠描述微觀粒子運(yùn)動的規(guī)律性 D.萬有引力定律也適用于強(qiáng)相互作用力 解析　經(jīng)典力學(xué)只適用于低速宏觀的物體，故A正確；相對論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，并沒有否定經(jīng)典力學(xué)，只是說經(jīng)典力學(xué)有一定的適用范圍，故B錯誤；量子力學(xué)描述了微觀粒子運(yùn)動的規(guī)律性，故C正確；萬有引力定律只適用于弱相互作用力，而對于強(qiáng)相互作用力是不適用的，故D錯誤。 答案　AC 1.(物理學(xué)史)人類在探索自然規(guī)律的進(jìn)程中總結(jié)了許多科學(xué)方法，如分析歸納法、演繹法、等效替代法、控制變量法、理想實(shí)驗(yàn)法等。在下列研究中，運(yùn)用理想實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行研究的是(　　) A.牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律 B.伽利略得出力不是維持物體運(yùn)動的原因 C.愛因斯坦提出相對論 D.普朗克提出量子論 解析　“牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律、愛因斯坦提出相對論、普朗克提出量子論”都是可以通過科學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的，所以A、C、D錯誤；“伽利略得出力不是維持物體運(yùn)動的原因”則無法通過科學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，只有運(yùn)用理想實(shí)驗(yàn)法來推導(dǎo)，B正確。 答案　B 2.(經(jīng)典力學(xué)的局限性)牛頓力學(xué)的適用范圍是(　　) A.適用于宏觀物體的低速(與光速相比)運(yùn)動 B.適用于微觀粒子的運(yùn)動 C.適用于宏觀物體的高速(與光速相比)運(yùn)動 D.適用于受到強(qiáng)引力作用的物體 解析　牛頓力學(xué)屬于經(jīng)典力學(xué)，它只適用于低速、宏觀物體的運(yùn)動以及弱引力作用時的情況。故A正確，B、C、D錯誤。 答案　A 3.(經(jīng)典力學(xué)的局限性)(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 解析　經(jīng)典力學(xué)理論具有一定的局限性，它只適用于低速、宏觀物體的運(yùn)動，選項(xiàng)A錯誤，B正確；在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量不隨運(yùn)動狀態(tài)的改變而改變，即物體的質(zhì)量和物體運(yùn)動的速度無關(guān)，選項(xiàng)C正確；相對論和量子力學(xué)并沒有否定過去的科學(xué)，而是認(rèn)為經(jīng)典力學(xué)理論是在一定條件下的特殊情形，選項(xiàng)D錯誤。 答案　BC 4.(相對論的質(zhì)速關(guān)系)某物體在低速(接近0)情況下質(zhì)量為m0，在速度為v的高速(接近光速)情況下質(zhì)量為m，則由狹義相對論，物體速度v為(　　) A.c B.c C.(1－)c D.c 解析　根據(jù)m＝可得v＝c，B項(xiàng)正確。 答案　B 合格性檢測 1.(多選)牛頓定律適用于下列哪些情況(　　) A.研究原子中電子的運(yùn)動 B.研究“嫦娥三號”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 解析　牛頓力學(xué)屬于經(jīng)典力學(xué)的研究范疇，適用于宏觀、低速運(yùn)動的物體，并注意到低速和高速的標(biāo)準(zhǔn)是相對于光速，可判定牛頓定律適用于B、C、D中描述的運(yùn)動，而A不適用。 答案　BCD 2.經(jīng)典力學(xué)只適用于“宏觀世界”，這里的“宏觀世界”是指(　　) A.行星、恒星、星系等巨大的物質(zhì)領(lǐng)域 B.地球表面上的物質(zhì)世界 C.人眼能看到的物質(zhì)世界 D.不涉及分子、原子、電子等微觀粒子的物質(zhì)世界 解析　前三個選項(xiàng)說的當(dāng)然都屬于“宏觀世界”，但都很片面，沒有全面描述，選項(xiàng)D正確。 答案　D 3.(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.地殼的變動 解析　經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀、低速運(yùn)動的物體，所以A、B、D正確；當(dāng)物體的運(yùn)動速率接近于光速時，經(jīng)典力學(xué)就不適用了，故C錯誤。 答案　ABD 4.下列說法中正確的是(　　) A.牛頓運(yùn)動定律就是經(jīng)典力學(xué) B.經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動定律 C.牛頓運(yùn)動定律可以解決自然界中所有的問題 D.經(jīng)典力學(xué)可以解決自然界中所有的問題 解析　經(jīng)典力學(xué)并不等于牛頓運(yùn)動定律，牛頓運(yùn)動定律只是經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)；經(jīng)典力學(xué)并非萬能，也有其適用范圍，并不能解決自然界中所有的問題，沒有哪個理論可以解決自然界中所有的問題。所以選項(xiàng)B正確。 答案　B 5.(多選)經(jīng)典力學(xué)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.微觀粒子的運(yùn)動 解析　經(jīng)典力學(xué)只適用于低速運(yùn)動，不適用于高速運(yùn)動，只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界，所以不能適用于微觀粒子的運(yùn)動。 答案　ABC 6.相對論告訴我們，物體運(yùn)動時的質(zhì)量與其靜止時的質(zhì)量相比(　　) A.運(yùn)動時的質(zhì)量比靜止時的質(zhì)量大 B.運(yùn)動時的質(zhì)量比靜止時的質(zhì)量小 C.運(yùn)動時的質(zhì)量與靜止時的質(zhì)量相等 D.是兩個不同的概念，無法比較 解析　根據(jù)狹義相對論的質(zhì)速關(guān)系m＝知，物體運(yùn)動時的質(zhì)量比靜止時的質(zhì)量大，A正確，B、C、D錯誤。 答案　A 7.(多選)關(guān)于經(jīng)典力學(xué)、狹義相對論和量子力學(xué)，下列說法中正確的是(　　) A.狹義相對論和經(jīng)典力學(xué)是相互對立的、互不相容的兩種理論 B.在物體高速運(yùn)動時，物體的運(yùn)動規(guī)律遵循狹義相對論，在低速運(yùn)動時，物體的運(yùn)動規(guī)律遵循牛頓運(yùn)動定律 C.經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀物體的低速運(yùn)動，量子力學(xué)適用于微觀粒子的運(yùn)動 D.不論是宏觀物體，還是微觀粒子，經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué)都是適用的 解析　經(jīng)典力學(xué)只適用于宏觀物體的低速運(yùn)動，相對論和量子力學(xué)并沒有全盤否定經(jīng)典力學(xué)理論。在弱引力作用下，低速運(yùn)動的宏觀世界中，兩種理論是一致的。故B、C正確，A、D錯誤。 答案　BC 8.日常生活中我們并沒有發(fā)現(xiàn)物體的質(zhì)量隨物體運(yùn)動的速度變化而變化，其原因是(　　) A.運(yùn)動中的物體無法稱量其質(zhì)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 解析　根據(jù)狹義相對論，m＝，在宏觀物體的運(yùn)動中，物體的運(yùn)動速度v遠(yuǎn)小于光速c，所以質(zhì)量變化不大，我們難以感受到它的變化。 答案　B 等級性檢測 9.(多選)下列說法中正確的是(　　) A.根據(jù)牛頓萬有引力定律，當(dāng)星球質(zhì)量不變，半徑變?yōu)樵瓉淼囊话霑r，表面上的引力將變?yōu)樵瓉淼?倍 B.按照廣義相對論，當(dāng)星球質(zhì)量不變，半徑變?yōu)樵瓉淼囊话霑r，表面上的引力將大于原來的4倍 C.當(dāng)天體的實(shí)際半徑遠(yuǎn)大于引力半徑時，根據(jù)愛因斯坦的引力理論和牛頓理論計算出的力差別很大 D.當(dāng)天體的實(shí)際半徑接近引力半徑時，根據(jù)愛因斯坦的引力理論和牛頓理論計算出的力差別不大 解析　愛因斯坦引力理論表明，當(dāng)星球質(zhì)量不變，半徑變?yōu)樵瓉淼囊话霑r，其表面上的引力將大于原來的4倍。天體半徑越小，根據(jù)愛因斯坦引力理論和牛頓理論計算出的力的差別越大。 答案　AB 10.通過一個加速裝置對電子加一很大的恒力，使電子從靜止開始加速，則對這個加速過程，下列描述正確的是(　　) A.根據(jù)牛頓第二定律，電子將不斷做勻加速直線運(yùn)動 B.電子先做加速運(yùn)動，后以光速做勻速直線運(yùn)動 C.電子開始先近似于勻加速運(yùn)動，后來質(zhì)量增大，牛頓運(yùn)動定律不再適用 D.電子是微觀粒子，整個加速過程根本就不能用牛頓運(yùn)動定律解釋 解析　電子在加速裝置中由靜止開始加速，開始階段速度較低，遠(yuǎn)低于光速，此時牛頓運(yùn)動定律基本適用，可以認(rèn)為在它被加速的最初階段，它做勻加速運(yùn)動。隨著電子的速度越來越大，接近光速時，相對論效應(yīng)越來越大，質(zhì)量加大，它不再做勻加速直線運(yùn)動，牛頓運(yùn)動定律不再適用。 答案　C 11.一個原來靜止的電子，經(jīng)電壓加速后，獲得的速度v＝6106 m/s。關(guān)于電子的質(zhì)量的變化，下列說法正確的是(　　) A.不變 B.減少 C.增大了0.02% D.增大了0.2% 解析　根據(jù)愛因斯坦的狹義相對論m＝得出運(yùn)動后的質(zhì)量增大了。 m＝＝＝1.000 2m0 所以改變的百分比為100%＝0.02%。C正確。 答案　C