物理人教版必修2學(xué)案6-6經(jīng)典力學(xué)的局限性

6經(jīng)典力學(xué)的局限性知識(shí)點(diǎn)一從低速到高速1．經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動(dòng)定律，牛頓運(yùn)動(dòng)定律和萬有引力定律在宏觀、低速、弱引力的廣闊區(qū)域，包括天體力學(xué)的研究中，經(jīng)受了實(shí)踐的檢驗(yàn)，取得了巨大的成就．2．狹義相對(duì)論闡述的是物體以接近光的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)所遵從的規(guī)律．3．在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量是不變的，而狹義相對(duì)論指出，質(zhì)量要隨物體運(yùn)動(dòng)速度的增大而增大，即m＝eq\f(m0,\r(1－\f(v2,c2)))，兩者在速度遠(yuǎn)小于光速的條件下是統(tǒng)一的．4．經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為位移和時(shí)間的測(cè)量與參考系無關(guān)，相對(duì)論認(rèn)為，同一過程的位移和時(shí)間的測(cè)量與參考系有關(guān)，在不同的參考系中不同．為什么在物體高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，牛頓的經(jīng)典力學(xué)不再適用？提示：牛頓的經(jīng)典力學(xué)理論認(rèn)為質(zhì)量是不變的，而實(shí)際上物體高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量將隨速度的增大而增大．知識(shí)點(diǎn)二從宏觀到微觀1．經(jīng)典力學(xué)能夠很精確地描述宏觀物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，但對(duì)微觀粒子的波粒二象性無能為力，量子力學(xué)能夠正確地描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性．2．經(jīng)典力學(xué)的適用范圍：只適用于低速運(yùn)動(dòng)，不適用于高速運(yùn)動(dòng)；只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界．19世紀(jì)末和20世紀(jì)初，物理學(xué)研究深入到微觀世界，發(fā)現(xiàn)了電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子，而且發(fā)現(xiàn)它們不僅具有粒子性，同時(shí)還具有波動(dòng)性，它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律能完全用經(jīng)典力學(xué)來解釋嗎？提示：不能．知識(shí)點(diǎn)三從弱引力到強(qiáng)引力在強(qiáng)引力的作用下，牛頓引力理論不適用，在弱引力的情況下，牛頓引力理論適用；愛因斯坦相對(duì)論在強(qiáng)引力情況下和弱引力情況下都適用．牛頓建立的經(jīng)典力學(xué)理論已經(jīng)相當(dāng)完善，愛因斯坦為什么要提出相對(duì)論？相對(duì)論是否否定了牛頓建立的經(jīng)典力學(xué)理論？提示：經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀物體的速度遠(yuǎn)小于光速時(shí)，即只適用于低速運(yùn)動(dòng)，不適用于高速運(yùn)動(dòng)；只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界，有局限性．相對(duì)論并沒有否定牛頓建立的經(jīng)典力學(xué)理論．經(jīng)典力學(xué)理論是相對(duì)論當(dāng)v?c時(shí)的結(jié)果．考點(diǎn)一經(jīng)典力學(xué)的成就(1)經(jīng)典力學(xué)經(jīng)典力學(xué)通常指以牛頓三大定律為核心的矢量力學(xué)，有時(shí)也泛指低速宏觀物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的經(jīng)典力學(xué)體系．經(jīng)典力學(xué)又稱為牛頓力學(xué)，它是時(shí)代的產(chǎn)物．(2)經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展歷程①從亞里士多德和阿基米德的物理學(xué)發(fā)展到經(jīng)典力學(xué)體系經(jīng)歷了約兩千年，經(jīng)歷了以哥白尼、開普勒和伽利略為代表的科學(xué)革命．牛頓在伽利略、笛卡兒、開普勒、惠更斯等人研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了一次科學(xué)的偉大綜合，即天與地、實(shí)驗(yàn)歸納與理論演繹、時(shí)空觀與方法論、數(shù)學(xué)與哲學(xué)、物理思維與技術(shù)應(yīng)用等方面的綜合，形成了一個(gè)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)、以數(shù)學(xué)為表達(dá)形式的力學(xué)科學(xué)體系．②主要發(fā)展歷程可分為四個(gè)階段：A．哥白尼時(shí)代(包括開普勒的工作)，特點(diǎn)為擺脫神學(xué)統(tǒng)治．B．伽利略時(shí)代，特點(diǎn)為建立實(shí)驗(yàn)方法．C．牛頓時(shí)代，特點(diǎn)為總結(jié)出經(jīng)典力學(xué)體系．D．后牛頓時(shí)代，特點(diǎn)為經(jīng)典力學(xué)的廣泛應(yīng)用．(3)經(jīng)典力學(xué)的兩個(gè)基本假定①假定時(shí)間和空間是絕對(duì)的，長度和時(shí)間間隔的測(cè)量與觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)無關(guān)，物質(zhì)間相互作用的傳遞是瞬時(shí)到達(dá)的．②一切可觀測(cè)的物理量原則上可以無限精確地加以測(cè)定．(4)經(jīng)典力學(xué)的成就①經(jīng)典力學(xué)的建立，標(biāo)志著近代自然科學(xué)的誕生，對(duì)人們的思想、觀念、方法及整個(gè)自然科學(xué)的發(fā)展都產(chǎn)生了極其深遠(yuǎn)的影響．②經(jīng)典力學(xué)為自然科學(xué)的研究提供了方法引導(dǎo)．③在藝術(shù)、政治、哲學(xué)等社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域，也都按照牛頓運(yùn)動(dòng)理論描述宇宙的普遍存在方式來形成自己的體系，對(duì)社會(huì)和文化的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的影響．【例1】(多選)關(guān)于經(jīng)典力學(xué)的成就，下列說法正確的是()A．經(jīng)典力學(xué)把天體的運(yùn)動(dòng)與地球上物體的運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一起來，是人類對(duì)自然界認(rèn)識(shí)的第一次大綜合，是人類認(rèn)識(shí)史上的一次重大飛躍B．18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(cè)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)是最早形成的物理理論，對(duì)后來的理論有重要影響解答本題時(shí)應(yīng)把握以下兩點(diǎn)：(1)經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展歷程．(2)經(jīng)典力學(xué)的成就．【解析】經(jīng)典力學(xué)把天體的運(yùn)動(dòng)與地球上物體的運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一起來，是人類認(rèn)識(shí)史上的一次重大飛躍，力學(xué)與熱學(xué)的發(fā)展引發(fā)了第一次工業(yè)革命，選項(xiàng)A、B正確；航天器的發(fā)射與運(yùn)行是宏觀世界物體的運(yùn)動(dòng)，是牛頓力學(xué)規(guī)律的應(yīng)用范例，選項(xiàng)C正確；經(jīng)典力學(xué)對(duì)近代自然科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了重要影響，選項(xiàng)D正確．【答案】ABCD總結(jié)提能經(jīng)典力學(xué)建立之前，人們對(duì)力學(xué)現(xiàn)象的研究一般只是反映在科技之中或完全融合在哲學(xué)之內(nèi)，經(jīng)典力學(xué)的建立標(biāo)志著近代自然科學(xué)的誕生，成為人類科學(xué)史上的重要變革，因此我們要了解經(jīng)典力學(xué)所取得的重大成就．解答此類問題時(shí)，應(yīng)在理解的基礎(chǔ)上記憶經(jīng)典力學(xué)的成就和適用范圍，以及經(jīng)典力學(xué)與相對(duì)論和量子力學(xué)的關(guān)系．下列說法中正確的是(B)A．牛頓運(yùn)動(dòng)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(dòng)定律C．牛頓運(yùn)動(dòng)定律可以解決自然界中的所有問題D．經(jīng)典力學(xué)可以解釋自然界中的所有問題解析：經(jīng)典力學(xué)并不等于牛頓運(yùn)動(dòng)定律，牛頓運(yùn)動(dòng)定律只是經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)．經(jīng)典力學(xué)并非萬能，經(jīng)典力學(xué)也存在兩個(gè)基本假定，并不能解決自然界中的所有問題，沒有哪個(gè)理論可以解決自然界中的所有問題．考點(diǎn)二從低速到高速1．低速與高速的概念(1)通常所見的物體運(yùn)動(dòng)皆為低速運(yùn)動(dòng)，如行駛的汽車和發(fā)射的導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星及宇宙飛船等．(2)有些微觀粒子在一定條件下的速度可以與光速相接近，這樣的速度稱為高速．2．速度對(duì)質(zhì)量的影響在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量m是不隨其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的，但愛因斯坦的狹義相對(duì)論指出，物體的質(zhì)量隨物體運(yùn)動(dòng)速度的增大而增大，即m＝eq\f(m0,\r(1－\f(v2,c2))).式中m0是物體靜止時(shí)的質(zhì)量，m是物體速度為v時(shí)的質(zhì)量，c是真空中的光速．可見，當(dāng)v?c時(shí)，m≈m0；當(dāng)v趨近于c時(shí)，m趨近于無窮大．因此，當(dāng)物體的速度遠(yuǎn)小于真空中的光速時(shí)，經(jīng)典力學(xué)完全適用；當(dāng)物體的速度接近光速時(shí)，經(jīng)典力學(xué)就不適用了．【例2】一個(gè)靜止質(zhì)量m0＝1kg的物體，與地球一起繞太陽公轉(zhuǎn)的速度是v＝30km/s，在相應(yīng)的慣性系中的觀測(cè)者測(cè)得物體的質(zhì)量為多大？由相對(duì)論質(zhì)量公式進(jìn)行解答．其實(shí)，物體的速度v＝30km/s，仍可以認(rèn)為是低速運(yùn)動(dòng)，其質(zhì)量仍認(rèn)為等于靜止質(zhì)量．【解析】根據(jù)狹義相對(duì)論中質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系得m＝eq\f(m0,\r(1－\f(v,c)2))＝eq\f(1,\r(1－\f(30×103,3×108)2))kg≈1kg.【答案】1kg總結(jié)提能低速運(yùn)動(dòng)的物體的質(zhì)量可以認(rèn)為不發(fā)生變化，但當(dāng)物體的速度接近光速時(shí)，物體的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量m與靜止質(zhì)量m0可能存在較大差別．當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)的速度為v時(shí)，其運(yùn)動(dòng)質(zhì)量m＝eq\f(m0,\r(1－\f(v2,c2))).在日常生活中，我們并沒有發(fā)現(xiàn)物體的質(zhì)量隨著物體運(yùn)動(dòng)速度的變化而變化，其原因是(B)A．運(yùn)動(dòng)中物體無法稱量質(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：日常生活中見到的物體的速度都較小，由m＝eq\f(m0,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2))可知，當(dāng)v?c時(shí)，m＝m0，故選項(xiàng)B正確．考點(diǎn)三從宏觀到微觀1．宏觀世界質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：質(zhì)點(diǎn)具有確定的運(yùn)動(dòng)軌跡，根據(jù)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，應(yīng)用牛頓力學(xué)可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)質(zhì)點(diǎn)在某時(shí)刻的位置．2．微觀世界粒子的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：就單個(gè)粒子而言，沒有確定的運(yùn)動(dòng)軌跡．微觀粒子既有粒子性，又有波動(dòng)性．3．在微觀世界，粒子具有波粒二象性，無法用經(jīng)典力學(xué)的規(guī)律去研究，解決這類問題要用相對(duì)論和量子力學(xué)．【例3】下列運(yùn)動(dòng)經(jīng)典力學(xué)不適用的是()A．火箭的發(fā)射B．宇宙飛船繞地球的運(yùn)動(dòng)C．“勇氣號(hào)”宇宙探測(cè)器D．微觀粒子的波動(dòng)性解題時(shí)要熟記經(jīng)典力學(xué)的適用范圍是宏觀、低速、弱引力．【解析】經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀、低速、弱引力的范圍，而研究微觀粒子的波動(dòng)性時(shí)，經(jīng)典力學(xué)不再適用．【答案】D總結(jié)提能經(jīng)典力學(xué)適用于低速運(yùn)動(dòng)，不適用于高速運(yùn)動(dòng)；適用于宏觀世界，不適用于微觀世界；適用于弱引力作用，不適用于強(qiáng)引力作用．關(guān)于經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué)，下面說法中正確的是(C)A．不論是對(duì)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B．量子力學(xué)適用于宏觀物體的運(yùn)動(dòng)；經(jīng)典力學(xué)適用于微觀粒子的運(yùn)動(dòng)C．經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀物體的運(yùn)動(dòng)；量子力學(xué)適用于微觀粒子的運(yùn)動(dòng)D．上述說法都是錯(cuò)誤的解析：準(zhǔn)確理解和記住理論成立的條件．考點(diǎn)四從弱引力到強(qiáng)引力1．從弱引力到強(qiáng)引力(1)每一個(gè)天體都有一個(gè)引力半徑，半徑的大小由天體的質(zhì)量決定．當(dāng)天體間的距離遠(yuǎn)大于引力半徑時(shí)，它們間的引力就是弱引力；當(dāng)天體間的距離接近引力半徑時(shí)，它們間的引力就是強(qiáng)引力．(2)經(jīng)典力學(xué)與行星軌道的矛盾：按牛頓的萬有引力理論，行星應(yīng)該沿著一些橢圓或圓做周期性變化，而天文觀測(cè)表明，行星的軌道并不是嚴(yán)格閉合的，它們的近日點(diǎn)在不斷旋進(jìn)．例如，水星的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)際觀測(cè)到的水星的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)情況與愛因斯坦相對(duì)論的計(jì)算結(jié)果吻合得很好．2．牛頓萬有引力定律與愛因斯坦引力理論的差異(1)牛頓萬有引力定律認(rèn)為：物體的半徑減小時(shí)，其表面上的萬有引力與半徑的二次方成反比例增大，對(duì)于半徑接近于0、可以看成質(zhì)點(diǎn)的物體，其表面上的萬有引力趨于無窮大．(2)愛因斯坦理論認(rèn)為：物體的半徑減小時(shí)，其表面上的萬有引力比按半徑二次方規(guī)律增大得快，引力趨于無窮大發(fā)生在物體的半徑接近一個(gè)“引力半徑”的時(shí)候．(3)當(dāng)天體的實(shí)際半徑遠(yuǎn)大于它的引力半徑時(shí)，由愛因斯坦和牛頓引力理論計(jì)算出的力的差異并不是很大，但當(dāng)天體的半徑接近引力半徑時(shí)，這種差異將急劇增大，也就是說，在強(qiáng)引力的情況下，牛頓引力理論將不再適用．(4)在近日點(diǎn)和遠(yuǎn)日點(diǎn)，行星所受引力的變化規(guī)律不完全相同，導(dǎo)致軌道不閉合，近日點(diǎn)旋進(jìn)．【例4】下列說法中正確的是()①根據(jù)牛頓的萬有引力定律可以知道，當(dāng)天體質(zhì)量不變、半徑變?yōu)樵瓉淼膃q\f(1,2)時(shí)，引力將變?yōu)樵瓉淼?倍②按照廣義相對(duì)論可以知道，當(dāng)天體質(zhì)量不變、半徑變?yōu)樵瓉淼膃q\f(1,2)時(shí)，引力將大于原來的4倍③當(dāng)天體的實(shí)際半徑遠(yuǎn)大于引力半徑時(shí)，根據(jù)愛因斯坦的引力理論和牛頓的引力理論計(jì)算出的力差異較大④當(dāng)天體的實(shí)際半徑接近引力半徑時(shí)，根據(jù)愛因斯坦的引力理論和牛頓的引力理論計(jì)算出的力差異不大A．①②B．③④C．①③D．②④當(dāng)天體的實(shí)際半徑遠(yuǎn)大于引力半徑時(shí)，可以用牛頓的引力理論計(jì)算引力大小，當(dāng)天體的實(shí)際半徑接近引力半徑時(shí)，必須用愛因斯坦的引力理論計(jì)算引力大小．【解析】當(dāng)天體的實(shí)際半徑遠(yuǎn)大于其引力半徑時(shí)，由愛因斯坦的引力理論和牛頓的引力理論計(jì)算出的力的差異并不是很大；但當(dāng)天體的實(shí)際半徑接近其引力半徑時(shí)，根據(jù)愛因斯坦的引力理論和牛頓的引力理論計(jì)算出的力的差異將急劇增大．【答案】A總結(jié)提能求解本題關(guān)鍵在于搞清經(jīng)典力學(xué)的適用范圍，在弱引力的情況下，牛頓引力理論適用；在強(qiáng)引力的情況下，牛頓引力理論不再適用．(多選)繼哥白尼提出“太陽中心說”、開普勒提出行星運(yùn)動(dòng)三定律后，牛頓站在前人的肩膀上，創(chuàng)立了經(jīng)典力學(xué)，揭示了包括行星在內(nèi)的宏觀物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；愛因斯坦既批判了牛頓力學(xué)的不足，又進(jìn)一步發(fā)展了牛頓的經(jīng)典力學(xué)，創(chuàng)立了相對(duì)論，這說明(BC)A．世界無限擴(kuò)大，人不可能認(rèn)識(shí)世界，只能認(rèn)識(shí)世界的一部分B．人的意識(shí)具有能動(dòng)性，能夠正確地反映客觀世界C．人對(duì)世界的每一個(gè)正確認(rèn)識(shí)都有局限性，需要發(fā)展和深化D．每一個(gè)認(rèn)識(shí)都可能被后人推翻，人不可能獲得正確的認(rèn)識(shí)解析：發(fā)現(xiàn)總是來自于認(rèn)識(shí)的過程，愛因斯坦的相對(duì)理論并沒有否定經(jīng)典力學(xué)，而是對(duì)牛頓力學(xué)理論的發(fā)展和深化，但也有人正在向愛因斯坦理論挑戰(zhàn)，故A、D錯(cuò)誤，B、C正確．1．(多選)物理學(xué)的發(fā)展豐富了人類對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)，推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新和革命，促進(jìn)了物質(zhì)生產(chǎn)的繁榮與人類文明的進(jìn)步．下列表述正確的是(AD)A．牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律B．牛頓通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了萬有引力定律C．相對(duì)論的創(chuàng)立表明經(jīng)典力學(xué)已不再適用D．愛因斯坦建立了狹義相對(duì)論，把物理學(xué)推進(jìn)到高速領(lǐng)域解析：萬有引力定律是牛頓發(fā)現(xiàn)的，但在實(shí)驗(yàn)室里加以驗(yàn)證是卡文迪許進(jìn)行的，A對(duì)，B錯(cuò)；相對(duì)論并沒有否定經(jīng)典力學(xué)，經(jīng)典力學(xué)對(duì)于低速、宏觀運(yùn)動(dòng)仍適用，C錯(cuò)；狹義相對(duì)論的建立，是人類取得的重大成就，從而把物理學(xué)推到高速領(lǐng)域，D對(duì)．2．(多選)以下說法正確的是(BC)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(dòng)狀態(tài)而改變D．相對(duì)論與量子力學(xué)否定了經(jīng)典力學(xué)理論解析：經(jīng)典力學(xué)理論只適用于宏觀、低速運(yùn)動(dòng)的物體，A錯(cuò)，B對(duì)；在經(jīng)典力學(xué)中，物體的速度v?c，所以物體的質(zhì)量不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而改變，但相對(duì)論和量子力學(xué)并不否定經(jīng)典力學(xué)，認(rèn)為它是在一定條件下的特殊情形，C正確，D錯(cuò)誤．3．經(jīng)典力學(xué)只適用于“宏觀世界”，這里的“宏觀世界”是指(D)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：A、B、C三個(gè)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，本題應(yīng)選D.4．下列說法中正確的是(A)①當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速時(shí)，相對(duì)論物理學(xué)和經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別；②當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)速度接近光速時(shí)，相對(duì)論物理學(xué)和經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別；③當(dāng)普朗克常量h(6.63×10－34J·s)可以忽略不計(jì)時(shí)，量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)