2024-2025學年高中物理第6章萬有引力與航天6經(jīng)典力學的局限性學案新人教版必修2

PAGE5-6．經(jīng)典力學的局限性[學習目標]1.[物理觀念]了解經(jīng)典力學的發(fā)展歷程和宏大成就．2.[物理觀念]知道經(jīng)典力學的局限性和適用范圍．(重點)3.[科學思維]知道速度對質(zhì)量的影響及光速不變原理．(難點)4.[科學看法與責任]了解科學理論的相對性，體會科學理論是不斷發(fā)展和完善的．一、從低速到高速速度遠小于光速接近光速運動物理理論經(jīng)典力學相對論質(zhì)量與速度的關系物體的質(zhì)量是不隨運動狀態(tài)變更的物體的質(zhì)量隨著物體運動速度的增大而增大，m＝m0/eq\r(1－\f(v2,c2))位移、時間與參考系的關系位移的測量、時間的測量都與參考系無關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、從弱引力到強引力1．微觀世界電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子的運動規(guī)律在許多狀況下不能用經(jīng)典力學來說明，而量子力學能夠正確地描述微觀粒子的運動規(guī)律．2．經(jīng)典力學的適用范圍經(jīng)典力學適用于低速運動，不適用于高速運動，適用于宏觀世界，不適用于微觀世界．3．從弱引力到強引力(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．在強引力的狀況下，牛頓的引力理論不再適用．(2)當物體的運動速度遠小于光速c(3×108m/s)時，相對論物理學與經(jīng)典物理學的結(jié)構(gòu)沒有區(qū)分．當另一個重要常數(shù)即“普朗克常量”(6.63×10－34J·s)可以忽視不計時，量子力學和經(jīng)典力學的結(jié)論沒有區(qū)分．1．思索推斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”)(1)在經(jīng)典力學中，位移的測量與參考系的運動狀況無關． (√)(2)在相對論力學中，運動的時鐘和靜止的時鐘快慢相同． (×)(3)在相對論力學中，高速運動的物體質(zhì)量要變?。?(×)(4)經(jīng)典力學一般不適用于微觀粒子． (√)(5)萬有引力定律適用于中子星表面引力的計算． (×)2．下列物體的運動不能用經(jīng)典力學描述的是()A．飛機的飛行 B．人造衛(wèi)星的運行C．小汽車的行駛 D．光子的運動D[經(jīng)典力學適用于低速宏觀的物體，A、B、C不符合題意，選項D符合題意．]3．關于經(jīng)典力學的局限性，下列說法正確的是()A．火車提速后，有關速度問題不能用經(jīng)典力學來處理B．由于經(jīng)典力學有局限性，所以一般力學問題都用相對論力學來解決C．經(jīng)典力學適用于宏觀低速運動的物體D．經(jīng)典力學只適用于像地球和太陽那樣大的宏觀物體C[經(jīng)典力學是有局限性，經(jīng)典力學適用于宏觀低速運動的物體，但對于一般力學問題仍能用經(jīng)典力學來解決，所以即使在火車提速后，有關速度問題仍能用經(jīng)典力學來處理，故A、B錯誤，C正確；經(jīng)典力學不僅適用于像地球和太陽那樣大的宏觀物體，也適用一般尺寸的宏觀物體，故D錯誤．故選C.]物體速度對質(zhì)量的影響1．低速與高速的概念(1)低速：遠小于光速的速度為低速，通常所見物體的運動，如行駛的汽車、放射的導彈、人造地球衛(wèi)星及宇宙飛船等物體的運動皆為低速運動．(2)高速：有些微觀粒子在肯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)典力學中，物體的質(zhì)量不隨速度而變．依據(jù)牛頓其次定律F＝ma知，物體在力F作用下做勻變速運動，只要時間足夠長，物體的運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＝eq\f(m0,\r(1－\f(v2,c2)))，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．在高速運動時，質(zhì)量的測量是與運動狀態(tài)親密相關的．3．速度對物理規(guī)律的影響：對于低速運動問題，一般用經(jīng)典力學規(guī)律來處理．對于高速運動問題，經(jīng)典力學已不再適用，須要用狹義相對論學問來處理．【例1】把電子從v1＝0.9c加速到v2＝0.97c時電子的質(zhì)量增加多少？(已知電子靜止質(zhì)量m0＝9.1×10－31kg)[解析]電子速度為v1時電子質(zhì)量為m1＝eq\f(m0,\r(1－\f(v1,c)2))＝eq\f(m0,\r(1－0.92))電子速度為v2時電子質(zhì)量為m2＝eq\f(m0,\r(1－\f(v2,c)2))＝eq\f(m0,\r(1－0.972))電子質(zhì)量增量為Δm＝m2－m1＝1.66×10－30kg.[答案]1.66×10－30kg物體的質(zhì)量與速度的關系從愛因斯坦的相對論可知：物體的速度越大，它的質(zhì)量就越大．當物體的速度遠小于光速時，其質(zhì)量的變更可以忽視；當物體的速度接近光速時，質(zhì)量變更將很明顯，其質(zhì)量變更不行忽視．[跟進訓練]1．(多選)對于公式m＝eq\f(m0,\r(1－\f(v2,c2)))，下列說法中正確的是()A．式中的m0是物體以速度v運動時的質(zhì)量B．當物體的運動速度v＞0時，物體的質(zhì)量m＞m0，即物體的質(zhì)量變更了，故經(jīng)典力學不再適用C．當物體以較小速度運動時，質(zhì)量變更非常微小，經(jīng)典力學理論仍舊適用，只有當物體以接近光速的速度運動時，質(zhì)量變更才明顯，故經(jīng)典力學適用于低速運動，而不適用于高速運動D．通常由于物體的運動速度很小，故質(zhì)量的變更引不起我們的感覺，在分析地球上物體的運動時，不必考慮質(zhì)量的變更CD[公式中m0是物體的靜止質(zhì)量，m是物體以速度v運動時的質(zhì)量，選項A錯誤．由公式可知，只有當v接近光速時，物體的質(zhì)量變更才明顯，一般狀況下物體的質(zhì)量變更非常微小，故經(jīng)典力學仍舊適用，選項C、D正確，B錯誤．]狹義相對論、量子理論、廣義相對論的比較1．區(qū)分狹義相對論經(jīng)典力學適用于低速運動的物體；狹義相對論闡述物體在以接近光速運動時所遵循的規(guī)律量子力學經(jīng)典力學適用于宏觀世界；量子力學能夠正確描述微觀粒子的運動規(guī)律廣義相對論經(jīng)典力學在弱引力的狀況下與試驗結(jié)果符合得很好；愛因斯坦的廣義相對論能夠說明強引力狀況下的作用規(guī)律2．聯(lián)系(1)當物體的運動速度遠小于光速時，相對論物理學與經(jīng)典物理學的結(jié)論沒有區(qū)分．(2)當另一個重要常數(shù)即“普朗克常量”可以忽視不計時，量子力學和經(jīng)典力學的結(jié)論沒有區(qū)分．【例2】(多選)關于經(jīng)典力學、相對論與量子論的說法正確的是()A．當物體的速度接近光速時，經(jīng)典力學就不適用了B．相對論和量子力學的出現(xiàn)，使經(jīng)典力學失去了意義C．量子力學能夠描述微觀粒子運動的規(guī)律性D．萬有引力定律也適用于強相互作用力AC[經(jīng)典力學只適用于低速宏觀的物體，故A正確；相對論和量子力學的出現(xiàn)，并沒有否定經(jīng)典力學，只是說經(jīng)典力學有肯定的適用范圍，故B錯誤；量子力學描述了微觀粒子運動的規(guī)律性，故C正確；萬有引力定律只適用于弱相互作用力，而對于強相互作用力是不適用的，故D錯誤．][跟進訓練]2．(多選)關于經(jīng)典力學、狹義相對論和量子力學，下列說法中正確的是()A．狹義相對論和經(jīng)典力學是相互對立的兩種理論B．在物體高速運動時，物體的運動規(guī)律聽從狹義相對論理論，在低速運動時，物體的運動規(guī)律聽從牛頓運動定律C．經(jīng)典力學適用于宏觀物體的運動，量子力學適用于微觀粒子的運動D．不論是宏觀物體，還是微觀粒子，經(jīng)典力學和量子力學都是適用的BC[相對論并沒有否定經(jīng)典力學，而是認為經(jīng)典力學是相對論理論在肯定條件下的特別情形，A錯誤；經(jīng)典力學適用于宏觀物體的低速運動，對于微觀粒子的高速運動問題，經(jīng)典力學不再適用，但相對論、量子力學適用，選項B、C正確，D錯誤．]1．物理觀念：(1)經(jīng)典力學的局限性．(2)了解狹義相對論、量子理論．(3)光速不變原理．2．科學思維：速度對質(zhì)量的影響．3．科學看法與責任：科學理論的相對性，科學理論不斷發(fā)展和完善．1．(多選)經(jīng)典力學規(guī)律適用于下列運動的是()A．子彈的飛行B．飛船繞地球的運行C．列車的運行D．粒子接近光速的運動ABC[經(jīng)典力學的適用范圍是宏觀、低速情形，子彈的飛行、飛船繞地球的運行、列車的運動，經(jīng)典力學能適用，故A、B、C正確；對于微觀、高速的情形經(jīng)典力學不適用，故D錯誤．]2．關于經(jīng)典力學，下列說法正確的是()A．僅適用于微觀粒子的運動B．適用于宏觀物體的低速運動C．經(jīng)典力學中，物體的質(zhì)量與其運動速度有關D．經(jīng)典力學中，物體的長度與其運動速度有關B[經(jīng)典力學運用條件為：宏觀，低速．對微觀，高速度運動不再適用，故A錯誤，B正確．在相對論力學中，物體的質(zhì)量、長度與其運動速度有關；經(jīng)典力學中，物體的質(zhì)量、長度與其運動速度無關，故C、D錯誤．故選B.]3．關于經(jīng)典力學和量子力學，下列說法中正確的是()A．不論是對宏觀物體，還是微觀粒子，經(jīng)典力學和量子力學都是適用的B．量子力學適用于宏觀物體的運動；經(jīng)典力學適用于微觀粒子的運動C．經(jīng)典力學適用于宏觀物體的運動；量子力學適用于微觀粒子的運動D．上述說法都是錯誤的C[經(jīng)典力學適用于低速運動、宏觀物體，不適用于高速、微觀粒子．量子力學不適用于宏觀物體，適用于微觀粒子，故選項C正確．]4．日常生活中，我們并沒發(fā)覺物體的質(zhì)量