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第五章经典力学的成就与局限性3.5.1牛顿力学的局限性学习目标核心凝炼1.了解牛顿力学的发展历程及其成就。1个范围——牛顿力学的适用范围3种关系——①低速与高速；②宏观与微观；③弱引力与强引力2.知道牛顿力学的局限性和适用范围。3.知道速度对质量的影响及速度的相对性。一、从低速到高速速度远小于光速接近光速运动物理理论经典力学_________质量与速度的关系物体的质量是不随运动状态改变的物体的质量随着物体运动速度的增大而_____，m＝__________位移、时间与参考系的关系位移的测量、时间的测量都与参考系______同一过程的位移和时间的测量在不同参考系中是________相对论增大m01－v2c2无关不同的二、从宏观到微观1.微观世界：电子、质子、中子等微观粒子的运动规律在很多情况下不能用经典力学来说明，而__________能够正确地描述微观粒子的运动规律。2.经典力学的适用范围：只适用于______运动，不适用于______运动；只适用于______世界，不适用于_______世界。量子力学低速高速宏观微观三、从弱引力到强引力1.1915年，爱因斯坦创立了广义相对论，这是一种新的时空与引力的理论。在强引力的情况下，牛顿的引力理论__________。2.当物体的运动速度远小于光速c(3×108m/s)时，相对论物理学与经典物理学的结论__________。当另一个重要常数即“普朗克常量”(6.63×10－34J·s)可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论__________。不再适用没有区别没有区别[理解概念]判断下列说法是否正确。(1)洲际导弹的速度有时可达到6000m/s，这一速度属于相对论中的高速。()(2)质量是物体的固有属性，任何时候都不会变。()(3)对于高速物体，它的质量随着速度的增加而变大。()(4)经典力学不适用于高速运动的物体，但适用于微观世界。()(5)对于宏观物体的低速运动问题，相对论、量子力学与经典力学是一致的。()××√×√从低速到高速[观察探究]地球的第一宇宙速度是7.9km/s；设在美国伊利诺伊州费米实验室的圆形粒子加速器可以把电子加速到0.999999999987倍光速的速度。(1)地球的第一宇宙速度在狭义相对论中属于低速还是高速？被加速器加速后的电子的速度呢？(2)加速后电子的质量比电子的静止质量增大了还是减小了？答案(1)地球第一宇宙速度在狭义相对论中属于低速，被加速器加速后的电子速度属于高速。(2)加速后电子的质量增大了。[探究归纳]1.低速与高速的概念(1)低速：远小于光速的速度为低速，通常所见物体的运动，如行驶的汽车、发射的导弹、人造地球卫星及宇宙飞船等物体的运动皆为低速运动。(2)高速：有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近，这样的速度称为高速。2.速度对质量的影响(1)在经典力学中，物体的质量不随速度而变。根据牛顿第二定律F＝ma知，物体在力F作用下做匀变速运动，只要时间足够长，物体的运动速度就可以增加到甚至超过光速c。3.速度对物理规律的影响：对于低速运动问题，一般用经典力学规律来处理。对于高速运动问题，经典力学已不再适用，需要用狭义相对论知识来处理。(2)爱因斯坦的狭义相对论指出，物体的质量随速度的增大而增大，即m＝m01－v2c2，其中m0为物体静止时的质量，m是物体速度为v时的质量，c是真空中的光速。在高速运动时，质量的测量是与运动状态密切相关的。[试题案例][例1]如果真空中的光速c＝3×108m/s，当一个物体的运动速度v1＝2.4×108m/s时，质量为3kg，当它的速度为v2＝1.8×108m/s时，质量为多少？【思路点拨】(1)物体的运动速度接近光速，物体的质量随物体运动速度的变化而变化。(2)m1＝3kg是物体运动速度为v1时的质量，而不是物体的静止质量。答案2.25kg解析由m＝m01－v2c2得m1m2＝1－v22c21－v21c2＝c2－v22c2－v21，代入数据解得m1m2＝43，所以m2＝34×3kg＝2.25kg。[针对训练1]根据爱因斯坦的狭义相对论，质量要随着物体运动速度的增大而增大，即m＝m01－v2c2。请讨论：(1)如果你使一个物体加速、加速、再加速，它的速度会增加到等于光速甚至大于光速吗？为什么？(2)光有静止质量吗？如果有，情况将会怎样？答案见解析解析(1)由m＝m01－v2c2知：当v＝c时，m应是无穷大。随着质量的不断增大，产生加速度的力会随着不断增大，使加速越来越困难。因此一个物体不管怎样加速，它的速度不会等于甚至超过光速。(2)光没有静止质量。若光有静止质量，当光传播时速度为c，由m＝m01－v2c2，它传播时的质量会无穷大，光照射到物体上，如同一质量无穷大的物体以光速砸到被照物体上，后果不堪设想。从宏观到微观从弱引力到强引力[观察探究]如图所示，“黑洞”是爱因斯坦广义相对论中预言的一种特殊天体。它的密度极大，对周围的物质(包括光)有极强的吸引力，在研究“黑洞”时，经典力学还适用吗？答案不适用，经典力学适用于弱引力问题，而“黑洞”问题属于强引力问题，经典力学不再适用。[探究归纳]经典力学与相对论、量子理论的比较1.区别狭义相对论经典力学适用于低速运动的物体；狭义相对论阐述物体在以接近光速运动时所遵循的规律量子力学经典力学适用于宏观世界；量子力学能够正确描述微观粒子的运动规律2.联系(1)当物体的运动速度远小于光速时，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别。(2)当另一个重要常数即“普朗克常量”可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别。(3)相对论和量子力学并没有否定经典力学，经典力学是二者在一定条件下的特殊情形。