2019-2020高中物理 第五章 经典力学与物理学的革命 1 经典力学的成就与局限性 2 经典时空

第五章经典力学与物理学革命第一节经典力学的成就与局限性第二节经典时空观与相对论时空观一、经典力学的成就和局限性1.经典力学的伟大成就:(1)经典力学把天上物体和地上物体的运动统一起来,从力学上证明了自然界的多样性的统一,实现了人类对自然界认识的第一次___________。(2)使人们认识到了以现象观察和_________为基础的自然科学理论的基本特征。理论大综合实验研究(3)建立了以_____和数学相结合的研究方法。(4)推动了其他学科的发展,与其他学科相结合产生了一些交叉性的分支学科。实验2.经典力学的局限性:(1)经典力学的应用受到物体_________的限制,当物体的运动速率接近于真空中的光速时,经典力学的许多观念将发生重大变化。(2)经典力学不适用于微观领域中_________和能量不连续的现象。运动速率物质结构二、经典时空观1.惯性系与非惯性系:(1)惯性系:凡是_________定律成立的参考系,相对于惯性系静止或做匀速直线运动的参考系都是惯性系。(2)非惯性系:_________定律不成立的参考系,相对于惯性系做变速运动的参考系是非惯性系。牛顿运动牛顿运动2.伽利略相对性原理:对于所有的惯性系,_____规律都是相同的,或者说,一切惯性系都是_______。3.经典时空观(绝对时空观):时间永远均匀地流逝,与任何外界_____;空间与任何外界事物_____,从不运动,永远不变。力学等效的无关无关4.经典时空观的几个具体结论:(1)_____的绝对性。(2)_________的绝对性。(3)_________的绝对性。(4)物体质量_________,即它不随观察者的_________而改变。同时时间间隔空间距离恒定不变相对运动【思考辨析】(1)牛顿运动定律适用于任何参考系。()(2)经典时空观认为时间间隔是绝对的。()(3)经典时空观认为物体的质量是绝对的。()提示:(1)×。牛顿运动定律只适用于惯性系,不适用于非惯性系。(2)√。经典时空观中,时间间隔是绝对的。(3)√。经典时空观中,物体的质量也被视为恒定不变的,与参考系的运动无关。三、相对论时空观1.光速不变与经典物理学的矛盾:观察和实验事实表明:无论光源和观察者如何运动,光速只能是c,这与经典力学的_________法则相矛盾。速度合成2.狭义相对论的两条基本假设:(1)相对性原理:在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是_______。(2)光速不变原理:不管在哪个惯性系中,测得的真空中的光速都_____。相同的相同3.相对论时空观:(1)“同时”的相对性:在一个参考系中同时发生的两个事件,在另一个参考系看来是_______的。(2)运动的时钟变慢:时钟相对于观察者_____时,走得快;相对于观察者_____时,走得慢。运动速度越快,效果越明显。不同时静止运动(3)运动的尺子缩短:物体相对于观察者_____时,它的长度测量值最大;相对于观察者_____时,观察者在_____方向上观测,它的长度要缩短,速度越快,缩的_____。(4)物体质量随速度的_____而增大。静止运动运动越短增加一经典力学与相对论的比较【典例】(2018·广州高一检测)下列描述不属于经典力学范围的是世纪金榜导学号86326098()A.开普勒对行星运动规律的描述B.伽利略对落体运动规律的描述C.牛顿对物体低速运动规律的描述D.爱因斯坦对粒子接近光速运动规律的描述【解析】选D。开普勒对行星运动规律的描述、伽利略对落体运动规律的描述以及牛顿对物体低速运动规律的描述,都属于宏观低速运动的情况,经典力学能适用。而爱因斯坦对粒子接近光速运动规律的描述中,粒子接近光速的运动,不能适用于经典力学;故D不属于经典力学范围,A、B、C属于经典力学范围【核心归纳】经典力学与相对论的区别与联系1.区别:比较项经典力学相对论形成时期物理学形成的初期阶段,受历史发展限制,理论较肤浅、片面形成于物理学充分发展的现代,理论较完善、科学比较项经典力学相对论适用范围低速运动、宏观世界,弱引力作用任何情况都适用速度对质量的影响物体的质量不随其速度的变化而变化物体的质量随其速度的增加而变大速度的合成时间与空间互不相干,关系式v船岸=v船水+v水岸成立速度与位移、时间的测量有关,v船岸=v船水+v水岸不成立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)相对论并没有否定经典力学,经典力学是相对论在一定条件下的特殊情形。【过关训练】1.(2018·中山高一检测)下列物体的运动不能用经典力学描述的是()A.子弹的飞行B.人造卫星的运行C.小汽车的行驶D.光子的运动【解析】选D。经典力学适用于低速宏观的物体,不适用于微观高速物体,故光子的运动不能用经典力学描述,子弹的飞行、人造卫星的运行、小汽车的行驶都能用经典力学描述。故选D。2.下列说法正确的是()A.在经典力学中,物体的质量不随运动状态而改变,在狭义相对论中,物体的质量也不随运动状态而改变B.狭义相对论和经典力学是完全不同相互矛盾的两个理论C.物体高速运动时,物体的运动服从狭义相对论,在低速运动时,物体的运动服从牛顿运动定律D.以上说法都是错误的【解析】选C。在经典力学中,物体的质量不随运动状态而改变,在狭义相对论中,物体的质量随物体运动速度的增大而增大,选项A错误;狭义相对论没有否定经典力学,经典力学是狭义相对论在一定条件下的特殊情形,选项B错误;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,选项C正确。【补偿训练】(多选)几世纪以来,人们发现了一些新的事实,而经典力学无法解释。经典力学只适用于解决物体的低速运动问题,不能用来处理高速运动问题;只适用于宏观物体,不适用于微观粒子。这说明()A.随着认识的发展,经典力学已成了过时的理论B.人们对客观事物的具体认识,在广度上是有局限性的C.不同领域的事物具有相同的本质与规律D.人们应当不断扩展认识,在更广阔的领域内掌握不同事物的本质与规律【解析】选B、D。人们对客观世界的认识,要受到他所处时代的客观条件和科学水平的制约,所以形成的看法也都具有一定的局限性,人们只有不断地扩展自己的认识,才能掌握更广阔领域内的不同事物的本质与规律;新的科学的诞生,并不意味着对原有科学的全盘否定。故A、C错,B、D对。二对相对论中“两个基本原理”和“相对论时空观”内容的理解【典例】(2018·茂名高一检测)下面的说法,不符合爱因斯坦的相对论的是世纪金榜导学号86326099()A.物体质量总是保持不变的B.运动的尺子缩短C.运动的时钟变慢D.“同时”是有相对性的【解析】选A。根据狭义相对论的基本结论,质量并不是独立的,而是与运动状态相关的,速度越大,质量越大,故A错误;根据狭义相对论的尺缩效应,在尺子长度方向上运动的尺子比静止的尺子短,当速度接近光速时,尺子缩成一个点,故B正确;根据狭义相对论,运动的钟比静止的钟走得慢,故C正确;根据狭义相对论可知,时间具有相对性,所以“同时”是有相对性的。故D正确。【核心归纳】1.两个基本原理:(1)相对性原理:所有物理规律在一切惯性参照系中都具有相同的形式,表明在任何惯性系中研究某个物体的某一运动过程,其运动规律的形式不变。(2)光速不变原理:在一切惯性参照系中,测量到的真空中的光速c都一样,表明了经典时空观与相对论时空观的不同;比较如下:经典时空观相对论时空观运动情况同一运动对不同参照系描述结果不同,即速度不同光在一切惯性参照系中传向各个方向的速度不变经典时空观相对论时空观时间与空间的关系时间均匀流逝,空间不变化,与运动情况及外部条件无关时间、空间都随运动情况而改变几个结论①同时的绝对性②时间间隔的绝对性③空间距离的绝对性④物体的质量恒定不变①同时的相对性②运动的时钟变慢③运动的尺子缩短④物体的质量随速度的增大而增大2.相对论时空观的内容:认为时间和空间是相互联系、相互影响的,并且与物质的存在及运动有关。(1)时间延缓效应:在相对于地面以速度v匀速运动的惯性系内,测得该惯性系中某一事件所经历的时间为Δt′,则在地面上测得该事件所经历的时间为:2ttv1c＝。－（）由于vc,所以ΔtΔt′。即用同样标准的钟,在静止参照系中测得的时间比在运动参照系中测得的时间长,好比是运动的钟走“慢”了。(2)长度收缩效应:一把尺子,在相对于它静止的参照系xOy中测得其长度为l(称为静止长度),如图所示。当该尺子相对另一惯性系x′O′y′(如地面)沿尺子长度方向以速度v运动时,在该惯性系x′O′y′(如地面)中测得尺子的长度为l′=2v1c－（）。l由于vc,所以l′l,说明在相对尺子运动的惯性系中测得的“运动长度”比在相对尺子静止的参照系中测得的“静止长度”短,即所谓的“长度收缩效应”。【特别提醒】(1)狭义相对论的正确性已被实验证实,所以以上结论是高速世界中必然发生的现象,是客观存在的事实。(2)人们之所以平常观察不到这些现象,是因为我们生活在低速运动的世界里。【过关训练】1.(2018·珠海高一检测)如图所示,沿平直铁路线有间距相等的三座铁塔A、B和C。假想有一列车沿AC方向以接近光速行驶,当铁塔B发出一个闪光,列车上的观测者测定A、C两塔被照亮的顺序是()A.同时被照亮B.A先被照亮C.C先被照亮D.无法判断【解析】选C。列车上的观察者看到的是由B出发后经过A和C反射的光,由于列车在这段时间内向C运动靠近C,而远离A,所以C的反射光先到达列车上的观察者,看到C先被照亮,故C正确。2.惯性系S中有一边长为l的正方形,从相对S系沿x方向以接近光速匀速飞行的飞行器上测得该正方形的图象是()【解析】选C。根据相对论的尺缩效应,可知沿速度方向(即x方向)的长度变短了,而垂直于速度方向(即y方向)的长度不变,故C正确。【补偿训练】在惯性系S中观察到有两个事件发生在某一地点,其时间间隔为4.0s。从另一惯性系S′观察到这两个事件发生的时间间隔为6.0s。问从S′系测量到这两个事件的空间间隔是多少?(设S′系以恒定速率相对S系沿xx′轴运动)【解析】由时间延缓,根据Δt′=得v=答案:1.34×109m2tv1()c5c3，2289xvtvtxvtvv1()1()cc5|x|vtc625310m1.3410m3。【拓展例题】考查内容:引力半径对引力的影响【典例示范】对于经典力学理论,下述说法中正确的是()A.由于相对论的提出,经典力学已经失去了它的意义B.经典力学在今天广泛应用,它的正确性无可怀疑,仍是普遍适用的C.经典力学在历史上起了巨大的作用,随着物理学的发展而逐渐过时,成为一种古老的理论D.经典力学在宏观低速运动中,引力不太大时适用【正确解答】选D。经典力学和其他任何理论一样,有其自身的局限性和适用范围,但对于低速宏观物体的运动,经典力学仍然适用,并仍将在它适用范围内大放异彩,所以D正确。