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1、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,1_在伽利略、笛卡儿、开普勒、惠更斯等人 研究的基础上，采用归纳与演绎、综合与分析的方法，建立了,一套完整的经典力学体系,牛顿,低速,微观,2经典力学的应用受到物体运动速率的限制，它只适用于 处理_运动的物体，并且不适用于_领域中的物 质结构和能量不连续的现象,3凡是牛顿运动定律成立的参考系就称为_， 简称_；而牛顿运动定律不成立的参考系称为 _对于所有惯性系，力学规律都是相同的， 或者说，一切惯性系都是_,4相对论时空观的两个基本假设：第一是_， 第二是_相对论的四条重要结论是：,(1)“同时”的
2、_； (2)运动的时钟_； (3)运动的尺子_；,(4)物体质量随速度的增加而_,惯性参考系,惯性系,非惯性系,等效的,相对性原理,光速不变原理,相对性,变慢,缩短,增大,5牛顿运动定律不适用于下列哪种情形(,),A,A研究原子中电子的运动 B研究“神舟”九号飞船的发射 C研究地球绕太阳的运动 D研究飞机从北京飞往广州的运动 解析：经典力学适用于宏观、低速领域，故 B、C、D 都适 用，而研究微观世界的粒子电子的运动，经典力学不再适 用,知识点 1,经典力学的成就与局限性,艾萨克牛顿爵士是人类历史上出现过的最伟大、最有影响 的科学家之一，同时也是物理学家、数学家和哲 学家，晚年醉心于炼金术和神
3、学他在 1687 年7 月 5 日发表的不朽著作自然哲学的数学原理 里用数学方法阐明了宇宙中最基本的法则万 有引力定律和三大运动定律这四条定律构成了 图 511,一个统一的体系，被认为是“人类智慧史上最伟大的一个成 就”，由此奠定了之后三个世纪中物理界的科学观点，并成为 现代工程学的基础,经典力学的基本定律是牛顿运动定律或与牛顿定律有关且 等价的其他力学原理，它是 20 世纪以前的力学，有两个基本假 定：其一是假定时间和空间是绝对的，长度和时间间隔的测量 与观察者的运动无关，物质间相互作用的传递是瞬时到达的； 其二是一切可测量的物理量在原则上可以无限精确地加以测 定,1经典力学的发展历程： (
4、1)伽利略之前：,人们对力学现象的研究大多直接反映在技术之中或融合在 哲学之内，物理学就整体而言还没有成为独立的学科，在这个 阶段作出突出贡献的是阿基米德,(2)从伽利略到牛顿：,这一阶段是经典力学从基本定律到建成理论体系的阶段,为经典力学打下基础的物理学家有：,伽利略：发现了惯性定律、自由落体定律和力学相对性,原理，奠定了动力学的基础,笛卡儿：在伽利略研究的基础上，第一次比较完整地表 述了惯性定律，并强调了伽利略没有明确表述的惯性运动的直 线性,惠更斯：全面细致地解决了完全弹性碰撞问题 开普勒：发现了行星运动定律,牛顿：在前人研究的基础上，采用归纳与演绎、 综合与 分析的方法，总结出一套普遍
5、适用的力学运动规律牛顿运 动定律和万有引力定律，建立了完整的经典力学(也称牛顿力学 或古典力学)体系，物理学从此成为一门成熟的自然科学,(3)牛顿之后：,这一阶段主要是后人对经典力学的表述形式和应用对象进,行了拓展和完善,19 世纪，经典力学的发展表现为一些科学家在不改变实 质的条件下，用新的、更简洁的形式重新表述牛顿运动定律， 形成了分析力学,经典力学由单个质点推广到多个质点所构成的系统，首 先建立了刚体力学，随后又出现了弹性力学、塑性力学、流体 力学等,2经典力学的伟大成就：,(1)经典力学把天上的物体和地上的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
6、识的第一次理论大综合,(2)在研究方法上，人们把经典力学中行之有效的实验和数 学相结合的方法推广到物理学的各个分支学科上，相继建立了 热学、声学、光学、电磁学等，从而形成了完整的经典物理学 体系,(3)经典力学与其他基础学科相结合产生了一些交叉性的 分支学科，最早的是与天文学结合产生的天体力学，成为现代 航空航天技术的理论基础，没有经典力学也就没有今天的空间 科学,(4)20 世纪以来，出现了更多的与经典力学相结合的交叉学,科,3经典力学的局限性和适用范围： (1)局限性：,经典力学的应用受到物体运动速率的限制，当物体的速,率接近光速时经典力学不再适用当物体运动的速率接近于真 空中的光速时，经
7、典力学的许多观念将发生重大变化 牛顿运动定律不适用于微观领域中物质结构和能量不连 续的现象.19 世纪和 20 世纪之交，物理学的三大发现，即 X 射 线的发现、电子的发现和放射性的发现，使物理学的研究由宏 观领域进入微观领域，特别是 20 世纪初，量子力学的建立，出 现了与经典力学不同的新观念,(2)适用范围：,经典力学只适用于低速运动的宏观物体,【例 1】20 世纪以来，人们发现了一些新的事实，而经典 力学却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，一般不适用,于微观粒子，下列说法不正确的是(,),A随着认识的发展，经典力学已成了过时的理
8、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不同领域的事物各有其本质与规律 D人们应当不断地扩展认识，在更广阔的领域内掌握不 同事物的本质与规律,解析：人们对客观世界的认识要受到所处时代的客观条件 和科学水平的制约，所形成的看法也都具有一定的局限性，人 们只有不断扩展自己的认识，才能掌握更广阔领域的不同事物 的本质与规律；新的科学的诞生并不意味着对原来科学的全盘 否定，只能认为过去的科学是新的科学在一定条件下的特殊情 形,答案：A,【触类旁通】,1下列说法中正确的是(,),B,A牛顿运动定律就是经典力学 B经典力学的基础是牛顿运动定律 C牛顿运动定律可以解决自然界中的所有问题 D经典
9、力学可以解决自然界中的所有问题 解析：经典力学包括的内容分为力、热、电、光、原子五 大部分，经典力学是以牛顿定律为基础的,知识点 2,经典时空观与相对论时空观,阿尔伯特爱因斯坦(Albert Einstein)，美籍德国犹太裔，世 界十大杰出物理学家之一，现代物理学的开创者、集大成者和 奠基人 相对论是关于时空和引力的基本理论，主 要由阿尔伯特爱因斯坦创立，依据研究的对,象不同分为狭义相对论和广义相对论相对,论和量子力学的提出给物理学带来了革命性的变化，共同奠定 了近代物理学的基础,图 512,相对论(Relativity)的基本假设是相对性原理，即物理定律与 参照系的选择无关狭义相对论(Sp
10、ecial Relativity)和广义相对 论(General Relativity)的区别是，前者讨论的是匀速直线运动的 参照系(惯性参照系)之间的物理定律，后者则推广到具有加速 度的参照系(非惯性系)中，并在等效原理的假设下，广泛应用 于引力场中相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱 作为经典物理学基础的经典力学，不适用于高速运动的物体和 微观领域相对论解决了高速运动问题；量子力学解决了微观 亚原子条件下的问题相对论颠覆了人类对宇宙和自然的“常 识性”观念，提出了“时间和空间的相对性”、“四维时空”、 “弯曲空间”等全新的概念狭义相对论于 1905 年提出，广义 相对论于 1915
11、年提出,1经典时空观：,(1)惯性系与非惯性系：,牛顿运动定律成立的参考系，称为惯性参考系，简称惯性 系；牛顿运动定律不成立的参考系，称为非惯性系,(2)伽利略的相对性原理：,对于所有的惯性系，力学规律是相同的，或者说一切惯性,系都是等效的,(3)经典力学的时空观：,绝对的真实的数学时间，就其本质而言，是永远均匀地 流逝的，与任何外界无关绝对空间就其本质而言是与任何外 界事物无关的，它从不运动，并且永远不变这就是经典力学 的时空观，也称为绝对时空观,几个具体结论： a同时的绝对性,b时间间隔的绝对性 c空间距离的绝对性,空间是绝对静止不动的(即绝对空间)，时间是绝对均匀变 化的(即绝对时间)，
12、空间和时间跟任何外界物质的存在及其运 动情况无关空间和时间也是彼此独立的,2相对论时空观：,(1)狭义相对论的两个基本假设：,相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都,相同,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,这是爱因斯坦在前人的实验基础上提出的假设，这两个假,设就是狭义相对论的基础 (2)狭义相对论的几个结论： “同时”的相对性：,在一个惯性系中同时发生的两个事件，在另一个惯性系中,看来可能是不同时的，即“同时”是相对的,运动的时钟变慢：,时钟相对于观察者运动时，观察者会看到它变慢了，运动 速度越快，效果越明显在运动参考系中的时间节奏变缓慢了， 一切物理过程
13、、化学过程均变慢了,运动的尺子缩短：,一根沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长 度小，而在垂直于运动的方向上，杆的长度没有变化,物体质量随速度的增大而增大：,物体运动时的质量比静止时的质量大，且速度越大，质量,越大，当速度接近光速时，质量趋于无穷大,【例 2】属于狭义相对论基本假设的是：在不同的惯性系,中(,),A真空中的光速不变 B时间间隔具有相对性 C物体的质量不变 D物体的能量与质量成正比 解析：狭义相对论的基本假设有：(1)相对性原理：对于任 何惯性参考系，物理规律都是等价的；(2)光速不变原理：对任 一惯性参考系，真空中的光速都相等所以只有 A 项正确 答案：A,【触类旁通
14、】 2在日常生活中，我们并没有发现物体的质量随着物体运,动速度的变化而变化，其原因是(,),B,A运动中的物体无法称量质量 B物体的速度远小于光速，质量变化极小 C物体的质量太小 D物体的质量不随速度的变化而变化 解析：日常生活中的物体的速度都很小，远远小于光速， 所以质量变化很小，故 B 选项正确,忽略了经典力学与相对论的适用范围 经典力学的适用范围是宏观低速的物体；相对论的适用范 围是高速运动的物体，这个速度接近光速 【例 3】关于时间、长度和质量的测量，下列说法正确的,是(,),A时间均匀流逝，物体的长度一定，它们与参考系的速 度无关 B物体的质量是物体的固有属性，无论在哪一个参考系 中
15、测量都是一样的,C物体的速度越小，质量就越大,D无论是时间、长度，还是质量，其测量都与所选的参,考系的速度有关,错因：忽略了经典力学和相对论的适用范围，无法判断物,理量在各惯性系中的变化情况,正解：只有在参考系的速度与光速相接近时，相对论效应 才明显当物体的速度远小于光速时，尽管速度增加，但物体 的长度、质量以及其他变化过程所经历的时间都可以看成是不 变的,答案：D,【触类旁通】,3对时间、空间的理解，下列说法正确的是(,),C,A时间均匀流逝，与外界无关 B空间从不运动，永远不变，与外界任何事物都无关 C一个事件的发生所用的时间，在不同参考系里测量可 能不一样 D空间与时间彼此独立、互不关联 解析：经典力学认为空间与时间彼此独立、互不关联，这 就是牛顿的绝对时空观当参考系的速度达到可以和光速相比 时，时间、空间和物质的运动密切关联，这就是相对论时空观 A、B、D 显然是绝对时空观的观点，C 是相对论时空观的观点,
