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1、 1【课题课题】经典力学的局限性经典力学的局限性 【学习目标学习目标】1知道牛顿运动定律的适用范围2了解经典力学在科学研究和生产技术中的广泛应用 【自主导学自主导学】 结合下列问题阅读教材结合下列问题阅读教材: 1、质量是否与速度有关系? 2、速度叠加原理是否成立? 3、微观粒子的行为与宏观物体是否遵循相同的规律? 4、时间和空间是否是绝对一成不变的? 5、强引力作用下出现的问题 ? 6、牛顿建立的经典力学的适用范围？爱因斯坦提出的相对论是否全盘否定了牛顿的经典力 学理论? 7、牛顿的科学方法。 总结归纳总结归纳: 1. 物体的质量与运动速度有关物体的质量与运动速度有关在经典力学中，物体的质量
2、是不随运动状态改变的。但是，按照 20 世纪初著名物理学家 爱因斯坦建立的狭义相对论，质量要随物体运动速度的增大而增大。 物体的质量与运动速度的关系是_ (式中 m0是_时的质量，m 是_时的质量，c 是真空中的 光速 。) 可见，当 vc 时，mm0；当 v 趋近于 c 时，m 趋近于无穷大。因此，当物体的速度远 小于真空中的光速时，经典力学完全适用；当物体的速度接近光速时，经典力学就不适用 了。 2.经典力学中速度叠加原理不再成立经典力学中速度叠加原理不再成立设河流中的水相对于河岸的速度为 V 水岸 船相对于水的速度为 V 船水 则在经典力学中，船相对于岸的速度为 （矢量和） 这似乎是天经
3、地义的。但是，这个关系式涉及两个不同的惯性参考系，而速度总是与位移 （空间长度）及时间间隔的测量相联系。相对论认为，同一过程的位移和时间的测量在不 同参考系中是不同的，因而上式不能成立。 3.两种不同的时空观两种不同的时空观本节教材在“科学漫步”栏目时间和空间是什么？一文中提到了两种不同的时空观。牛顿认为牛顿认为：空间是独立于物体及其运动而存在的，时间也是独立于物体及其运动而存 在的，这是一种经典时空观。 爱因斯坦则认为爱因斯坦则认为：在研究物体的高速运动（速度接近真空中的光速）时，物体的长度即物 体占有的空间，以及物理过程、化学过程，甚至还有生命过程的持续时间，都与它们的运 动状态有关，空间
4、与时间不再与物体及其运动无关而独立存在。这是一种崭新的时空观。 4.经典力学难以解释微观粒子的运动经典力学难以解释微观粒子的运动科学家们发现，电子、质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性，同时还具有波动性， 它们的运动在很多情况下不能用经典力学来说明。20 世纪 20 年代量子力学的出现，才很 好地揭示了微观世界的基本规律。 5.强引力作用下出现的问题强引力作用下出现的问题牛顿的万有引力定律取得了巨大的成就，但在一些问题上也遇到了困难。例如：水 星的公转轨道在不断旋进，其实际观察值要比经典力学的预言值多。1915 年，爱因斯坦创 立的广义相对论对此则能作出很好的解释，同时还预言光线经过大质量星体附
5、近时会发生 偏转，且已被观测证实。另外，根据牛顿的理论，当天体被压缩成半径几乎为 0 的一个点时，引力趋于无穷大；水岸船水船岸vvv2而爱因斯坦的理论则认为，引力趋于无穷大发生在半径接近一个“引力半径”的时候，这个 引力半径的值由天体的质量决定。当天体的实际半径接近引力半径时，由爱因斯坦和牛顿 引力理论计算出的力的差异急剧增大，在强引力情况下牛顿引力理论不再适用。 6.经典力学的适用范围经典力学的适用范围 经典力学有它的适用范围：只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界， 不适用于微观世界；只适用于弱引力情况，不适用于强引力情况。 对于高速运动（速度接近真空中的光速） ，需要应用爱
6、因斯坦的相对论。当物体的运动速度 远小于真空中的光速时，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别。 对于微观世界，需要应用量子力学。当普朗克常数可以忽略不计时，量子力学和经典力学 的结论没有区别。 对于强引力情况，需要应用爱因斯坦引力理论。当天体的实际半径远大于它们的引力半径 时，爱因斯坦引力理论和牛顿引力理论计算出的力的差异并不很大。 7.牛顿的科学方法牛顿的科学方法本节教材在“科学足迹”栏目牛顿的科学生涯一文中总结了牛顿的科学方法，这 些科学方法值得我们借鉴： 重视实验重视实验：重视实验，从归纳入手，这是牛顿科学方法论的基础。 逻辑推论逻辑推论：为了归纳成功，不仅需要大量可靠资料与广博的知识
7、，而且要有清晰的逻辑头 脑。 数学归纳数学归纳：事物之间的本质联系只有通过数学才能归纳为能够测量、应用和检验的公式和 定律。 例题解析例题解析 例例 1 1 以牛顿运动定律为基础的经典力学的适用范围是什么？解析解析 经典力学只适用于解决低速运动物体，不能用来处理高速运动物体；经典力学只 适用于宏观物体，一般不适用于微观粒子；经典力学只适用于解决弱引力问题，不能用来 处理强引力问题。 例例 2 2 怎样看待经典力学和相对论、量子力学的关系？ 解析解析 相对论和量子力学的出现，说明人类对自然界的认识更加广泛和深入，而不表示经 典力学失去了意义。它只是使人们认识到经典力学有它的适用范围。当物体的运动
8、速度远 小于光速 c(3108m/s）时，相对论物理学和经典物理学的结论没有区别；当另一个重要 常数即“普朗克常数”h（6.6310-34Js）可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论 没有区别。相对论和量子力学都没有否定过去的科学，而只认为过去的科学是自己在一定 条件下的特殊情形。 例例 3 3 一个静止质量 mo=1kg 的物体，与地球一起绕太阳公转的速度是 v=30km/s，在相应的惯 性系的观测者测得物体的质量为多大？解析解析 根据狭义相对论中质量与运动速度的关系得：拓展：拓展： 在物体的速度 v=30km/s 时，仍可以认为是低速运动，其质量仍认为是静止质量。 【夯实基础夯实基础】
9、1.以下说法正确的是（ ） A.经典力学理论普遍适用，大到天体，小到微观粒子均适用 B.经典力学理论的成立具有一定的局限性 C.在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变 D.相对论与量子力学否定了经典力学理论 2.20 世纪初，著名物理学家爱因斯坦提出了 ，改变了经典力学的一些结论。 在经典力学中，物体的质量是 的，而相对论指出质量随着速度变化而 。 3.经典力学只适用于解决 问题，不能用来处理 问题，经典 力学只适用于 物体，一般不适用于 。 4. 与 都没有否定过去的科学，而认为过去的科学是自己在一 定条件下的特殊情形。35.一条河流中的水以相对于河岸的速度 v水岸流动，河中的船以相对于
10、水的速度 v船水顺流而 下。在经典力学中，船相对于岸的速度为 v船岸 。【知能提升知能提升】 1.下列说法中正确的是（ ） A经典力学适用于任何情况下的任何物体 B狭义相对论否定了经典力学 C量子力学能够描述微观粒子运动的规律性 D万有引力定律也适用于强相互作用力 2.经典力学不能适用下列哪些运动（ ） A火箭的发射 B宇宙飞船绕地球的运动 C“勇气号”宇宙探测器 D微观粒子的波动性 3.对于下列说法正确的是（ ） A经典力学的质量是不变的 B经典力学的时间和空间是独立于物体运动的 C万有引力定律适用于强作用力 D物体的速度可以是任意值 4.下列说法正确的是（ ） A微观粒子的运动速度超过光速
11、，因此经典力学不适用 B微观粒子的质量是不确定的，因此经典力学不适用 C微观粒子具有波粒二象性，因此经典力学不适用 D量子力学仅适用于微观粒子的运动 5.经典力学只适用于“宏观世界”，这里的“宏观世界”是指（ ） A行星、恒星、星系等巨大的物质领域 B地球表面上的物质世界 C人眼能看到的物质世界 D不涉及分子、原子、电子等微观粒子的物质世界 6.关于经典力学和量子力学，下面说法中正确的是（ ） A不论是对宏观物体，还是微观粒子，经典力学和量子力学都是适用的 B量子力学适用于宏观物体的运动；经典力学适用于微观粒子的运动 C经典力学适用于宏观物体的运动；量子力学适用于微观粒子的运动 D上述说法都是
12、错误的 7.日常生活我们并没发现物体的质量随物体的运动的速度变化而变化，其原因是（ ） A运动中物体无法称量质量 B物体的速度远小于光速，质量变化极小 C物体的质量太大 D物体的质量不随速度的变化而变化 8.以下说法正确的是（ ） A经典力学理论普遍适用，大到天体，小到微观粒子均适用 B经典力学理论的成立具有一定的局限性 C在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变 D相对论与量子力学否定了经典力学理论 9.如果真空中的光速为 c3108m/s，当一个物体的运动速度为 v12.4108 m/s 时， 质量为 3kg，当它的速度为 v21.8108m/s 时，质量为多少？4参考答案：参考答案：【
13、问题思考问题思考】经典力学在科学研究和生产技术中有广泛的应用经典力学与天 文学相结合建立了天体力学；经典力学和工程实际相结合，建立了应用力学， 如水利学，材料力学、结构力学等从地面上各种物体的运动到天体的运动： 从大气的流动到地壳的变动：从拦柯筑坝、修建桥梁到设计各种机械；从自行 车到汽车、火车、飞机等现代交通工具的运动，从投出篮球到发射导弹、卫星、 宇宙飞船等等，所有这些都服从经典力学规律【夯实基础夯实基础】1. BC 2. 狭义相对论 固定不变 变化3. 低速运动 高速运动 宏观 微观粒子4. 狭义相对论 量子力学 5. v船水船水+ v水岸水岸【知能提升知能提升】 1.C 2.D 3.AB 4.C 5.D 6.C 7.B 8.BC 9. 0.8c
