第6章 6.16.3

1、.6.1經(jīng)典力學(xué)的宏大成就和局限性6.2狹義相對論的根本原理6.3愛因斯坦心目中的宇宙學(xué)習(xí)目的 1.理解經(jīng)典力學(xué)的開展歷程和偉大成就.2.認(rèn)識經(jīng)典力學(xué)的局限性和適用范圍.3.初步理解微觀和高速世界中的奇妙現(xiàn)象.4.知道相對論、量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的關(guān)系一、經(jīng)典力學(xué)的宏大成就1經(jīng)典力學(xué)經(jīng)典力學(xué)通常叫牛頓力學(xué)，主要研究宏觀物體機(jī)械運(yùn)動的規(guī)律2經(jīng)典力學(xué)的宏大成就1把天體的運(yùn)動與地上物體的運(yùn)動統(tǒng)一起來2經(jīng)典力學(xué)和以經(jīng)典力學(xué)為根底開展起來的天體力學(xué)、材料力學(xué)和構(gòu)造力學(xué)等得到了廣泛的應(yīng)用3力學(xué)和熱力學(xué)的開展及其與消費(fèi)的結(jié)合引發(fā)了第一次工業(yè)革命4由牛頓力學(xué)定律導(dǎo)出的動量守恒定律、機(jī)械能守恒定律等是航空航天技術(shù)

2、的理論根底5相對論和量子力學(xué)的形成都受到經(jīng)典力學(xué)的影響二、經(jīng)典力學(xué)方法論的意義1兩種典型研究方法1伽利略：“自然數(shù)學(xué)化的方法，創(chuàng)始了將實(shí)驗(yàn)、邏輯數(shù)學(xué)相結(jié)合的方法2牛頓：歸納演繹法，大量運(yùn)用數(shù)學(xué)方法系統(tǒng)地整理物理學(xué)理論的方法其演繹的結(jié)果必須通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證2意義伽利略和牛頓的科學(xué)方法是經(jīng)典力學(xué)方法的典型，影響深遠(yuǎn)，并不斷得到開展和完善，逐漸成為一種傳統(tǒng)，甚至作為社會科學(xué)和哲學(xué)的方法論，意義很大三、經(jīng)典力學(xué)的局限性和適用范圍1經(jīng)典力學(xué)的局限性和適用范圍：對于宏觀、低速相對光速物體的運(yùn)動經(jīng)典力學(xué)仍然適用2經(jīng)典力學(xué)的局限性1經(jīng)典力學(xué)的應(yīng)用受到物體運(yùn)動速率的限制，當(dāng)物體運(yùn)動速率接近于真空中的光速時(shí)，經(jīng)典力學(xué)

3、的許多觀念將發(fā)生重大變化2經(jīng)典力學(xué)不適用于微觀領(lǐng)域中物質(zhì)構(gòu)造和能量不連續(xù)的現(xiàn)象四、經(jīng)典時(shí)空觀與相對論時(shí)空觀1經(jīng)典時(shí)空觀1經(jīng)典時(shí)空觀絕對時(shí)空觀：時(shí)間永遠(yuǎn)均勻地流逝，與任何外界無關(guān)；空間與任何外界事物無關(guān)，從不運(yùn)動，永遠(yuǎn)不變2慣性系與非慣性系：慣性系：但凡牛頓運(yùn)動定律成立的參考系，相對于慣性系靜止或做勻速直線運(yùn)動的參考系都是慣性系非慣性系：牛頓運(yùn)動定律不成立的參考系，相對于慣性系做變速運(yùn)動的參考系是非慣性系3伽利略相對性原理：對于所有的慣性系，力學(xué)規(guī)律都是一樣的，或者說，一切慣性系都是等價(jià)的4經(jīng)典時(shí)空觀的幾個(gè)詳細(xì)結(jié)論：同時(shí)的絕對性；時(shí)間間隔的絕對性；空間間隔 的絕對性；物體質(zhì)量恒定不變，即它們與參

4、考系的選擇或觀察者的運(yùn)動狀態(tài)無關(guān)2相對論時(shí)空觀1光速不變與經(jīng)典物理學(xué)的矛盾：觀察和實(shí)驗(yàn)事實(shí)說明：無論光源和觀察者如何運(yùn)動，光速只能是c，這與經(jīng)典力學(xué)的速度合成法那么相矛盾2狹義相對論的兩條根本假設(shè)：相對性原理：在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是一樣的光速不變原理：在一切慣性系中，光在真空中傳播的速度都等于c，跟光源的運(yùn)動無關(guān)3相對論時(shí)空觀同時(shí)的相對性：在一個(gè)參考系中同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，在另一個(gè)參考系看來是不同時(shí)的運(yùn)動的時(shí)鐘變慢：時(shí)鐘相對于觀察者靜止時(shí)，走得快；相對于觀察者運(yùn)動時(shí)，走得慢運(yùn)動速度越快，效果越明顯運(yùn)動的尺子縮短：一個(gè)物體相對于觀察者靜止時(shí)，它的長度測量值最大；相對于觀察者運(yùn)動時(shí)

5、，觀察者在運(yùn)動方向上觀測，它的長度要縮短，速度越快，縮得越短物體質(zhì)量隨速度的增加而增大即學(xué)即用1判斷以下說法的正誤1牛頓運(yùn)動定律適用于任何參考系×2經(jīng)典時(shí)空觀認(rèn)為時(shí)間是絕對的3經(jīng)典時(shí)空觀認(rèn)為物體的質(zhì)量是絕對的4不管是宏觀物體，還是微觀粒子，經(jīng)典力學(xué)和相對論都是適用的×2多項(xiàng)選擇以下服從經(jīng)典力學(xué)規(guī)律的是A自行車、汽車、火車、飛機(jī)等交通工具的運(yùn)動B發(fā)射導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船C物體運(yùn)動的速率接近于真空中的光速D能量的不連續(xù)現(xiàn)象答案AB解析經(jīng)典力學(xué)只適用于宏觀、低速運(yùn)動的物體，所以A、B正確，C錯(cuò)誤；能量的不連續(xù)現(xiàn)象不合適用經(jīng)典力學(xué)來解釋，所以選項(xiàng)D錯(cuò)誤.一、經(jīng)典力學(xué)與相對論的比

6、較導(dǎo)學(xué)探究如圖1甲，質(zhì)子束被加速到接近光速；如圖乙，中子星是質(zhì)量、密度非常大的星體請考慮：圖11經(jīng)典力學(xué)是否適用于質(zhì)子束的運(yùn)動規(guī)律？如何研究質(zhì)子束的運(yùn)動規(guī)律？2經(jīng)典力學(xué)是否適用于中子星的引力規(guī)律？如何研究中子星的引力規(guī)律？答案1質(zhì)子束的運(yùn)動屬于高速、微觀范疇，經(jīng)典力學(xué)不再適用，應(yīng)該應(yīng)用狹義相對論、量子力學(xué)進(jìn)展研究2中子星的引力屬于引力范疇，經(jīng)典力學(xué)不再適用，應(yīng)該應(yīng)用廣義相對論進(jìn)展研究知識深化1區(qū)別：比較項(xiàng)經(jīng)典力學(xué)相對論形成時(shí)期物理學(xué)形成的初期階段，受歷史開展限制，理論較淺薄、片面形成于物理學(xué)充分開展的現(xiàn)代，理論較完善、科學(xué)適用范圍低速運(yùn)動，宏觀世界，弱引力作用任何情況都適用速度對質(zhì)量的影響物體

7、的質(zhì)量不隨其速度的變化而變化物體的質(zhì)量隨其速度的增加而增大速度的合成時(shí)間與空間互不相干速度與位移、時(shí)間的測量有關(guān)2.聯(lián)絡(luò)：1當(dāng)物體的運(yùn)動速度遠(yuǎn)小于光速時(shí)，相對論物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別2相對論并沒有否認(rèn)經(jīng)典力學(xué)，經(jīng)典力學(xué)是相對論在一定條件下的特殊情形例1以下說法正確的選項(xiàng)是A在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量不隨運(yùn)動狀態(tài)而改變，在狹義相對論中，物體的質(zhì)量也不隨運(yùn)動狀態(tài)而改變B狹義相對論和經(jīng)典力學(xué)是完全不同、互相矛盾的兩個(gè)理論C物體高速運(yùn)動時(shí)，物體的運(yùn)動服從狹義相對論，在低速運(yùn)動時(shí)，物體的運(yùn)動服從牛頓運(yùn)動定律D以上說法都是錯(cuò)誤的答案C解析在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量不隨運(yùn)動狀態(tài)而改變，在狹義相對論中，

8、物體的質(zhì)量隨物體運(yùn)動速度的增大而增大，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；狹義相對論沒有否認(rèn)經(jīng)典力學(xué)，經(jīng)典力學(xué)是狹義相對論在一定條件下的特殊情形，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；經(jīng)典力學(xué)適用于低速運(yùn)動的物體，狹義相對論闡述物體在以接近光速運(yùn)動時(shí)所遵循的規(guī)律，選項(xiàng)C正確針對訓(xùn)練1多項(xiàng)選擇牛頓運(yùn)動定律能適用于以下哪些情形A研究原子中電子的運(yùn)動B研究“神舟五號飛船的高速發(fā)射C研究地球繞太陽的運(yùn)動D研究飛機(jī)從北京飛往紐約的航線答案BCD解析牛頓運(yùn)動定律只能用于“宏觀低速的情形，這里的“宏觀是相對于微觀粒子而言的這里的“低速是相對于光速而言的原子、電子等是微觀粒子，它們的運(yùn)動不服從牛頓運(yùn)動定律，A錯(cuò)誤；B、C、D選項(xiàng)中運(yùn)動雖然是“高速，但相對于光

9、速來說，卻是微缺乏道的，完全可以用牛頓運(yùn)動定律研究其規(guī)律，B、C、D正確二、相對論的理解導(dǎo)學(xué)探究地球繞太陽公轉(zhuǎn)的速度是3×104 m/s；如圖2所示，設(shè)在美國伊利諾伊州費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的圓形粒子加速器可以把電子加速到0.999 999 999 987倍光速的速度請考慮：圖21地球的公轉(zhuǎn)速度在狹義相對論中屬于低速還是高速？被加速器加速后的電子的速度呢？2加速后電子的質(zhì)量比電子的靜止質(zhì)量增大了還是減小了？答案1狹義相對論的高速是可以與光速相比較的速度，所以地球的公轉(zhuǎn)速度屬于低速，被加速器加速后的電子的速度屬于高速2物體的質(zhì)量隨速度的增大而增大，所以加速后電子的質(zhì)量比電子的靜止質(zhì)量增大了知識深化

10、1兩個(gè)根本原理1相對性原理：所有物理規(guī)律在一切慣性參考系中都具有一樣的形式，說明在任何慣性系中研究某個(gè)物體的某一運(yùn)動過程，其運(yùn)動規(guī)律形式不變2光速不變原理：在一切慣性參考系中，測量到的真空中的光速c都一樣，說明了經(jīng)典時(shí)空觀與相對論時(shí)空觀的不同；比較如下：經(jīng)典時(shí)空觀相對論時(shí)空觀運(yùn)動情況同一運(yùn)動對不同參考系描繪結(jié)果不同，即速度不同光在一切慣性參考系中傳向各個(gè)方向的速度不變時(shí)間與空間的關(guān)系時(shí)間均勻流逝，空間不變化，與運(yùn)動情況及外部條件無關(guān)時(shí)間、空間都隨運(yùn)動情況而改變幾個(gè)結(jié)論同時(shí)的絕對性時(shí)間間隔的絕對性空間間隔 的絕對性物體的質(zhì)量恒定不變同時(shí)的相對性運(yùn)動的時(shí)鐘變慢運(yùn)動的尺子縮短物體的質(zhì)量隨速度的增加而

11、增大2.相對論時(shí)空觀的內(nèi)容認(rèn)為時(shí)間和空間是互相聯(lián)絡(luò)、互相影響的，并且與物質(zhì)的存在及運(yùn)動有關(guān)1長度收縮效應(yīng)：一把尺子，在相對于它靜止的參考系xOy中測得其長度為l稱為靜止長度，如圖3所示當(dāng)該尺子相對另一參考系xOy如地面沿尺子長度方向以速度v運(yùn)動時(shí)，在該參考系xOy如地面中測得尺子長度為ll.圖3由于v<c，所以l<l，說明在相對尺子運(yùn)動的參考系中測得的“運(yùn)動長度比在相對尺子靜止的參考系中測得的“靜止長度短，即所謂的“長度收縮效應(yīng)當(dāng)速度vc時(shí)，ll，這就回到了經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論空間的尺度與物體的運(yùn)動狀態(tài)無關(guān)2時(shí)間延緩效應(yīng)：在相對于地面以速度v勻速運(yùn)動的參考系內(nèi)，測得該參考系中某一事件所

12、經(jīng)歷的時(shí)間為t，那么在地面上測得該事件所經(jīng)歷的時(shí)間為：t.由于v<c，所以t>t.即用同樣標(biāo)準(zhǔn)的鐘，在靜止參考系中測得的時(shí)間比在運(yùn)動參考系中測得的時(shí)間長，好比是運(yùn)動的鐘走“慢了當(dāng)速度vc時(shí)，tt，這就回到了經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論時(shí)間與物體的運(yùn)動狀態(tài)無關(guān)例2半人馬星座星是間隔 太陽系最近的恒星，它距地球?yàn)?.3×1016 m設(shè)有一宇宙飛船自地球往返于半人馬星座星之間假設(shè)宇宙飛船的速度為0.999c，按地球上的時(shí)鐘計(jì)算，飛船往返一次需多長時(shí)間？如以飛船上的時(shí)鐘計(jì)算，往返一次的時(shí)間又為多長？答案9年0.4年解析以地球上的時(shí)鐘計(jì)算：t s2.87×108 s9年假設(shè)以飛船上的

13、時(shí)鐘計(jì)算原時(shí)，因?yàn)閠所以得tt2.87×108× s1.28×107 s0.4年針對訓(xùn)練2如圖4所示，有三個(gè)完全一樣的時(shí)鐘，時(shí)鐘A放在地面上，時(shí)鐘B、C分別放在兩個(gè)火箭上，兩個(gè)火箭分別以速度vB和vC朝同一方向飛行，vB<vC.對于地面上的觀察者來說，以下說法中正確的選項(xiàng)是圖4A時(shí)鐘A走得最慢 B時(shí)鐘B走得最慢C時(shí)鐘C走得最慢 D時(shí)鐘C走得最快答案C解析根據(jù)相對論的時(shí)空觀，運(yùn)動的時(shí)鐘變慢，其本質(zhì)是指在相對論中每位觀察者都有自身的時(shí)間測度，即假如一時(shí)鐘在天空高速奔馳，對靜止不動的觀察者來說似乎時(shí)鐘的時(shí)間走得慢了時(shí)鐘奔馳得越快，時(shí)鐘的時(shí)間走得越慢1經(jīng)典力學(xué)的成就

14、和局限性多項(xiàng)選擇20世紀(jì)以來，人們發(fā)現(xiàn)了一些新的事實(shí)，而經(jīng)典力學(xué)卻無法解釋經(jīng)典力學(xué)只適用于解決物體的低速運(yùn)動問題，不能用來處理高速運(yùn)動問題；只適用于宏觀物體，一般不適用于微觀粒子，以下說法正確的選項(xiàng)是A隨著認(rèn)識的開展，經(jīng)典力學(xué)已成了過時(shí)的理論B人們對客觀事物的詳細(xì)認(rèn)識在廣度上是有局限性的C不同領(lǐng)域的事物各有其本質(zhì)與規(guī)律D人們應(yīng)當(dāng)不斷拓展認(rèn)識，在更廣闊的領(lǐng)域內(nèi)掌握不同事物的本質(zhì)與規(guī)律答案BCD解析人們對客觀世界的認(rèn)識要受到所處的時(shí)代的客觀條件和科學(xué)程度的制約，所以形成的看法也都具有一定的局限性，人們只有不斷拓展自己的認(rèn)識，才能掌握更廣闊領(lǐng)域內(nèi)的不同事物的本質(zhì)與規(guī)律；新的科學(xué)的誕生并不意味著對原來

15、科學(xué)的全盤否認(rèn)，只能認(rèn)為過去的科學(xué)是新的科學(xué)在一定條件下的特殊情形2經(jīng)典時(shí)空觀多項(xiàng)選擇以下說法中哪些屬于經(jīng)典時(shí)空觀的觀點(diǎn)A世界的過去、如今和將來都只有量的變化，而不會發(fā)生質(zhì)的變化B時(shí)間和空間不依賴人們的意識而存在C時(shí)間和空間是絕對的D時(shí)間和空間是嚴(yán)密聯(lián)絡(luò)、不可分割的答案ABC解析經(jīng)典時(shí)空觀認(rèn)為時(shí)間和空間都是與外界事物無關(guān)的、絕對的，選項(xiàng)A、B、C屬于經(jīng)典時(shí)空觀；選項(xiàng)D屬于相對論時(shí)空觀3相對論效應(yīng)的理解如圖5所示，沿平直鐵道路有間距相等的三座鐵塔A、B和C.假想有一列車沿AC方向以接近光速行駛，當(dāng)鐵塔B發(fā)出一個(gè)閃光，列車上的觀察者測得A、C兩鐵塔被照亮的順序是圖5A同時(shí)被照亮 BA先被照亮CC先

16、被照亮 D無法判斷答案C解析列車上的觀察者看到的是由B發(fā)出后經(jīng)過A和C反射的光，由于列車在這段時(shí)間內(nèi)向C運(yùn)動，靠近C而遠(yuǎn)離A，所以C的反射光先到達(dá)列車上的觀察者，觀察者看到C先被照亮，故只有C正確4狹義相對論的應(yīng)用如圖6所示，強(qiáng)強(qiáng)乘坐速度為0.9cc為光速的宇宙飛船追趕正前方的壯壯，壯壯的飛行速度為0.5c，強(qiáng)強(qiáng)向壯壯發(fā)出一束光進(jìn)展聯(lián)絡(luò)，那么壯壯觀測到該光束的傳播速度為圖6A0.4c B0.5cC0.9c Dc答案D解析由狹義相對論的光速不變原理知，真空中的光速在不同的慣性參考系中都是一樣的，可知D正確，A、B、C錯(cuò)誤一、選擇題考點(diǎn)一經(jīng)典力學(xué)的認(rèn)識1經(jīng)典力學(xué)不能適用于以下哪些運(yùn)動A火箭的發(fā)射B

17、宇宙飛船繞地球的運(yùn)動C“勇氣號宇宙探測器的運(yùn)動D以99%倍光速運(yùn)行的電子束答案D解析經(jīng)典力學(xué)在低速運(yùn)動的廣闊領(lǐng)域包括天體力學(xué)的研究中，經(jīng)受了理論的檢驗(yàn)，獲得了宏大的成就，但在高速領(lǐng)域不再適用，應(yīng)選項(xiàng)A、B、C適用，D不適用2多項(xiàng)選擇以下說法正確的選項(xiàng)是A牛頓運(yùn)動定律只適用于相對靜止的參考系B在任何慣性系中，物體的加速度都具有不變性C按照經(jīng)典時(shí)空理論，物體的長度、質(zhì)量和運(yùn)動時(shí)間都與參考系的運(yùn)動無關(guān)D伽利略相對性原理說明，在慣性運(yùn)動的范圍內(nèi)不存在絕對空間和絕對運(yùn)動答案BCD3多項(xiàng)選擇以下說法正確的選項(xiàng)是A經(jīng)典力學(xué)理論普遍適用，大到天體，小到微觀粒子均適用 老師范讀的是閱讀教學(xué)中不可缺少的部分，我常

18、采用范讀，讓幼兒學(xué)習(xí)、模擬。如領(lǐng)讀，我讀一句，讓幼兒讀一句，邊讀邊記；第二通讀，我大聲讀，我大聲讀，幼兒小聲讀，邊學(xué)邊仿；第三賞讀，我借用錄好配朗讀磁帶，一邊放錄音，一邊幼兒反復(fù)傾聽，在反復(fù)傾聽中體驗(yàn)、品味。B經(jīng)典力學(xué)理論的成立具有一定的局限性“師之概念，大體是從先秦時(shí)期的“師長、師傅、先生而來。其中“師傅更早那么意指春秋時(shí)國君的老師。?說文解字?中有注曰：“師教人以道者之稱也。“師之含義，如今泛指從事教育工作或是傳授知識技術(shù)也或是某方面有特長值得學(xué)習(xí)者。“老師的原意并非由“老而形容“師。“老在舊語義中也是一種尊稱，隱喻年長且學(xué)識淵博者。“老“師連用最初見于?史記?，有“荀卿最為老師之說法。漸

19、漸“老師之說也不再有年齡的限制，老少皆可適用。只是司馬遷筆下的“老師當(dāng)然不是今日意義上的“老師，其只是“老和“師的復(fù)合構(gòu)詞，所表達(dá)的含義多指對知識淵博者的一種尊稱，雖能從其身上學(xué)以“道，但其不一定是知識的傳播者。今天看來，“老師的必要條件不光是擁有知識，更重于傳播知識。C在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量不隨運(yùn)動狀態(tài)改變而改變D相對論和量子力學(xué)否認(rèn)了經(jīng)典力學(xué)理論答案BC與當(dāng)今“老師一稱最接近的“老師概念，最早也要追溯至宋元時(shí)期。金代元好問?示侄孫伯安?詩云：“伯安入小學(xué)，穎悟非凡貌，屬句有夙性，說字驚老師。于是看，宋元時(shí)期小學(xué)老師被稱為“老師有案可稽。清代稱主考官也為“老師，而一般學(xué)堂里的先生那么稱為“老師或“教習(xí)?？梢?，“老師一說是比較晚的事了。如今體會，“老師的含義比之“老師一說，具有資歷和學(xué)識程度上較低一些的差異。辛亥革命后，老師與其他官員一樣依法令任命，故又稱“老師為“教員。解析經(jīng)典力學(xué)理論只適用于宏觀、低速運(yùn)動的物體，A錯(cuò)誤，B正確在經(jīng)典力學(xué)中，物體的速度vc，所以物體的質(zhì)量不隨運(yùn)動狀態(tài)改變而改變，但相對論和量子力學(xué)并不否認(rèn)經(jīng)典