2024-2025學(xué)年高中物理第4章經(jīng)典力學(xué)與物理學(xué)的革命第1節(jié)經(jīng)典力學(xué)的成就與局限性第2節(jié)經(jīng)典時(shí)空觀與相對(duì)論時(shí)空觀學(xué)案含解析粵教版必修2

PAGE8-經(jīng)典力學(xué)的成就與局限性其次節(jié)經(jīng)典時(shí)空觀與相對(duì)論時(shí)空觀學(xué)習(xí)目標(biāo)知識(shí)脈絡(luò)1.了解經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展歷程及其對(duì)自然科學(xué)、社會(huì)發(fā)展的影響.2.相識(shí)經(jīng)典力學(xué)的局限性和適用范圍.3.了解經(jīng)典時(shí)空觀及其基本推論.4.了解狹義相對(duì)論的理論基礎(chǔ)和相對(duì)論時(shí)空觀的幾個(gè)推論．(重點(diǎn)、難點(diǎn))一、經(jīng)典力學(xué)與相對(duì)論1．經(jīng)典力學(xué)的成就和局限性(1)發(fā)展歷程①17世紀(jì)，伽利略發(fā)展了視察試驗(yàn)、科學(xué)思維與數(shù)學(xué)相結(jié)合的方法，并發(fā)覺(jué)了慣性定律、落體定律和力學(xué)相對(duì)性原理．②牛頓在伽利略、笛卡兒、開(kāi)普勒、惠更斯等人探討的基礎(chǔ)上，采納歸納與演繹、綜合與分析的方法，總結(jié)出一套普遍適用的力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律——牛頓運(yùn)動(dòng)定律和萬(wàn)有引力定律．③17、18世紀(jì)的科學(xué)家漸漸發(fā)展了從動(dòng)量、能量角度對(duì)牛頓運(yùn)動(dòng)定律的表述，進(jìn)一步完善了經(jīng)典力學(xué)體系．(2)宏大成就①經(jīng)典力學(xué)把天上物體和地上物體的運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了人類(lèi)對(duì)自然界相識(shí)的第一次理論大綜合．②使人們相識(shí)到了以現(xiàn)象視察和試驗(yàn)探討為基礎(chǔ)的自然科學(xué)理論的基本特征．③建立了以試驗(yàn)和數(shù)學(xué)相結(jié)合的探討方法．④推動(dòng)了其他學(xué)科的發(fā)展，與其他學(xué)科相結(jié)合產(chǎn)生了一些交叉性的分支學(xué)科．(3)適用范圍從地面上的各種物體的運(yùn)動(dòng)到天體的運(yùn)動(dòng)；從大氣流淌到地殼變動(dòng)；從自行車(chē)到汽車(chē)、火車(chē)、飛機(jī)等交通工具的運(yùn)動(dòng)，從投出籃球到放射導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船——全部這些都聽(tīng)從經(jīng)典力學(xué)的規(guī)律．(4)局限性①經(jīng)典力學(xué)不適用于探討高速運(yùn)動(dòng)(接近光速)的物體．②經(jīng)典力學(xué)不適用于微觀領(lǐng)域中物質(zhì)結(jié)構(gòu)和能量不連續(xù)的現(xiàn)象．2．經(jīng)典時(shí)空觀(1)慣性系與非慣性系①慣性系：牛頓運(yùn)動(dòng)定律成立的參考系，相對(duì)于慣性系靜止或做勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系都是慣性系．②非慣性系：牛頓運(yùn)動(dòng)定律不成立的參考系，相對(duì)于慣性系做變速運(yùn)動(dòng)的參考系是非慣性系．(2)伽利略相對(duì)性原理對(duì)于全部的慣性系，力學(xué)規(guī)律都是相同的，或者說(shuō)，一切慣性系都是等效的．(3)經(jīng)典時(shí)空觀(肯定時(shí)空觀)時(shí)間恒久勻稱地消逝，與任何外界無(wú)關(guān)；空間與任何外界事物無(wú)關(guān)，從不運(yùn)動(dòng)，恒久不變．(4)經(jīng)典時(shí)空觀的幾個(gè)詳細(xì)結(jié)論①同時(shí)的肯定性．②時(shí)間間隔的肯定性．③空間距離的肯定性；物體質(zhì)量恒定不變，即它們與參考系的選擇(或視察者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài))無(wú)關(guān)．時(shí)間、長(zhǎng)度和質(zhì)量這三個(gè)基本物理量在經(jīng)典力學(xué)中都與參考系(視察者)的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)．3．相對(duì)論時(shí)空觀(1)狹義相對(duì)論的兩條基本假設(shè)①相對(duì)性原理：在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的．②光速不變?cè)恚翰还茉谀膫€(gè)慣性系中，測(cè)得的真空中的光速都相同．(2)相對(duì)論時(shí)空觀①“同時(shí)”的相對(duì)性：在一個(gè)參考系中同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事務(wù)，在另一個(gè)參考系看來(lái)是不同時(shí)的．②運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘變慢：時(shí)鐘相對(duì)于視察者靜止時(shí)，走得快；相對(duì)于視察者運(yùn)動(dòng)時(shí)，走得慢．運(yùn)動(dòng)速度越快，效果越明顯．③運(yùn)動(dòng)的尺子縮短：物體相對(duì)于視察者靜止時(shí)，它的長(zhǎng)度測(cè)量值最大；相對(duì)于視察者運(yùn)動(dòng)時(shí)，視察者在運(yùn)動(dòng)方向上觀測(cè)，它的長(zhǎng)度要縮短．速度越快，縮的越短．④物體質(zhì)量隨速度的增加而增大：當(dāng)速度接近光速時(shí)，質(zhì)量趨于無(wú)窮大，當(dāng)速度比光速小得多時(shí)，物體運(yùn)動(dòng)質(zhì)量與靜止時(shí)的質(zhì)量相等．二、狹義相對(duì)論的主要結(jié)論1．兩個(gè)基本原理(1)相對(duì)性原理全部物理規(guī)律在一切慣性參照系中都具有相同的形式．(2)光速不變?cè)碓谝磺袘T性參照系中，測(cè)量到的真空中的光速c都一樣(c＝3×108m/s)．2.兩個(gè)效應(yīng)(1)時(shí)間延緩效應(yīng)①在相對(duì)論時(shí)空觀中，運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘比靜止的時(shí)鐘走得慢．②關(guān)系式為Δt＝eq\f(Δt′,\r(1－\f(v2,c2)))，Δt′為運(yùn)動(dòng)時(shí)間，Δt為靜止時(shí)間．(2)長(zhǎng)度收縮效應(yīng)①在相對(duì)于物體運(yùn)動(dòng)著的慣性系中沿運(yùn)動(dòng)方向測(cè)出的物體長(zhǎng)度，比在相對(duì)靜止的慣性系中測(cè)出的長(zhǎng)度變小．②關(guān)系式：l′＝leq\r(1－\f(v2,c2)).3．兩種關(guān)系(1)質(zhì)速關(guān)系①在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量與物體的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)．但在相對(duì)論中，運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量隨其運(yùn)動(dòng)速度的變更而變更．②關(guān)系式：m＝eq\f(m0,\r(1－\f(v2,c2)))其中m為物體的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，m0為靜止質(zhì)量，v為物體相對(duì)慣性系的運(yùn)動(dòng)速度．(2)質(zhì)能關(guān)系①依據(jù)相對(duì)論及基本力學(xué)定律可推出質(zhì)量和能量有如下關(guān)系：E＝mc2，這就是聞名的質(zhì)能關(guān)系式．②質(zhì)量和能量是物質(zhì)不行分別的屬性，當(dāng)物質(zhì)的質(zhì)量削減或增加時(shí)，必定伴隨著能量的削減或增加，其關(guān)系為ΔE＝Δmc2.1．思索推斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)在經(jīng)典力學(xué)中，時(shí)間、長(zhǎng)度和質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)沒(méi)有關(guān)系．()(2)相對(duì)論，完全否定了經(jīng)典力學(xué)的理論． ()(3)對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的物體，它的質(zhì)量隨著速度的增加而變大． ()(4)汽車(chē)運(yùn)動(dòng)時(shí)沒(méi)發(fā)覺(jué)長(zhǎng)度變更，故狹義相對(duì)論是錯(cuò)誤的． ()(5)由質(zhì)能關(guān)系可知，質(zhì)量就是能量，能量也就是質(zhì)量，二者無(wú)區(qū)分． ()(6)時(shí)鐘延緩效應(yīng)是低速的時(shí)鐘比高速的時(shí)鐘走的慢． ()【提示】(1)√(2)×經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀低速運(yùn)動(dòng)的物體，相對(duì)論并沒(méi)有完全否定．(3)√(4)×汽車(chē)運(yùn)動(dòng)是宏觀低速運(yùn)動(dòng)，其長(zhǎng)度的變更太小以至于可忽視不計(jì)．(5)×質(zhì)能關(guān)系反映的是當(dāng)物體的質(zhì)量發(fā)生變更時(shí)，必定伴隨著能量的變更．(6)×?xí)r鐘延緩是指在相對(duì)論時(shí)空觀中，運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘比靜止的時(shí)鐘走得慢．2．(多選)20世紀(jì)以來(lái)，人們發(fā)覺(jué)了一些新的事實(shí)，而經(jīng)典力學(xué)卻無(wú)法說(shuō)明．經(jīng)典力學(xué)只適用于解決物體的低速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，不能用來(lái)處理高速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題；只適用于宏觀物體，一般不適用于微觀粒子．這說(shuō)明()A．隨著相識(shí)的發(fā)展，經(jīng)典力學(xué)已成了過(guò)時(shí)的理論B．人們對(duì)客觀事物的詳細(xì)相識(shí)，在廣度上是有局限性的C．經(jīng)典力學(xué)與相對(duì)論是相互沖突的一對(duì)理論D．人們應(yīng)當(dāng)不斷地?cái)U(kuò)展相識(shí)，在更廣袤的領(lǐng)域內(nèi)駕馭不同事物的本質(zhì)與規(guī)律BD[人們對(duì)客觀世界的相識(shí)，要受到所處的時(shí)代的客觀條件和科學(xué)水平的制約，所以形成的看法也都具有肯定的局限性，人們只有不斷地?cái)U(kuò)展自己的相識(shí)，才能駕馭更廣袤領(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(duì)原來(lái)科學(xué)的全盤(pán)否定，只能認(rèn)為過(guò)去的科學(xué)是新的科學(xué)在肯定條件下的特別情形．所以A、C錯(cuò)，B、D對(duì)．]3．如圖所示，沿平直鐵路途有間距相等的三座鐵塔A、B和C.假想有一列車(chē)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(chē)上的視察者測(cè)得A、C兩鐵塔被照亮的依次是()A．同時(shí)被照亮 B．A先被照亮C．C先被照亮 D．無(wú)法推斷C[列車(chē)上的視察者看到的是由B發(fā)出后經(jīng)過(guò)A和C反射的光，由于列車(chē)在這段時(shí)間內(nèi)向C運(yùn)動(dòng)，靠近C而遠(yuǎn)離A，所以C的反射光先到達(dá)列車(chē)上的視察者，視察者看到C先被照亮，故只有C正確．]經(jīng)典力學(xué)與相對(duì)論1.肯定時(shí)空觀是在地球范圍內(nèi)憑直覺(jué)閱歷建立起來(lái)的，它符合人們對(duì)空間、時(shí)間的主觀感受；相對(duì)論時(shí)空觀是在光速不變的試驗(yàn)事實(shí)上，以狹義相對(duì)論的兩條基本假設(shè)為前提建立的．2．經(jīng)典時(shí)空觀中，時(shí)間、空間、物質(zhì)是彼此獨(dú)立、互不聯(lián)系的，時(shí)間、長(zhǎng)度和質(zhì)量這三個(gè)物理量都與參考系的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)．相對(duì)論時(shí)空觀中，空間和時(shí)間是運(yùn)動(dòng)著的物質(zhì)的存在形式，時(shí)空概念是從物質(zhì)運(yùn)動(dòng)中抽象出來(lái)的，它們之間相互依靠、彼此聯(lián)系．3．兩種理論的適用范圍不同經(jīng)典力學(xué)理論適用于弱引力作用下，低速運(yùn)動(dòng)的宏觀物體．而它在強(qiáng)引力作用下，或高速運(yùn)動(dòng)或微觀世界不適用．相對(duì)論原理是一種全新的時(shí)空與引力理論，它并沒(méi)有否定經(jīng)典力學(xué)理論，是在經(jīng)典力學(xué)基礎(chǔ)上加以完善，適用范圍更廣、更全面．【例1】下列說(shuō)法正確的是()A．在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而變更，在狹義相對(duì)論中，物體的質(zhì)量也不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而變更B．狹義相對(duì)論和經(jīng)典力學(xué)是完全不同相互沖突的兩個(gè)理論C．物體高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體的運(yùn)動(dòng)聽(tīng)從狹義相對(duì)論，在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體的運(yùn)動(dòng)聽(tīng)從牛頓運(yùn)動(dòng)定律D．以上說(shuō)法都是錯(cuò)誤的C[在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而變更，在狹義相對(duì)論中，物體的質(zhì)量隨物體運(yùn)動(dòng)速度的增大而增大，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；狹義相對(duì)論沒(méi)有否定經(jīng)典力學(xué)，經(jīng)典力學(xué)是狹義相對(duì)論在肯定條件下的特別情形，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；經(jīng)典力學(xué)適用于低速運(yùn)動(dòng)的物體，狹義相對(duì)論闡述物體在以接近光速的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)所遵循的規(guī)律，選項(xiàng)C正確．]1．依據(jù)愛(ài)因斯坦提出的相對(duì)論，以下說(shuō)法正確的是()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B．物體的質(zhì)量取決于物體所含物質(zhì)的多少，因而物體無(wú)論以多大速度運(yùn)動(dòng)，其質(zhì)量與速度無(wú)關(guān)C．一個(gè)真實(shí)的物體，其運(yùn)動(dòng)速度有可能達(dá)到甚至超過(guò)真空中的光速D．質(zhì)量、長(zhǎng)度、時(shí)間的測(cè)量結(jié)果都是隨物體與觀測(cè)者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而變更D[依據(jù)愛(ài)因斯坦提出的相對(duì)論，經(jīng)典力學(xué)只適用于宏觀低速的運(yùn)動(dòng)，A錯(cuò)誤．質(zhì)量隨速度的增大而增大，B錯(cuò)誤．物體的速度不能越過(guò)光速，C錯(cuò)誤．物體的質(zhì)量、長(zhǎng)度、時(shí)間的測(cè)量結(jié)果都與觀測(cè)者相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，D正確．]狹義相對(duì)論的主要結(jié)論1.時(shí)間延緩效應(yīng)在相對(duì)論時(shí)空觀中，運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘與靜止時(shí)鐘的關(guān)系：Δt＝eq\f(Δt′,\r(1－\f(v2,c2)))，由上式可以看出v<c，Δt>Δt′，因此假如某時(shí)鐘所顯示的某個(gè)物理過(guò)程經(jīng)驗(yàn)的時(shí)間間隔小，我們稱該時(shí)鐘走得慢，所以我們說(shuō)運(yùn)動(dòng)的鐘比靜止的鐘走得慢．這種效應(yīng)被稱為時(shí)間延緩．2．長(zhǎng)度收縮效應(yīng)依據(jù)狹義相對(duì)論時(shí)空觀，空間也與運(yùn)動(dòng)親密相關(guān)，即對(duì)某物體空間廣延性的觀測(cè)，與觀測(cè)者和該物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)有關(guān)．觀測(cè)長(zhǎng)度l′與靜止長(zhǎng)度l之間的關(guān)系：l′＝leq\r(1－\f(v2,c2))，由于v<c，所以l′<l.這種長(zhǎng)度觀測(cè)效應(yīng)被稱為長(zhǎng)度收縮．3．質(zhì)速關(guān)系在相對(duì)物體靜止的參考系中測(cè)量，物體具有最小的質(zhì)量m0(稱為靜止質(zhì)量)；在相對(duì)物體以速度v運(yùn)動(dòng)的慣性系中測(cè)量，物體的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量為m＝eq\f(m0,\r(1－\f(v2,c2))).4．質(zhì)能關(guān)系(1)經(jīng)典物理學(xué)的觀點(diǎn)：在經(jīng)典物理學(xué)中，質(zhì)量和能量是兩個(gè)獨(dú)立的概念．(2)相對(duì)論的觀點(diǎn)：由相對(duì)論及基本力學(xué)定律可推出質(zhì)量和能量的關(guān)系為E＝mc2，能量變更量和質(zhì)量變更量關(guān)系為ΔE＝Δmc2.【例2】半人馬星座α星是離太陽(yáng)系最近的恒星，它距地球?yàn)?.3×1016m．設(shè)有一宇宙飛船自地球來(lái)回于半人馬星座α星之間．(1)若宇宙飛船的速率為0.999c，按地球上時(shí)鐘計(jì)算，飛船來(lái)回一次需多少時(shí)間？(2)如以飛船上時(shí)鐘計(jì)算，來(lái)回一次的時(shí)間又為多少？[解析](1)由于題中恒星與地球的距離s和宇宙飛船的速度v均是地球上的視察者測(cè)量的，故飛船來(lái)回一次，地球時(shí)鐘所測(cè)時(shí)間間隔Δt＝eq\f(2s,v)＝2.87×108s.(2)可從相對(duì)論的時(shí)間延緩效應(yīng)考慮．把飛船離開(kāi)地球和回到地球視為兩個(gè)事務(wù)，明顯飛船上的鐘測(cè)出兩事務(wù)的時(shí)間間隔Δt′是固定的，地球上所測(cè)的時(shí)間間隔Δt與Δt′之間滿意時(shí)間延緩效應(yīng)的關(guān)系式．以飛船上的時(shí)鐘計(jì)算，飛船來(lái)回一次的時(shí)間間隔為Δt′＝Δteq\r(1－\f(v2,c2))＝1.28×107s.[答案](1)2.87×108s(2)1.28×107s時(shí)間延緩效應(yīng)和長(zhǎng)度收縮效應(yīng)的應(yīng)用方法1．(1)“鐘慢效應(yīng)”或“動(dòng)鐘變慢”是在兩個(gè)不同慣性系中進(jìn)行時(shí)間比較的一種效應(yīng)，不要認(rèn)為是時(shí)鐘的結(jié)構(gòu)或精度因運(yùn)動(dòng)而發(fā)生了變更，而是在不同參考系中對(duì)時(shí)間的觀測(cè)效應(yīng)．(2)運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘變慢完全是相對(duì)的，在兩個(gè)慣性參考系中的觀測(cè)者都將發(fā)覺(jué)對(duì)方的鐘變慢了．2．(1)長(zhǎng)度收縮效應(yīng)是狹義相對(duì)論時(shí)空觀的一種體現(xiàn)，即在不同慣性系中的觀測(cè)者對(duì)同一物體的同一個(gè)空間廣延性進(jìn)行觀測(cè)，測(cè)得的結(jié)果不同．(2)這種沿著運(yùn)動(dòng)方向的長(zhǎng)度的變更是相對(duì)的；另外垂直于速度方向的長(zhǎng)度不變．2．一支靜止時(shí)長(zhǎng)l的火箭以v的速度從視察者的身邊飛過(guò)．(1)火箭上的人測(cè)得火箭的長(zhǎng)度應(yīng)為多少？(2)視察者測(cè)得火箭的長(zhǎng)度應(yīng)為多少？(3)假如火箭的速度為光速的二分之一，視察者測(cè)得火箭的長(zhǎng)度應(yīng)為多少？[解析](1)火箭上的人測(cè)得的火箭長(zhǎng)度與火箭靜止時(shí)測(cè)得的長(zhǎng)度相同，即為l.(2)火箭外面的視察者看火箭時(shí)，有相對(duì)速度v，測(cè)量長(zhǎng)度將變短，由相對(duì)論長(zhǎng)度收縮效應(yīng)公式知l′＝leq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2)，其中c為真空中的光速．(3)將v＝eq\f(c,2)代入長(zhǎng)度收縮效應(yīng)公式得l′＝eq\f(\r(3),2)l.[答案](1)l(2)leq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up20(2))(3)eq\f(\r(3),2)l1．(多選)牛頓運(yùn)動(dòng)定律能適用于下列哪些情形()A．探討原子中電子的運(yùn)動(dòng)B．探討“神舟五號(hào)”飛船的高速放射C．探討地球繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)D．探討飛機(jī)從北京飛往紐約的航線BCD[牛頓運(yùn)動(dòng)定律只能用于“宏觀低速”的情形，這里的“宏觀”是相對(duì)于微觀粒子而言的．這里的“低速”是相對(duì)于光速而言的．原子、電子等是微觀粒子，它們的運(yùn)動(dòng)不聽(tīng)從牛頓運(yùn)動(dòng)定律，A錯(cuò)誤，B、C、D中各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)雖然是“高速”，但相對(duì)于光速來(lái)說(shuō)，卻是微乎其微的，完全可以用牛頓運(yùn)動(dòng)定律探討其規(guī)律，B、C、D正確．]2．(多選)下列說(shuō)法中哪些屬于經(jīng)典時(shí)空觀的觀點(diǎn)()A．世界的過(guò)去、現(xiàn)在和將來(lái)都只有量的變更，而