2017-2018學(xué)年物理人教版必修2講義第6章萬有引力與航天第7節(jié)

第7節(jié)經(jīng)典力學(xué)的局限性[學(xué)考報(bào)告]知識(shí)內(nèi)容經(jīng)典力學(xué)的局限性考試要求必考加試a基本要求1.了解經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展歷程和偉大成就2．認(rèn)識(shí)經(jīng)典力學(xué)的局限性和適用范圍3．體會(huì)科學(xué)理論總是在不斷發(fā)展的發(fā)展要求1.初步了解微觀和高速世界中的奇妙現(xiàn)象2．初步了解相對論、量子論的建立對人類深入認(rèn)識(shí)客觀世界的作用說明1.不要求用相對論中質(zhì)量隨速度變化的公式進(jìn)行計(jì)算2．不要求識(shí)記證明經(jīng)典力學(xué)局限性的有關(guān)事實(shí)知識(shí)點(diǎn)一從低速到高速[基礎(chǔ)梳理]1．經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動(dòng)定律。牛頓運(yùn)動(dòng)定律和萬有引力定律在宏觀、低速、弱引力的廣闊區(qū)域，包括天體力學(xué)的研究中，經(jīng)受了實(shí)踐的檢驗(yàn)，取得了巨大的成就。2．牛頓運(yùn)動(dòng)三定律和萬有引力定律把天體的運(yùn)動(dòng)與地面上物體的運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一起來，是人類對自然界認(rèn)識(shí)的第一次大綜合，是人類認(rèn)識(shí)史上的一次重大飛躍。3．低速與高速的概念(1)低速：通常所見物體的運(yùn)動(dòng)，如行駛的汽車、發(fā)射的導(dǎo)彈、人造地球衛(wèi)星及宇宙飛船等物體皆為低速運(yùn)動(dòng)物體。(2)高速：有些微觀粒子在一定條件下其速度可以與光速相接近，這樣的速度稱為高速。4．速度對質(zhì)量的影響(1)在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變而改變。(2)愛因斯坦的狹義相對論指出，物體的質(zhì)量隨速度的增大而增大，即m＝eq\f(m0,\r(1－\f(v2,c2)))，其中m0是物體靜止時(shí)的質(zhì)量，m是物體速度為v時(shí)的質(zhì)量，c是真空中的光速。在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量的測量結(jié)果是與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)密切相關(guān)的。5．速度對物理規(guī)律的影響(1)經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為位移和時(shí)間的測量結(jié)果都與參考系無關(guān)。相對論認(rèn)為，同一過程的位移和時(shí)間的測量與參考系有關(guān)，在不同的參考系中是不同的。(2)對于低速運(yùn)動(dòng)問題，一般用經(jīng)典力學(xué)規(guī)律來處理。對于高速運(yùn)動(dòng)問題，經(jīng)典力學(xué)已不再適用，需要用相對論知識(shí)來處理。[典例精析]【例1】日常生活中，我們并沒發(fā)現(xiàn)物體的質(zhì)量隨物體運(yùn)動(dòng)的速度變化而變化，其原因是()A．運(yùn)動(dòng)中物體無法稱量質(zhì)量B．物體的速度遠(yuǎn)小于光速，質(zhì)量變化極小C．物體的質(zhì)量太大D．物體的質(zhì)量不隨速度的變化而變化解析根據(jù)狹義相對論m＝eq\f(m0,\r(1－\f(v2,c2)))可知，在宏觀物體的運(yùn)動(dòng)中，v?c，所以m變化不大，而不是因?yàn)槲矬w的質(zhì)量太大或無法測量，也不是因?yàn)橘|(zhì)量不隨速度的變化而變化，正確選項(xiàng)是B。答案B[即學(xué)即練]1．經(jīng)典力學(xué)不能適用于下列哪些運(yùn)動(dòng)()A．火箭的發(fā)射B．宇宙飛船繞地球的運(yùn)動(dòng)C．“勇氣號(hào)”宇宙探測器的運(yùn)動(dòng)D．以0.99倍光速運(yùn)行的電子束解析經(jīng)典力學(xué)在宏觀、低速運(yùn)動(dòng)的廣闊領(lǐng)地(包括天體力學(xué)的研究)中，經(jīng)受了實(shí)踐的檢驗(yàn)，取得了巨大的成就，但在高速領(lǐng)域不再適用，故選項(xiàng)A、B、C適用。答案D知識(shí)點(diǎn)二從宏觀到微觀[基礎(chǔ)梳理]1．在經(jīng)典力學(xué)中，物體的粒子性和波動(dòng)性是對立的、不相容的，而電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子不僅具有粒子性同時(shí)還具有波動(dòng)性，它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不能用經(jīng)典力學(xué)來說明，量子力學(xué)能很好地描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。2．相對論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，說明人類對自然界的認(rèn)識(shí)更加廣泛和深入，而不表示經(jīng)典力學(xué)失去了意義。它只是使人們認(rèn)識(shí)到經(jīng)典力學(xué)有它的適用范圍：只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界，只適用于低速運(yùn)動(dòng)，不適用于高速運(yùn)動(dòng)。知識(shí)點(diǎn)三從弱引力到強(qiáng)引力[基礎(chǔ)梳理]1．1915年，愛因斯坦創(chuàng)立了廣義相對論，這是一種新的時(shí)空與引力的理論。在強(qiáng)引力的情況下，牛頓的引力理論不再適用。2．經(jīng)典力學(xué)的適用范圍(1)經(jīng)典力學(xué)有它的適用范圍：只適用于低速運(yùn)動(dòng)，不適用于高速運(yùn)動(dòng)；只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界；只適用于弱引力情況，不適用于強(qiáng)引力情況。(2)對于高速運(yùn)動(dòng)(速度接近真空中的光速)，需要應(yīng)用愛因斯坦的相對論。當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于真空中的光速時(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。(3)對于微觀世界，需要應(yīng)用量子力學(xué)。當(dāng)普朗克常量可以忽略不計(jì)時(shí)，量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別。(4)對于強(qiáng)引力情況，需要應(yīng)用愛因斯坦引力理論。當(dāng)天體的實(shí)際半徑遠(yuǎn)大于它們的引力半徑時(shí)，愛因斯坦引力理論和牛頓萬有引力定律計(jì)算出的力的差異并不很大。[典例精析]【例2】關(guān)于經(jīng)典力學(xué)、狹義相對論和量子力學(xué)，下面說法中正確的是()A．狹義相對論和經(jīng)典力學(xué)是相互對立、互不相容的兩種理論B．不管物體做高速運(yùn)動(dòng)還是低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體的運(yùn)動(dòng)均服從牛頓運(yùn)動(dòng)定律C．經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀物體的運(yùn)動(dòng)，量子力學(xué)適用于微觀粒子的運(yùn)動(dòng)D．不論是宏觀物體，還是微觀粒子，經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué)都是適用的解析相對論并沒有否定經(jīng)典力學(xué)，而是認(rèn)為經(jīng)典力學(xué)是相對論理論在一定條件下的特殊情況，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀物體的低速運(yùn)動(dòng)，對于微觀粒子的高速運(yùn)動(dòng)問題經(jīng)典力學(xué)不再適用，但相對論、量子力學(xué)適用，故選項(xiàng)C正確，選項(xiàng)B、D錯(cuò)誤。答案C1．下列說法正確的是()A．牛頓運(yùn)動(dòng)定律就是經(jīng)典力學(xué)B．經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動(dòng)定律C．牛頓運(yùn)動(dòng)定律可以解決自然界中所有的問題D．經(jīng)典力學(xué)可以解決自然界中所有的問題解析經(jīng)典力學(xué)并不等于牛頓運(yùn)動(dòng)定律，牛頓運(yùn)動(dòng)定律只是經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)；經(jīng)典力學(xué)并非萬能，也有其適用范圍，并不能解決自然界中所有的問題，沒有哪個(gè)理論可以解決自然界中所有的問題．因此只有搞清牛頓運(yùn)動(dòng)定律和經(jīng)典力學(xué)的隸屬關(guān)系，明確經(jīng)典力學(xué)的適用范圍，才能正確解決此類問題，所以選B。答案B2．電子的靜止質(zhì)量為me，加速后的電子相對實(shí)驗(yàn)室的速度是eq\f(4,5)c(c為光速)，在實(shí)驗(yàn)室中觀察到的加速后電子的質(zhì)量是多大？解析m＝eq\f(m0,\r(1－\f(v2,c2)))＝eq\f(me,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(4c,5c)))2))≈1.67me，即以eq\f(4,5)c運(yùn)動(dòng)的電子的質(zhì)量約是電子靜止質(zhì)量的1.67倍。答案1.67me1．下列關(guān)于經(jīng)典力學(xué)說法不正確的是()A．按照經(jīng)典力學(xué)，只要知道初始條件，就可以準(zhǔn)確地確定體系已往和未來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)B．按照經(jīng)典力學(xué)，運(yùn)動(dòng)只存在一種方式，那就是連續(xù)變化C．能量可以不連續(xù)變化D．一切自然現(xiàn)象都服從力學(xué)原理，都只能按力學(xué)的規(guī)律以嚴(yán)格的確定性發(fā)生和演化解析按照經(jīng)典力學(xué)，能量一定連續(xù)變化的，所以C錯(cuò)。答案C2．下列說法正確的是()A．經(jīng)典力學(xué)中物體的質(zhì)量也是改變的B．經(jīng)典力學(xué)中的時(shí)間和空間是獨(dú)立于物體及其運(yùn)動(dòng)的C．萬有引力定律適用于強(qiáng)作用力D．物體的速度可以是任意值解析經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為物體的質(zhì)量是不變的，A項(xiàng)錯(cuò)誤；時(shí)間和空間是獨(dú)立于物體及其運(yùn)動(dòng)的，B項(xiàng)正確；萬有引力定律適用于弱作用力，C項(xiàng)錯(cuò)誤；物體最大的速度為光速，D項(xiàng)錯(cuò)誤。答案B3．對于經(jīng)典力學(xué)理論，下述說法中正確的是()A．由于相對論、量子論的提出，經(jīng)典力學(xué)已經(jīng)失去了它的意義B．經(jīng)典力學(xué)在今天廣泛應(yīng)用，它的正確性無可懷疑，仍是普遍適用的C．經(jīng)典力學(xué)在歷史上起了巨大的作用，隨著物理學(xué)的發(fā)展而逐漸過時(shí)，成為一種古老的理論D．經(jīng)典力學(xué)在宏觀低速運(yùn)動(dòng)中，引力不太大時(shí)適用解析經(jīng)典力學(xué)和其他任何理論一樣，有其自身的局限性和適用范圍，但對于低速宏觀物體的運(yùn)動(dòng)，經(jīng)典力學(xué)仍然適用，并仍將在它適用范圍內(nèi)大放異彩，所以D正確。答案D4．牛頓運(yùn)動(dòng)定律不適用于下列哪些情況()A．研究原子中電子的運(yùn)動(dòng)B．研究“神舟”十號(hào)飛船的高速發(fā)射C．研究地球繞太陽的運(yùn)動(dòng)D．研究飛機(jī)從北京飛往紐約的航線解析牛頓力學(xué)屬于經(jīng)典力學(xué)的范疇，適用于宏觀、低速運(yùn)動(dòng)的物體，要注意到低速和高速的標(biāo)準(zhǔn)是相對于光速而言的，則可判定牛頓運(yùn)動(dòng)定律適用于B、C、D中描述的運(yùn)動(dòng)，而A不適用。答案A5．相對論告訴我們，物體運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量與其靜止時(shí)的質(zhì)量相比()A．運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量比靜止時(shí)的質(zhì)量大B．運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量比靜止時(shí)的質(zhì)量小C．運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量與靜止時(shí)的質(zhì)量相等D．是兩個(gè)不同的概念，無法比較解析根據(jù)狹義相對論的質(zhì)速關(guān)系m＝eq\f(m0,\r(1－\f(v2,c2)))知，物體運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量比靜止時(shí)的質(zhì)量大，A正確，B、C、D錯(cuò)誤。答案A6．關(guān)于經(jīng)典力學(xué)和相對論，下列說法正確的是()A．經(jīng)典力學(xué)和相對論是各自獨(dú)立的學(xué)說，互不相容B．相對論是在否定了經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)上建立起來的C．相對論和經(jīng)典力學(xué)是兩種不同的學(xué)說，二者沒有聯(lián)系D．經(jīng)典力學(xué)包含于相對論之中，經(jīng)典力學(xué)是相對論的特例解析當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速c(3×108m/s)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，而當(dāng)接近光速時(shí)，經(jīng)典力學(xué)不再適用，相對論不是對經(jīng)典力學(xué)的否定，而只是認(rèn)為經(jīng)典力學(xué)是相對論在一定條件下的特殊情形。所以選項(xiàng)A、B、C錯(cuò)誤。答案D7．下面說法中正確的是()①當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速時(shí)，相對論物理學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別②當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度接近光速時(shí)，相對論物理學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別③當(dāng)普朗克常量h(6.63×10－34J·s)可以忽略不計(jì)時(shí)，量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別④當(dāng)普朗克常量h不能忽略不計(jì)時(shí)，量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別A．①③ B．②④C．①④ D．② ③解析普朗克常量是聯(lián)系宏觀粒子與微觀粒子的紐帶。對宏觀粒子，普朗克常量可忽略不計(jì)；在運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速的情況下，相對論物理學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別，A正確。答案A8．對于公式m＝eq\f(m0,\r(1－\f(v2,c2)))，下列說法中正確的是()A．式中的m0是物體以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量B．當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度v>0時(shí)，物體的質(zhì)量m>m0，即物體的質(zhì)量改變了，故經(jīng)典力學(xué)不適用、不正確C．當(dāng)物體以較小速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量變化十分微弱，當(dāng)物體以接近光速的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量變化明顯D．即使通常物體的運(yùn)動(dòng)速度不太大，質(zhì)量的變化也能引起我們的感覺解析公式中m0是靜止質(zhì)量，m是物體以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量，A錯(cuò)誤；由公式可知，只有當(dāng)v接近光速時(shí)，物體的質(zhì)量變化才明顯，一般情況下物體的質(zhì)量變化十分微小，故經(jīng)典力學(xué)仍然適用，故B、D錯(cuò)誤，C正確。答案C9．通過一個(gè)加速裝置對電子施加一個(gè)很大的恒力，使電子從靜止開始加速，則對這個(gè)加速過程，下列描述正確的是()A．根據(jù)牛頓第二定律，電子將不斷做