高中物理 經(jīng)典力學(xué)的局限性導(dǎo)學(xué)案 新人教版必修1

1、第6節(jié) 經(jīng)典力學(xué)的局限性【學(xué)習(xí)目標(biāo)】 1知道牛頓運(yùn)動(dòng)定律的適用范圍 2了解經(jīng)典力學(xué)在科學(xué)研究和生產(chǎn)技術(shù)中的廣泛應(yīng)用【自主導(dǎo)學(xué)】結(jié)合下列問(wèn)題閱讀教材:1、質(zhì)量是否與速度有關(guān)系?2、速度疊加原理是否成立?3、微觀粒子的行為與宏觀物體是否遵循相同的規(guī)律? 4、時(shí)間和空間是否是絕對(duì)一成不變的?5、強(qiáng)引力作用下出現(xiàn)的問(wèn)題 ?6、牛頓建立的經(jīng)典力學(xué)的適用范圍？愛(ài)因斯坦提出的相對(duì)論是否全盤(pán)否定了牛頓的經(jīng)典力學(xué)理論?7、牛頓的科學(xué)方法?？偨Y(jié)歸納:1. 物體的質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)速度有關(guān) 在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量是不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的。但是，按照20世紀(jì)初著名物理學(xué)家愛(ài)因斯坦建立的狹義相對(duì)論，質(zhì)量要隨物體運(yùn)動(dòng)速度的增大而增

2、大。 物體的質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系是_ (式中m0是_時(shí)的質(zhì)量，m是_時(shí)的質(zhì)量，c是真空中的光速 。)可見(jiàn)，當(dāng)vc時(shí)，mm0；當(dāng)v趨近于c時(shí)，m趨近于無(wú)窮大。因此，當(dāng)物體的速度遠(yuǎn)小于真空中的光速時(shí)，經(jīng)典力學(xué)完全適用；當(dāng)物體的速度接近光速時(shí)，經(jīng)典力學(xué)就不適用了。 2.經(jīng)典力學(xué)中速度疊加原理不再成立 設(shè)河流中的水相對(duì)于河岸的速度為V水岸 船相對(duì)于水的速度為 V船水 則在經(jīng)典力學(xué)中，船相對(duì)于岸的速度為 （矢量和）這似乎是天經(jīng)地義的。但是，這個(gè)關(guān)系式涉及兩個(gè)不同的慣性參考系，而速度總是與位移（空間長(zhǎng)度）及時(shí)間間隔的測(cè)量相聯(lián)系。相對(duì)論認(rèn)為，同一過(guò)程的位移和時(shí)間的測(cè)量在不同參考系中是不同的，因而上式不能成立

3、。3.兩種不同的時(shí)空觀 本節(jié)教材在“科學(xué)漫步”欄目時(shí)間和空間是什么？一文中提到了牛頓和愛(ài)因斯坦的兩種不同的時(shí)空觀。 牛頓認(rèn)為：空間是獨(dú)立于物體及其運(yùn)動(dòng)而存在的，時(shí)間也是獨(dú)立于物體及其運(yùn)動(dòng)而存在的，這是一種經(jīng)典時(shí)空觀。愛(ài)因斯坦則認(rèn)為：在研究物體的高速運(yùn)動(dòng)（速度接近真空中的光速）時(shí)，物體的長(zhǎng)度即物體占有的空間，以及物理過(guò)程、化學(xué)過(guò)程，甚至還有生命過(guò)程的持續(xù)時(shí)間，都與它們的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，空間與時(shí)間不再與物體及其運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)而獨(dú)立存在。這是一種嶄新的時(shí)空觀。4.經(jīng)典力學(xué)難以解釋微觀粒子的運(yùn)動(dòng) 科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，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)在很多情況下不能用經(jīng)典力學(xué)來(lái)說(shuō)

4、明。20世紀(jì)20 年代量子力學(xué)的出現(xiàn)，才很好地揭示了微觀世界的基本規(guī)律。5.強(qiáng)引力作用下出現(xiàn)的問(wèn)題 牛頓的萬(wàn)有引力定律取得了巨大的成就，但在一些問(wèn)題上也遇到了困難。例如：水星的公轉(zhuǎn)軌道在不斷旋進(jìn)，其實(shí)際觀察值要比經(jīng)典力學(xué)的預(yù)言值多。1915年，愛(ài)因斯坦創(chuàng)立的廣義相對(duì)論對(duì)此則能作出很好的解釋?zhuān)瑫r(shí)還預(yù)言光線經(jīng)過(guò)大質(zhì)量星體附近時(shí)會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，且已被觀測(cè)證實(shí)。 另外，根據(jù)牛頓的理論，當(dāng)天體被壓縮成半徑幾乎為0的一個(gè)點(diǎn)時(shí)，引力趨于無(wú)窮大；而愛(ài)因斯坦的理論則認(rèn)為，引力趨于無(wú)窮大發(fā)生在半徑接近一個(gè)“引力半徑”的時(shí)候，這個(gè)引力半徑的值由天體的質(zhì)量決定。當(dāng)天體的實(shí)際半徑接近引力半徑時(shí)，由愛(ài)因斯坦和牛頓引力理論計(jì)

5、算出的力的差異急劇增大，在強(qiáng)引力情況下牛頓引力理論不再適用。6.經(jīng)典力學(xué)的適用范圍經(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。對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)（速度接近真空中的光速），需要應(yīng)用愛(ài)因斯坦的相對(duì)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(duì)論物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論沒(méi)有區(qū)別。對(duì)于微觀世界，需要應(yīng)用量子力學(xué)。當(dāng)普朗克常數(shù)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(méi)有區(qū)別。對(duì)于強(qiáng)引力情況，需要應(yīng)用愛(ài)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(ài)因斯坦引力理論和牛頓引力理論計(jì)算出的力的差異并不很大。7.牛頓

6、的科學(xué)方法 本節(jié)教材在“科學(xué)足跡”欄目牛頓的科學(xué)生涯一文中總結(jié)了牛頓的科學(xué)方法，這些科學(xué)方法值得我們借鑒：重視實(shí)驗(yàn)：重視實(shí)驗(yàn)，從歸納入手，這是牛頓科學(xué)方法論的基礎(chǔ)。邏輯推論：為了歸納成功，不僅需要大量的可靠資料與廣博的知識(shí)，而且要有清晰的邏輯頭腦。數(shù)學(xué)歸納：事物之間的本質(zhì)聯(lián)系只有通過(guò)數(shù)學(xué)才能歸納為能夠測(cè)量、應(yīng)用和檢驗(yàn)的公式和定律。拓展閱讀1 狹義相對(duì)論(specialrelativity) 適用于慣性系，從時(shí)間、空間等基本概念出發(fā)將力學(xué)和電磁學(xué)統(tǒng)一起來(lái)的物理理論。1905年由A.愛(ài)因斯坦創(chuàng)建。這個(gè)理論在涉及高速運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象時(shí)，同經(jīng)典物理理論顯示出重要的區(qū)別。(1)產(chǎn)生：到19世紀(jì)末，經(jīng)典物理理論已

7、經(jīng)相當(dāng)完善，當(dāng)時(shí)物理學(xué)界較為普遍地認(rèn)為物理理論已大功告成，剩下的不過(guò)是提高計(jì)算和測(cè)量的精度而已。然而某些涉及高速運(yùn)動(dòng)的物理現(xiàn)象顯示了與經(jīng)典理論的沖突，而且整個(gè)經(jīng)典物理理論顯得很不和諧：電磁理論按照經(jīng)典的伽利略變換不滿(mǎn)足相對(duì)性原理，表明存在絕對(duì)靜止的參考系，而探測(cè)絕對(duì)靜止參考系的種種努力均告失敗。似乎存在著經(jīng)典力學(xué)無(wú)法說(shuō)明的極限速度。電子的質(zhì)量依賴(lài)于它的速度。在這種形勢(shì)下，有見(jiàn)地的物理學(xué)家預(yù)感到物理學(xué)中正孕育著一場(chǎng)深刻的革命。愛(ài)因斯坦立足于物理概念要以觀察到的事實(shí)為依據(jù)，而不能以先驗(yàn)的概念強(qiáng)加于客觀事實(shí)，他考察了一些普遍的物理事實(shí)和經(jīng)典物理學(xué)中如運(yùn)動(dòng)、時(shí)間、空間等基本概念，看出以下兩點(diǎn)具有根本的

8、重要性，并把它們作為建立新理論的基本原理：狹義相對(duì)性原理，不僅力學(xué)實(shí)驗(yàn)，而且電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)也無(wú)法確定自身慣性系的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，也就是說(shuō)，在一切慣性系中的物理定律都具有相同的形式。光速不變?cè)?，真空中的光速?duì)不同慣性系的觀察者來(lái)說(shuō)都是c。承認(rèn)這兩條原理，牛頓的絕對(duì)時(shí)間、絕對(duì)空間觀念必須修改，異地同時(shí)概念只具有相對(duì)意義。在此基礎(chǔ)上，愛(ài)因斯坦建立了狹義相對(duì)論。(2)主要內(nèi)容：洛倫茲變換 在狹義相對(duì)論中，洛倫茲變換是最基本的關(guān)系式，狹義相對(duì)論的運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)論和時(shí)空性質(zhì)，如同時(shí)性的相對(duì)性、長(zhǎng)度收縮、時(shí)間延緩、速度變換公式、相對(duì)論多普勒效應(yīng)等都可以從洛倫茲變換中直接得出。質(zhì)速關(guān)系 狹義相對(duì)論預(yù)言，與經(jīng)典力學(xué)不同，物體

9、的質(zhì)量不再是與其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)的量，它依賴(lài)于物體的運(yùn)動(dòng)速度。運(yùn)動(dòng)物體速度為v時(shí)的質(zhì)量為，式中m0為物體的靜質(zhì)量，當(dāng)物體的速度趨于光速時(shí)，物體的質(zhì)量趨于無(wú)窮大。 關(guān)于狹義相對(duì)論中的質(zhì)量，還存在另一種觀點(diǎn)，認(rèn)為只有一種不變的質(zhì)量，即物體的靜質(zhì)量，無(wú)法明確定義運(yùn)動(dòng)質(zhì)量。兩種觀點(diǎn)對(duì)于狹義相對(duì)論的基本看法上沒(méi)有分歧，只是對(duì)質(zhì)量概念的引入上存在分歧。后一種觀點(diǎn)在概念引入的邏輯嚴(yán)謹(jǐn)性上更為可取，而前一種觀點(diǎn)對(duì)于某些物理現(xiàn)象，如回旋加速器的加速限制、康普頓效應(yīng)以及光線的引力偏折等，作淺顯說(shuō)明頗為有效。質(zhì)能關(guān)系 狹義相對(duì)論最重要的預(yù)言是物體的能量E和質(zhì)量m有當(dāng)量關(guān)系，Emc2。與物體靜質(zhì)量m0相聯(lián)系的能量E0m0

10、c2。質(zhì)能關(guān)系是核能釋放的理論基礎(chǔ)。(3)意義：狹義相對(duì)論經(jīng)受了廣泛的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，所有的實(shí)驗(yàn)都沒(méi)有檢測(cè)到同狹義相對(duì)論有什么不一致的結(jié)果。狹義相對(duì)論是基礎(chǔ)牢靠、邏輯結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)和形式完美的物理理論。廣泛應(yīng)用于許多學(xué)科，和量子力學(xué)成為近代物理學(xué)的兩大理論支柱。在現(xiàn)代物理學(xué)中，成為檢驗(yàn)基本粒子相互作用的各種可能形式的試金石，只有符合狹義相對(duì)論的那些理論才有考慮的必要，這就嚴(yán)格限制了各種理論成立的可能性。2量子力學(xué) 二十世紀(jì)初，物理學(xué)取得了兩大突破：一個(gè)是普朗克提出了作用量子的概念；一個(gè)是愛(ài)因斯坦提出的狹義相對(duì)論的時(shí)空觀。 100多年前的1900年，德國(guó)科學(xué)家普朗克提出量子概念，年到年，海森伯和薛定諤最終建

11、立了量子力學(xué)，解決了原子物理、光譜等基本問(wèn)題，取得了巨大成功。之后，量子力學(xué)朝兩個(gè)重要方向發(fā)展：一是向更?。ㄈ缭右韵拢┏叨鹊膽?yīng)用，原子核物理學(xué)就是在量子力學(xué)指引下發(fā)展的，進(jìn)而發(fā)展為目前的基本粒子物理學(xué)。量子力學(xué)使人類(lèi)對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)從宏觀層次跨進(jìn)了微觀層次。 量子力學(xué)的另一個(gè)發(fā)展方向，就是把量子力學(xué)用于處理更大尺度上的問(wèn)題，比如分子的問(wèn)題（即量子化學(xué)問(wèn)題）和固體物理或凝聚態(tài)物理的問(wèn)題。從研究對(duì)象的尺度看，從固體物理到地球物理、行星物理，再到天體物理和宇宙物理，其研究范圍越來(lái)越大。 從年之后，幾乎所有的二十世紀(jì)的物質(zhì)文明都是從相對(duì)論和量子力學(xué)這兩個(gè)物理基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展衍生的。原子構(gòu)造、分子構(gòu)造、

12、核能、激光、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體、x光、超級(jí)計(jì)算機(jī)假如沒(méi)有狹義相對(duì)論和量子力學(xué)，這一切都不會(huì)有。相對(duì)論和量子力學(xué)作為物理學(xué)的基礎(chǔ)，已成為現(xiàn)代精密科學(xué)的兩大柱石。二者的結(jié)合，不僅使物理學(xué)本身日新月異，而且也使物理學(xué)以外的其他自然科學(xué)改變了面貌。3廣義相對(duì)論 1915年，愛(ài)因斯坦（18791955）發(fā)表了他的廣義相對(duì)論。他解釋了引力作用和加速度作用沒(méi)有差別的原因。他還解釋了引力是如何和時(shí)空彎曲聯(lián)系起來(lái)的，利用數(shù)學(xué)，愛(ài)因斯坦指出物體使周?chē)臻g、時(shí)間彎曲，在物體具有很大的相對(duì)質(zhì)量（例如一顆恒星）時(shí)，這種彎曲可使從它旁邊經(jīng)過(guò)的任何其它事物(即使是光線)改變路徑。彎曲光線 廣義相對(duì)論指出，時(shí)空曲率將產(chǎn)生引力。當(dāng)

13、光線經(jīng)過(guò)一些大質(zhì)量的天體時(shí)，它的路線是彎曲的，這源于它沿著大質(zhì)量物體所形成的時(shí)空曲率。因?yàn)楹诙词菢O大的質(zhì)量的濃縮，它周?chē)臅r(shí)空非常彎曲，即使是光線也無(wú)法逃逸。 蟲(chóng)洞 理論上，蟲(chóng)洞是一個(gè)黑洞，它的質(zhì)量非常大，把時(shí)空彎曲進(jìn)了它自身之中，它的口開(kāi)向宇宙的另一個(gè)空間及時(shí)間，或者也許完全進(jìn)入另一個(gè)宇宙空間。也許能夠利用蟲(chóng)洞建立一個(gè)時(shí)間旅行機(jī)器，但許多科學(xué)家們指出這個(gè)機(jī)器不可能重返到它自身被創(chuàng)建的時(shí)間之前。 問(wèn)題思考以牛頓運(yùn)動(dòng)定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)，在科學(xué)研究和生產(chǎn)技術(shù)中有哪些應(yīng)用?例題解析例1以牛頓運(yùn)動(dòng)定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)，在科學(xué)研究和生產(chǎn)技術(shù)中有哪些應(yīng)用？ 解析 經(jīng)典力學(xué)在科學(xué)研究和生產(chǎn)技術(shù)中有廣泛應(yīng)用

14、。經(jīng)典力學(xué)與天文學(xué)相結(jié)合建立了天體力學(xué)；經(jīng)典力學(xué)和工程實(shí)際相結(jié)合，建立了應(yīng)用力學(xué)，如水利學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等。從地面上各種物體的運(yùn)動(dòng)到天體運(yùn)動(dòng)；從大氣的流動(dòng)到地殼的變動(dòng)；從攔河筑壩、修建橋梁到設(shè)計(jì)各種機(jī)械；從自行車(chē)到汽車(chē)、火車(chē)、飛機(jī)等現(xiàn)代交通工具的運(yùn)動(dòng)；從投出籃球到發(fā)射導(dǎo)彈、衛(wèi)星、宇宙飛船等等，所有這些都服從經(jīng)典力學(xué)規(guī)律。例2以牛頓運(yùn)動(dòng)定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)的適用范圍是什么？ 解析 經(jīng)典力學(xué)只適用于解決低速運(yùn)動(dòng)物體，不能用來(lái)處理高速運(yùn)動(dòng)物體；經(jīng)典力學(xué)只適用于宏觀物體，一般不適用于微觀粒子；經(jīng)典力學(xué)只適用于解決弱引力問(wèn)題，不能用來(lái)處理強(qiáng)引力問(wèn)題。例3怎樣看待經(jīng)典力學(xué)和相對(duì)論、量子力學(xué)的關(guān)系？解析 相對(duì)論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，說(shuō)明人類(lèi)對(duì)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。當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速c(3108m/s）時(shí)，相對(duì)論物理學(xué)和經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論沒(méi)有區(qū)別；當(dāng)另