2019-2020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

《2019-2020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》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2019-2020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（9頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、第一節(jié) 經(jīng)典力學(xué)的成就與局限性 第二節(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.認(rèn)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)展了觀察實(shí)驗(yàn)、科學(xué)思維與數(shù)學(xué)相結(jié)合的方法，并發(fā)現(xiàn)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、惠更斯等人研究的基礎(chǔ)上，采用歸納與演繹、綜合與分析的方法

2、，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)家逐漸發(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)偉大成就 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)自然界認(rèn)識(shí)的第一次理論大綜合． ②使人們認(rèn)識(shí)到了以現(xiàn)象觀察和實(shí)驗(yàn)研究為基礎(chǔ)的自然科學(xué)理論的基本特征． ③建立了以實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)相結(jié)合的研究方法． 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)；從大氣流動(dòng)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

3、到發(fā)射導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船——所有這些都服從經(jīng)典力學(xué)的規(guī)律． (4)局限性 ①經(jīng)典力學(xué)不適用于研究高速運(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)于所有的慣性系，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(絕對(duì)時(shí)空觀) 時(shí)間永遠(yuǎn)均勻地流逝，與任何外界無(wú)關(guān)；空間與任何外

4、界事物無(wú)關(guān)，從不運(yùn)動(dòng)，永遠(yuǎn)不變． (4)經(jīng)典時(shí)空觀的幾個(gè)具體結(jié)論 ①同時(shí)的絕對(duì)性． ②時(shí)間間隔的絕對(duì)性． ③空間距離的絕對(duì)性； 物體質(zhì)量恒定不變，即它們與參考系的選擇(或觀察者的運(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(觀察者)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)事件，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：

5、時(shí)鐘相對(duì)于觀察者靜止時(shí)，走得快；相對(duì)于觀察者運(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)于觀察者靜止時(shí)，它的長(zhǎng)度測(cè)量值最大；相對(duì)于觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者在運(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 所有物理規(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)? 在一切慣性參照系中，測(cè)量到的真空中的光速c都一樣(c＝3×108 m/s)． 2.兩個(gè)效應(yīng) (1

6、)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＝，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?。? ②關(guān)系式： l′＝l. 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)速度的變化而變化． ②關(guān)系式：m＝ 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按照相對(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，這就是著名的質(zhì)

7、能關(guān)系式． ②質(zhì)量和能量是物質(zhì)不可分離的屬性，當(dāng)物質(zhì)的質(zhì)量減少或增加時(shí)，必然伴隨著能量的減少或增加，其關(guān)系為ΔE＝Δmc2. 1．思考判斷(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)現(xiàn)長(zhǎng)度變化，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)別． (　　) (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

8、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)度的變化太小以至于可忽略不計(jì)． (5)×　質(zhì)能關(guān)系反映的是當(dāng)物體的質(zhì)量發(fā)生變化時(shí)，必然伴隨著能量的變化． (6)×　時(shí)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)現(xiàn)了一些新的事實(shí)，而經(jīng)典力學(xué)卻無(wú)法解釋?zhuān)?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．隨著認(rèn)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)客觀事物的具體認(rèn)識(shí)，在廣

9、度上是有局限性的 C．經(jīng)典力學(xué)與相對(duì)論是相互矛盾的一對(duì)理論 D．人們應(yīng)當(dāng)不斷地?cái)U(kuò)展認(rèn)識(shí)，在更廣闊的領(lǐng)域內(nèi)掌握不同事物的本質(zhì)與規(guī)律 BD　[人們對(duì)客觀世界的認(rèn)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一定的局限性，人們只有不斷地?cái)U(kuò)展自己的認(rèn)識(shí)，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(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)在一定條件下的特殊情形．所以A、C錯(cuò)，B、D對(duì)．] 3．如圖所示，沿平直鐵路線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)上的觀察者測(cè)得A、C兩鐵塔被

10、照亮的順序是(　　) A．同時(shí)被照亮　 B．A先被照亮 C．C先被照亮 D．無(wú)法判斷 C　[列車(chē)上的觀察者看到的是由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)上的觀察者，觀察者看到C先被照亮，故只有C正確．] 經(jīng)典力學(xué)與相對(duì)論 1.絕對(duì)時(shí)空觀是在地球范圍內(nèi)憑直覺(jué)經(jīng)驗(yàn)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實(shí)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

11、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，它們之間相互依賴(lài)、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)而改變，在狹義相對(duì)論中，物體的質(zhì)量也不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而改變 B．狹義相對(duì)論和經(jīng)典力學(xué)是完全不同相互矛盾的兩個(gè)理論 C．物體高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體的運(yùn)動(dòng)服從狹義相對(duì)論

12、，在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體的運(yùn)動(dòng)服從牛頓運(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)而改變，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(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．根據(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

13、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)而改變 D　[根據(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＝，由上式可以看出vΔt′，因此如果某時(shí)鐘所顯示的某個(gè)物理過(guò)程經(jīng)歷的時(shí)間間隔小，我們稱(chēng)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(chēng)為時(shí)間延緩．

14、 2．長(zhǎng)度收縮效應(yīng) 按照狹義相對(duì)論時(shí)空觀，空間也與運(yùn)動(dòng)密切相關(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′＝l，由于v

15、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)?.3×1016 m．設(shè)有一宇宙飛船自地球往返于半人馬星座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，飛船往返一次需多少時(shí)間？ (2)如以飛船上時(shí)鐘計(jì)算，往返一次的時(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均是地球上的觀察者測(cè)量的，故飛船往返一次，地球時(shí)鐘所測(cè)時(shí)間間隔 Δt＝＝2.87×108 s. (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)事件，顯然飛船上的鐘測(cè)出兩事件的時(shí)間間隔Δt′是固定的，地球上所測(cè)的時(shí)間間隔Δt與Δt′之間滿足時(shí)間延緩效應(yīng)

16、的關(guān)系式．以飛船上的時(shí)鐘計(jì)算，飛船往返一次的時(shí)間間隔為 Δt′＝Δt＝1.28×107 s. [答案]　(1)2.87×108 s　(2)1.28×107 s 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)生了變化，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)現(xiàn)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

17、)這種沿著運(yùn)動(dòng)方向的長(zhǎng)度的變化是相對(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的速度從觀察者的身邊飛過(guò)． (1)火箭上的人測(cè)得火箭的長(zhǎng)度應(yīng)為多少？ (2)觀察者測(cè)得火箭的長(zhǎng)度應(yīng)為多少？ (3)如果火箭的速度為光速的二分之一，觀察者測(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)火箭外面的觀察者看火箭時(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′＝l，其中c為真空中的光速． (3)將v＝代入長(zhǎng)度收縮效應(yīng)公式得l′＝l. [答案]　(1)l　(2)l　(3)l 1．(

18、多選)牛頓運(yùn)動(dòng)定律能適用于下列哪些情形(　　) A．研究原子中電子的運(yùn)動(dòng) B．研究“神舟五號(hào)”飛船的高速發(fā)射 C．研究地球繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng) D．研究飛機(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)不服從牛頓運(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)，卻是微不足道的，完全可以用牛頓運(yùn)動(dòng)定律研究其規(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)都只有量的變化，而不會(huì)發(fā)生

19、質(zhì)的變化 B．時(shí)間和空間不依賴(lài)人們的意識(shí)而存在 C．時(shí)間和空間是絕對(duì)的 D．時(shí)間和空間是緊密聯(lián)系、不可分割的 ABC　[經(jīng)典時(shí)空觀認(rèn)為時(shí)間和空間都是與外界事物無(wú)關(guān)的、絕對(duì)的，選項(xiàng)A、B、C屬于經(jīng)典時(shí)空觀；選項(xiàng)D屬于相對(duì)論時(shí)空觀．] 3．如圖所示，強(qiáng)強(qiáng)乘坐速度為0.9c(c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)行聯(lián)絡(luò)，則壯壯觀測(cè)到該光束的傳播速度為(　　) A．0.4c　　　 B．0.5c C．0.9c D．c D　[由狹義相對(duì)論的光速不變?cè)碇?，真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的，可知D正確，A、B、C錯(cuò)誤．] - 9 -