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2VIP

1、【課題】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)的問題 ?6、牛頓建立的經(jīng)典力學(xué)的適用范圍？愛因斯坦提出的相對(duì)論是否全盤否定了牛頓的經(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

2、增大。 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，當(dāng)vc時(shí)，mm0；當(dāng)v趨近于c時(shí)，m趨近于無窮大。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

3、立。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)，物體的長度即物體占有的空間，以及物理過程、化學(xué)過程，甚至還有生命過程的持續(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)來說明。20世紀(jì)2

4、0 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)的問題 牛頓的萬有引力定律取得了巨大的成就，但在一些問題上也遇到了困難。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，同時(shí)還預(yù)言光線經(jīng)過大質(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)，引力趨于無窮大；而愛因斯坦的理論則認(rèn)為，引力趨于無窮大發(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)，由愛因斯坦和牛頓引力理論計(jì)算出的力的差異

5、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)論沒有區(qū)別。對(duì)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引力理論計(jì)算出的力的差異并不很大。7.牛頓的科學(xué)方法 本

6、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。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)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題，不能用來處理強(qiáng)引力問題。例2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

7、相對(duì)論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，說明人類對(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(3×108m/s）時(shí)，相對(duì)論物理學(xué)和經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別；當(dāng)另一個(gè)重要常數(shù)即“普朗克常數(shù)”h（6.63×10-34Js）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。相對(duì)論和量子力學(xué)都沒有否定過去的科學(xué)，而只認(rèn)為過去的科學(xué)是自己在一定條件下的特殊情形。例3一個(gè)靜止質(zhì)量mo=1kg的物體，與地球一起繞太陽公轉(zhuǎn)的速度是v=30km/s，在相應(yīng)的慣性系的觀測(cè)者測(cè)得物體的質(zhì)量為多大？ 解析 根據(jù)狹義相對(duì)論中質(zhì)量與運(yùn)

8、動(dòng)速度的關(guān)系得： 拓展： 在物體的速度v=30km/s時(shí)，仍可以認(rèn)為是低速運(yùn)動(dòng)，其質(zhì)量仍認(rèn)為是靜止質(zhì)量?！竞粚?shí)基礎(chǔ)】1.以下說法正確的是（ ）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.經(jīng)典力學(xué)理論的成立具有一定的局限性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D.相對(duì)論與量子力學(xué)否定了經(jīng)典力學(xué)理論2.20世紀(jì)初，著名物理學(xué)家愛因斯坦提出了 ，改變了經(jīng)典力學(xué)的一些結(jié)論。在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量是 的，而相對(duì)論指出質(zhì)量隨著速度變化而 。3.經(jīng)典力學(xué)只適用于解決 問題，不能用來處理 問題，經(jīng)典力學(xué)只適用于 物體，一般不適用于 。4. 與 都沒有否定過去的科學(xué)，而認(rèn)為過去的科學(xué)是自

9、己在一定條件下的特殊情形。5.一條河流中的水以相對(duì)于河岸的速度v水岸流動(dòng)，河中的船以相對(duì)于水的速度v船水順流而下。在經(jīng)典力學(xué)中，船相對(duì)于岸的速度為v船岸 。 【知能提升】1.下列說法中正確的是（ ）A經(jīng)典力學(xué)適用于任何情況下的任何物體B狹義相對(duì)論否定了經(jīng)典力學(xué)C量子力學(xué)能夠描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性D萬有引力定律也適用于強(qiáng)相互作用力2.經(jīng)典力學(xué)不能適用下列哪些運(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(cè)器 D微觀粒子的波動(dòng)性3.對(duì)于下列說法正確的是（ ）A經(jīng)典力學(xué)的質(zhì)量是不變的 B經(jīng)典力學(xué)的時(shí)間和空間是獨(dú)立于物體運(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4

10、.下列說法正確的是（ ）A微觀粒子的運(yùn)動(dòng)速度超過光速，因此經(jīng)典力學(xué)不適用B微觀粒子的質(zhì)量是不確定的，因此經(jīng)典力學(xué)不適用C微觀粒子具有波粒二象性，因此經(jīng)典力學(xué)不適用D量子力學(xué)僅適用于微觀粒子的運(yùn)動(dòng)5.經(jīng)典力學(xué)只適用于“宏觀世界”，這里的“宏觀世界”是指（ ）A行星、恒星、星系等巨大的物質(zhì)領(lǐng)域 B地球表面上的物質(zhì)世界C人眼能看到的物質(zhì)世界 D不涉及分子、原子、電子等微觀粒子的物質(zhì)世界6.關(guān)于經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué)，下面說法中正確的是（ ）A不論是對(duì)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B量子力學(xué)適用于宏觀物體的運(yùn)動(dòng)；經(jīng)典力學(xué)適用于微觀粒子的運(yùn)動(dòng)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

11、于微觀粒子的運(yùn)動(dòng)D上述說法都是錯(cuò)誤的7.日常生活我們并沒發(fā)現(xiàn)物體的質(zhì)量隨物體的運(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8.以下說法正確的是（ ）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經(jīng)典力學(xué)理論的成立具有一定的局限性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D相對(duì)論與量子力學(xué)否定了經(jīng)典力學(xué)理論 9.如果真空中的光速為c3×108m/s，當(dāng)一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)速度為v12.4×108 m/s時(shí)，質(zhì)量為3kg，當(dāng)它的速度為v21.8×108m/s時(shí)，質(zhì)量為多少？參考答案：【問題思考】經(jīng)典力學(xué)在科學(xué)研究和生產(chǎn)技術(shù)中有廣泛的應(yīng)用經(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)到天體的運(yùn)動(dòng)：從大氣的流動(dòng)到地殼的變動(dòng)：從攔柯筑壩、修建橋梁到設(shè)計(jì)各種機(jī)