§6.6经典力学的局限性
课 题
6.6经典力学的局限性
备课时间
上课时间
总课时数
课程目标
知识与
技能
知道牛顿运动定律的适用范围。了解经典力学在科学研究和生产技术中的广泛应用。知道质量与速度的关系，知道高速运动中必须考虑速度随时间的变化。
过程与
方法
通过阅读课文体会一切科学都有自己的局限性，新的理论会不断完善和补充旧的理论，人类对科学的认识是无止境的。
情感态度与价值观
通过对牛顿力学适用范围的讨论，使学生知道物理中的结论和规律一般都有其适用范围，认识知识的变化性和无穷性，培养献身于科学的时代精神。
教学重点
牛顿运动定律的适用范围
教学难点
高速运动的物体，速度和质量之间的关系
教学过程
二次备课
引入新课：自从17世纪以来，以牛顿定律为基础的经典力学不断发展，取得了巨大的成就，经典力学在科学研究和生产技术中有了广泛的应用，从而证明了牛顿运动定律的正确性。
但是，经典力学也不是万能的，向其它科学一样，它也有一定的适用范围，有自己的局限性。那么经典力学在什么范围内适用呢？有怎样的局限性呢？这节课我们就来了解这方面的知识。
进行新课：请同学们阅读课文，阅读时考虑下列问题
1、经典力学取得了哪些辉煌的成就？举例说明。2、经典力学在哪些领域不能适用？能说出为什么吗？举例说明。3、经典力学的适用范围是什么？自己概括一下。4、相对论和量子力学的出现是否否定了牛顿的经典力学？应该怎样认识？5、怎样理解英国剧作家萧伯纳的话“科学总是从正确走向错误”？
学生阅读教材，并思考上面的问题。分组讨论，代表发言。
［学生A］经典力学在微观领域和高速运动领域不再适用；在不同参考系中不能适用；在强引力的情况下，经典的引力理论也是不适用的。
［学生B］因为微观粒子（如电子、质子、中子）在运动时不仅具有粒子性，而且还具有波动性，经典力学不能说明这种现象，所以它不再适用，同时在高速运动领域，由于物体运动速度太快，要导致质量发生变化，而经典力学认为质量是不变的，所以经典力学在高速运动领域内也不再适用.
［学生C］从上面分析知：牛顿运动定律的适用范围是：宏观物体，低速运动。
教师总结：经典力学在微观领域、高速运动的情况下不再适用.那么对这些领域的问题又应如何研究呢？下面给大家简单介绍一些近代物理知识。
从经典力学到相对论的发展
以牛顿运动定律为基础的经典力学中，空间间隔（长度）s、时间t和质量m这三个物理量都与物体的运动速度无关.一根尺子静止时这样长，当它运动时还是这样长；一分钟不论处于静止状态还是处于运动状态，其快慢保持不变；一个物体静止时的质量和运动时的质量一样.这就是经典力学的绝对时空观.
到了19世纪末，面对高速运动的微观粒子发生的现象，经典力学遇到了困难.在新事物面前，爱因斯坦打破了传统的时空观，于1905年发表了题为《论运动物体的电动力学》的论文，提出了狭义相对性原理和光速不变原理，创建了狭义相对论.狭义相对论指出：长度、时间和质量都是随物体的运动速度而变化的.长度、时间和质量随速度的变化关系可以用下列方程表达式：
l=l0（通称尺缩效应）t= （钟慢效应）
m=（质—速效应） 上式中，各式里的v都是物体的运动速度，c是真空中的光速，l0和l分别为在相对静止和运动系统中沿速度方向测得的物体的长度；t和t0分别为在相对静止和运动的系统中测得的时间；m0和m分别为在相对静止和运动系统中测得的物体质量.
但是，当宏观物体的运动速度远小于光速时（v<继狭义相对论之后，1915年爱因斯坦又建立了广义相对论，指出空间——时间不可能离开物质而独立存在，空间的结构和性质取决于物质的分布，使人类对于时间、空间和引力现象的认识大大深化了.“狭义相对论”和“广义相对论”统称为相对论.
【板书设计】
一、经典力学的广泛应用：经典力学在两次工业革命中发挥出巨大作用。
二、经典力学与狭义相对论
物体的质量随物体的运行速度而变化；物体运动的位移与时间与参考系的选择有关
当物体的速度远小于光速C（3×108）时两者结论是一致的。
三、经典力学与量子力学：微观粒子运动的波动性不能用经典力学来解释，但量子力学能正确地描述微观粒子的运动规律。
四、经典力学与广义相对论
牛顿引力理论在强引力作用下不适用，只能用广义相对论的引力场理论来解释强引力作用。
五、经典力学的适用范围：宏观、低速、弱力情况下适用
训练6 习题课：天体运动
[基础题]
1．据观测，某行星外围有一模糊不清的环，为了判断该环是连续物还是卫星群，又测出了环中各层的线速度v的大小与该层至行星中心的距离R，则以下判断中正确的是 ( )
A．若v与R成正比，则环是连续物
B．若v与R成反比，则环是连续物
C．若v2与R成正比，则环是卫星群
D．若v2与R成反比，则环是卫星群
2．中国在2011年发射了“天宫一号”飞行器，“天宫一号”是空间实验室的实验版，并且发射了“神舟九号”与“天宫一号”进行载人手动对接．“天宫一号”飞行器设计质量为8吨，预定轨道为距地面几百公里的较低轨道，根据以上信息，下列说法正确的是 ( )
A．“天宫一号”运行的向心加速度大于地球同步卫星的向心加速度
B．“天宫一号”的运行速率小于地球同步卫星的运行速率
C．“天宫一号”的周期小于地球同步卫星的周期
D．“天宫一号”的周期等于地球同步卫星的周期
3．甲、乙为两颗地球卫星，其中甲为地球同步卫星，乙的运行高度低于甲的运行高度，两卫星轨道均可视为圆轨道．以下判断正确的是 ( )
A．甲的周期大于乙的周期
B．乙的速度大于第一宇宙速度
C．甲的向心加速度小于乙的向心加速度
D．甲在运行时能经过北极的正上方
4. 1970年4月24日，我国自行设计、制造的第一颗人造卫星“东方红
一号”发射成功，开创了我国航天事业的新纪元．如图1所示，“东
方红一号”的运行轨道为椭圆轨道，其近地点M和远地点N的高度
分别为439 km和2 384 km，则 ( ) 图1
A．卫星在M点的速度大于N点的速度
B．卫星在M点的角速度大于N点的角速度
C．卫星在M点的加速度大于N点的加速度
D．卫星在N点的速度大于7.9 km/s
5．图2是“嫦娥一号”奔月示意图，卫星发射后通过自带的小型火箭多次变轨，进入地月转移轨道，最终被月球引力捕获，成为绕月卫星，并开展对月球的探测．下列说法正确的是
( )
图2
A．发射“嫦娥一号”的速度必须达到第三宇宙速度
B．在绕月圆轨道上，卫星周期与卫星质量有关
C．卫星受月球的引力与它到月球中心距离的平方成反比
D．在绕月圆轨道上，卫星受地球的引力大于受月球的引力
6．宇宙中有两颗星球组成的双星，在相互之间的万有引力作用下绕连线上的某点做周期相同的匀速圆周运动．现测得两颗星球之间的距离为L，质量之比为m1∶m2＝3∶2，则下列说法正确的是 ( )
A．m1、m2做圆周运动的线速度之比是3∶2
B．m1、m2做圆周运动的角速度之比是3∶2
C．m1做圆周运动的半径为L
D．m2做圆周运动的半径为L
[能力题]
7．月球绕地球做匀速圆周运动的向心加速度的大小为a，设月球表面的重力加速度大小为g1，在月球绕地球运行的轨道处由地球引力产生的加速度大小为g2，则 ( )
A．g1＝a B．g2＝a C．g1＋g2＝a D．g2－g1＝a
8．对某行星的一颗卫星进行观测，已知该卫星运行的轨迹是半径为r的圆周，周期为T，求：
(1)该行星的质量；
(2)测得行星的半径为卫星轨道半径的，则此行星表面的重力加速度为多大？
[探究与拓展题]
9．如图3所示，火箭内平台上放有测试仪，火箭从地面启动后，以加速度竖
直向上匀加速运动，升到某一高度时，测试仪对平台的压力为启动前压力的
.已知地球半径为R，求火箭此时离地面的高度．(g为地面附近的重力加
速度)
图3
答案 1．AD 2．AC 3．AC 4．ABC 5．C 6．C 7．B 8．(1) (2) 9.
经典力学与相对论、量子力学的理解
1．继哥白尼提出“太阳中心说”、开普勒提出行星运动三定律后，牛顿站在巨人的肩膀上，创立了经典力学，揭示了包括行星在内的宏观物体的运动规律；爱因斯坦既批判了牛顿力学的不足，又进一步发展了牛顿的经典力学，创立了相对论，这说明
( )．
A．世界无限扩大，人不可能认识世界，只能认识世界的一部分
B．人的意识具有能动性，能够正确地反映客观世界
C．人对世界的每一个正确认识都有局限性，需要发展和深化
D．每一个认识都可能被后人推翻，人不可能获得正确的认识
解析 发现总是来自于认识过程，观点总是为解释发现而提出的，主动认识世界，积极思考问题，追求解决(解释)问题，这是科学研究的基本轨迹．
任何一个人对客观世界的认识都要受当时的客观条件和科学水平的制约，所以所形成的“正确理论”都有一定的局限性，爱因斯坦的相对理论是对牛顿力学的理论的发展和深化，但也有人正在向爱因斯坦理论挑战．
答案 BC
2．关于经典力学的相对论，下列说法正确的是
( )．
A．经典力学和相对论是各自独立的学说，互不相容
B．相对论是在否定了经典力学的基础上建立起来的
C．相对论和经典力学是两种不同的学说，二者没有联系
D．经典力学包含于相对论之中，经典力学是相对论的特例
解析 人们对客观世界的认识，要受到所处时代的客观条件和科学水平的制约，所以形成的看法也都具有一定的局限性，人们只有不断地扩展自己的认识，才能掌握更广阔领域内的不同事物的本质与规律；新的科学的诞生，并不意味着对原来科学的全盘否定，只能认为过去的科学是新的科学在一定条件下的特殊情形．故选D.
答案 D
从低速到高速的变化
3．日常生活中，我们并没发现物体的质量随物体运动的速度变化而变化，其原因是
( )．
A．运动中物体无法称量质量
B．物体的速度远小于光速，质量变化极小
C．物体的质量太大
D．物体的质量不随速度的变化而变化
解析 根据狭义相对论m＝可知，在宏观物体的运动中，v?c，所以m变化不大，而不是因为物体的质量太大或无法测量，也不是因为质量不随速度的变化而变化，正确选项是B.
答案 B
4．在粒子对撞机中，有一个电子经过高压加速，速度达到光速的0.5倍，试求此时电子的质量变为静止时的多少倍．
解析 由于电子的速度接近光速，所以质量变化明显，根据爱因斯坦狭义相对论中运动质量与静止质量的关系得
m＝＝＝＝＝1.155m0.
答案 1.155倍
6 经典力学的局限性
(时间：60分钟)
知识点
基础
中档
稍难
经典力学与相对论、量子力学
1、2、3、4
从低速到高速的变化
5、7
6
综合提升
8、9
知识点一 经典力学与相对论、量子力学
1．下列说法中正确的是
( )．
A．牛顿运动定律就是经典力学
B．经典力学的基础是牛顿运动定律
C．牛顿运动定律可以解决自然界中的所有问题
D．经典力学可以解决自然界中的所有问题
解析 经典力学并不等于牛顿运动定律，牛顿运动定律只是经典力学的基础；经典力学并非万能，也有其适用范围，并不能解决自然界中所有的问题，没有哪个理论可以解决自然界中的所有问题．因此只有搞清牛顿运动定律和经典力学的隶属关系，明确经典力学的适用范围才能正确解决此类问题．
答案 B
2．关于绝对时空观，下列说法正确的是
( )
A．时间间隔是相对的
B．空间距离是相对的
C．同时是相对的
D．物体的质量是绝对的
解析 绝对时空观中，时间、空间与任何外界无关，都是绝对的．物体的质量也被视为恒定不变．所以只有D正确．
答案 D
3．下列说法中正确的是
( )．
A．经典力学适用于任何情况下的任何物体
B．狭义相对论否定了经典力学
C．量子力学能够描述微观粒子运动的规律性
D．万有引力定律也适用于强相互作用力
解析 经典力学只适用于宏观、低速、弱引力的情况，故A项是错误的；狭义相对论没有否定经典力学，在宏观低速情况下，相对论的结论与经典力学没有区别，故B项是错误的；量子力学正确描述了微观粒子运动的规律性，故C项是正确的；万有引力定律只适用于弱相互作用力，而对于强相互作用力是不适用的，故D项是错误的．
答案 C
4．下列说法正确的是
( )．
①当物体运动速度远小于光速时，相对论物理学和经典物理学的结论没有区别；②当物体运动速度接近光速时，相对论物理学和经典物理学没有区别；③当普朗克恒量h(6.63×10－34J·s)可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别；④当普朗克恒量h不能忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别．
A．①③ B．②④ C．①④ D．②③
解析 经典力学可以认为是相对论物理学在低速、宏观下的特例，正确选项为A.
答案 A
知识点二 从低速到高速的变化
5．牛顿定律不适用于下列哪些情况
( )．
A．研究原子中电子的运动
B．研究“神舟”七号飞船的高速发射
C．研究地球绕太阳的运动
D．研究飞机从北京飞往纽约的航线
解析 牛顿力学属于经典力学的研究范畴，适用于宏观、低速运动的物体，并注意到低速和高速的标准是相对于光速，可判定牛顿定律适用于B、C、D中描述的运动，而A不适用．
答案 A
6．对于公式m＝，下列说法中正确的是
( )．
A．式中的m0是物体以速度v运动时的质量
B．当物体的运动速度v＞0时，物体的质量m＞m0，即物体的质量改变了， 故经典力学不适用，是不正确的
C．当物体以较小速度运动时，质量变化十分微弱，经典力学理论仍然适用， 只有当物体以接近光速运动时，质量变化才明显，故经典力学适用于低 速运动，而不适用于高速运动
D．通常由于物体的运动速度太小，故质量的变化引不起我们的感觉，在分 析地球上物体的运动时，不必考虑质量的变化
解析 公式m＝中，m0为物体静止的质量，m是物体速度为v时的质量，故A错；当v接近光速时，经典力学不适用，B错误；物体速度远小于光速时，质量的变化可以忽略不计，即经典力学适用于低速，不适用于高速，C正确；地球上的物体运动速度一般比较小，经典力学适用，D正确．
答案 CD
7．当物体的速度v＝0.9c(c为光速)时，物体的质量增大到原质量的________倍．
解析 根据质量与速度的关系，将v＝0.9c代入求得m＝＝≈2.29m0.
答案 2.29
8．一个静止质量m0＝1 kg的物体，与地球一起绕太阳公转的速度是30 km/s，在相应的惯性参考系中，观测者测得该物体的质量为多少？
解析 由爱因斯坦的狭义相对论得
m＝，
解得m＝ kg＝1.000 000 005 kg.
答案 1.000 000 005 kg
9．一个原来静止的电子，经电场加速后速度为v＝6×106 m/s.问电子的质量增大了还是减小了？改变了百分之几？
解析 根据爱因斯坦的狭义相对论m＝得，运动后的质量增大了，且m＝＝≈1.000 2m0，
所以改变的百分比为×100%＝0.02%.
答案 增大了 0.02%
课件22张PPT。6 经典力学的局限性1．了解经典力学的发展历程和伟大成就．
2．知道经典力学的局限性和适用范围．
3．了解高速和微观世界中的奇妙物理现象．
4．了解科学理论的相对性，体会科学理论是不断发展和完善的．牛顿运动定律 宏观 低速 弱引力 天体力学 接近光的速度 不变 增大 速度远小于光速 4．经典力学认为位移和时间的测量与参考系 ，相对论认为，同一过程的位移和时间的测量与参考系 ，在不同的参考系中 ．
温馨提示 经典力学中，物体的质量大小和用时是固定不变的．但相对论中，它们会随速度而发生变化．无关有关不同二、从宏观到微观
?电子、质子、中子等微观粒子不仅具有 ，同时还具有波动性，它们的运动规律很多情况下不能用经典力学来说明，
而 能够正确地描述微观粒子的运动规律．
?经典力学的适用范围：只适用于 运动，不适用于 运动；只适用于 世界，不适用于 世界．
温馨提示 相对论和量子力学的出现，并未说明经典力学失去了意义，只是说明各有一定的适用范围．粒子性量子力学低速高速宏观微观三、从弱引力到强引力
1915年，爱因斯坦创立了广义相对论，这是一种新的时空与引力的理论．在强引力的情况下，牛顿引力理论 当物体的运动速度远小于光速c(3×108 m/s)时，相对论物理学与经典物理学的结论 ，当另一个重要常数即“普朗克常量”(6.63×10－34 J·s)可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论 ．不再适用没有区别没有区别一、从低速到高速引起的物理规律的变化
?低速与高速的概念
(1)低速：通常所见物体的运动，如行驶的汽车、发射的导弹、人造地球卫星及宇宙飞船等物体的运动皆为低速运动物体．
(2)高速：有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近，这样的速度称为高速． 速度对物理规律的影响：对低速运动问题，一般用经典力学规律来处理．对高速运动问题，经典力学已不再适用，需要用相对论知识来处理．
二、经典力学与相对论、量子理论的关系
?两种理论是历史发展的不同产物
在历史发展的不同阶段，人类建立了经典力学和相对论、量子力学两套物理学理论．经典力学理论不可能穷尽一切真理，必有其局限性，现在可认为经典力学理论是狭义相对论和量子理论的特例．?两种理论的适用范围不同
(1)经典力学理论适用于弱引力作用下，低速运动的宏观物体．而它在强引力作用下，或高速运动或微观世界不适用．
(2)近期建立的相对论原理及量子力学是一种全新的时空与引力理论，它并没有否定经典力学理论，是在经典力学基础上加以完善，适用范围更广、更全面．
?小船在河中顺流而下，在经典力学中，时间和空间互不相干，它们的存在和测量均与运动无关，故有v船岸＝v船水＋v水岸．但相对论认为，速度总与位移及时间间隔的测量相联系，因而上式不成立．?牛顿的万有引力定律认为：物体间的距离减半，引力增到原来的四倍，即符合“平方反比”规律；爱因斯坦引力理论表明：物体间的距离减小时，它们间的引力比“平方反比”规律增加得更快，距离越小，这种差别就越大．【典例1】 20世纪以来，人们发现了一些新的事实，而经典力学却无法解释．经典力学只适用于解决物体的低速运动问题，不能用来处理高速运动问题；只适用于宏观物体，一般不适用于微观粒子，这说明 ( )．
A．随着认识的发展，经典力学已成了过时的理论
B．人们对客观事物的具体认识在广度上是有局限性的
C．不同领域的事物各有其本质与规律
D．人们应当不断扩展认识，在更广阔的领域内掌握不同事物 的本质与规律经典力学与相对论、量子力学的理解 解析 人们对客观世界的认识要受到所处的时代的客观条件和科学水平的制约，所以形成的看法也都具有一定的局限性，人们只有不断扩展自己的认识，才能掌握更广阔领域内的不同事物的本质与规律；新的科学的诞生并不意味着对原来科学的全盘否定，只能认为过去的科学是新的科学在一定条件下的特殊情形．
答案 BCD
借题发挥 相对论和量子力学的出现，说明人类对自然界的认识更加广泛和深入，而不表示经典力学已失去了意义，它只是使人们认识到经典力学有它的适用范围，经典力学是相对论、量子力学的特例．【变式1】
物理学的发展丰富了人类对物质世界的认识，推动了科学技术的创新和革命，促进了物质生产的繁荣与人类文明的进步，下列表述正确的是 ( )．
A．牛顿发现了万有引力定律
B．牛顿通过实验证实了万有引力定律
C．相对论的创立表明经典力学已不再适用
D．爱因斯坦建立了狭义相对论，把物理学推进到高速领域解析 万有引力定律是牛顿发现的，但在实验室里加以验证是卡文迪许进行的，A对、B错．相对论并没有否定经典力学，经典力学对于低速、宏观运动仍适用，C错．狭义相对论的建立，是人类取得的重大成就，从而把物理学推到更高领域，D对
答案 AD【典例2】 真空中的光速为c＝3.0×108 m/s，如果一个物体运动的速度为v1＝2.4×108 m/s时，质量为3 kg.当它的速度为v2＝1.8×108 m/s时，质量为多少？从低速到高速的变化 【变式2】
经典力学不能适用于下列哪些运动
( )．
A．火箭的发射
B．宇宙飞船绕地球的运动
C．“勇气号”宇宙探测器的运动
D．以99%倍光速运行的电子束
解析 经典力学在宏观低速运动的广阔领域(包括天体力学的研究)中，经受了实践的检验，取得了巨大的成就，但在高速领域不再适用，故选项A、B、C适用．
答案 D单击此处进入 课堂对点演练单击此处进入 活页规范训练六、 经典力学的局限性
［要点导学］
1．以牛顿运动定律为基础的经典力学，在万有引力定律建立后，更趋完美。几乎能解释当时所能看到的从天体到地面上的物体的运动现象，而且是那么地与实际相符合。于是经典力学就被人们广泛接受，并被用到实际中去，带来了许多新技术革命，对人们的生产和生活带来了重大的影响。
2．经典力学的局限
和任何理论一样，经典力学也有它的局限性，有它的适用范围。
（1）从低速到高速——狭义相对论：当物体运动的速度比真空中的光速小得多时，质量、时间和长度的变化很小，可以忽略，经典力学完全适用。但如果物体运动速度可以和光速相比较时，质量、时间和长度的变化就很大，经典力学就不再适用，狭义相对论阐述了物体在以接近光速运动时所遵循的规律。
（2）从宏观到微观——量子力学：物理学研究深入到微观世界，发现微观粒子不但具有粒子的性质，还能产生干涉、衍射现象。干涉和衍射是波所特有的性质。也就是说微观粒子具有波动性。这是牛顿经典力学无法解释的。正是在这种情形下，量子力学应运而生，量子力学能够很好地解释微观粒子的运动规律。
（3）从弱引力到强引力——广义相对论：天文观测发现行星的轨道并不严格闭合，它们的近日点在不断地旋进。这种现象称为行星的轨道旋进。这是用牛顿万有引力定律无法得到满意解释的。爱因斯坦创立了广义相对论，根据广义相对论计算出的水星近日点的旋进与天文观测能很好地吻合,爱因斯坦创立的广义相对论是一种新的时空引力理论，爱因斯坦还根据广义相对论预言了光线在经过大质量星体附近时会发生偏转，这也是被天文观测所证实的。
根据牛顿万有引力定律，假定一个球形天体总质量不变，并通过压缩减小它的半径，天体表面上的引力将会增加。半径减小到原来的二分之一，引力增大到原来的四倍。爱因斯坦引力理论表明，这个力实际上增大得更快些。天体半径越小，这种差别越大。根据牛顿的理论，当天体被压缩成半径几乎为零的一个点时，引力趋于无穷大。爱因斯坦的理论则不然，引力趋于无穷大发生在半径接近一个“引力半径”的时候。这个引力半径的值由天体的质量决定，例如太阳的引力半径为3km，地球的引力半径为1m。因此，只要天体的实际半径远大于它们的引力半径，那么由爱因斯坦和牛顿引力理论计算出的力的差异并不大。但当天体的实际半径接近引力半径时，这种差异将急剧增大。这就是说，在强引力的情况下，牛顿引力理论将不再适用。
3．经典力学适用于低速运动；适用于宏观世界；适用于弱引力情况。对于高速运动、微观世界、强引力情况，经典力学与实际情况差异很大，不再适用。
所谓高速和低速，是指与光速相比。这里说的低速是指远小于真空中光速的情况。所谓微观世界，是指进入原子、电子、质子、中子等微观粒子的研究领域。所谓弱引力是指天体半径远大于它的“引力半径”的情况。
值得指出的是，相对论和量子力学的出现并不表示经典力学失去了意义，事实上在低速、宏观和弱引力情况下经典力学与相对论和量子力学相差并不大，经典力学完全适用。相对论和量子力学的出现，说明人类对自然界的认识更加广泛和深入。相对论和量子力学的科学成就不是否定经典力学，而是把它作为自己在一定条件下的特殊情形。
拓展阅读
1．狭义相对论(special relativity) 适用于惯性系，从时间、空间等基本概念出发将力学和电磁学统一起来的物理理论。1905年由A.爱因斯坦创建 。这个理论在涉及高速运动现象时，同经典物理理论显示出重要的区别。 (1) 产生 ：到19世纪末，经典物理理论已经相当完善，当时物理学界较为普遍地认为物理理论已大功告成，剩下的不过是提高计算和测量的精度而已。然而某些涉及高速运动的物理现象显示了与经典理论的冲突，而且整个经典物理理论显得很不和谐：①电磁理论按照经典的伽利略变换不满足相对性原理，表明存在绝对静止的参考系，而探测绝对静止参考系的种种努力均告失败。②似乎存在着经典力学无法说明的极限速度。③电子的质量依赖于它的速度。在这种形势下，有见地的物理学家预感到物理学中正孕育着一场深刻的革命。爱因斯坦立足于物理概念要以观察到的事实为依据，而不能以先验的概念强加于客观事实，他考察了一些普遍的物理事实和经典物理学中如运动、时间、空间等基本概念，看出以下两点具有根本的重要性，并把它们作为建立新理论的基本原理：①狭义相对性原理，不仅力学实验，而且电磁学实验也无法确定自身惯性系的运动状态，也就是说，在一切惯性系中的物理定律都具有相同的形式。②光速不变原理，真空中的光速对不同惯性系的观察者来说都是c。承认这两条原理，牛顿的绝对时间、绝对空间观念必须修改，异地同时概念只具有相对意义。在此基础上，爱因斯坦建立了狭义相对论。 (2)主要内容 ：
洛伦兹变换 在狭义相对论中，洛伦兹变换是最基本的关系式，狭义相对论的运动学结论和时空性质，如同时性的相对性、长度收缩、时间延缓、速度变换公式、相对论多普勒效应等都可以从洛伦兹变换中直接得出。
质速关系 狭义相对论预言，与经典力学不同，物体的质量不再是与其运动状态无关的量，它依赖于物体的运动速度。运动物体速度为v时的质量为，式中m0为物体的静质量，当物体的速度趋于光速时，物体的质量趋于无穷大。 关于狭义相对论中的质量，还存在另一种观点，认为只有一种不变的质量，即物体的静质量，无法明确定义运动质量。两种观点对于狭义相对论的基本看法上没有分歧，只是对质量概念的引入上存在分歧。后一种观点在概念引入的逻辑严谨性上更为可取，而前一种观点对于某些物理现象，如回旋加速器的加速限制、康普顿效应以及光线的引力偏折等，作浅显说明颇为有效。
质能关系 狭义相对论最重要的预言是物体的能量E和质量m有当量关系，E＝mc2。与物体静质量m0相联系的能量E0＝m0c2。质能关系是核能释放的理论基础。 (3)意义：
狭义相对论经受了广泛的实验检验，所有的实验都没有检测到同狭义相对论有什么不一致的结果。狭义相对论是基础牢靠、逻辑结构严谨和形式完美的物理理论。广泛应用于许多学科，和量子力学成为近代物理学的两大理论支柱。在现代物理学中，成为检验基本粒子相互作用的各种可能形式的试金石，只有符合狭义相对论的那些理论才有考虑的必要，这就严格限制了各种理论成立的可能性。
2．量子力学
二十世纪初，物理学取得了两大突破：一个是普朗克提出了作用量子的概念；一个是爱因斯坦提出的狭义相对论的时空观。
100多年前的1900年，德国科学家普朗克提出量子概念，１９２５年到１９２６年，海森伯和薛定谔最终建立了量子力学，解决了原子物理、光谱等基本问题，取得了巨大成功。之后，量子力学朝两个重要方向发展：一是向更小（如原子以下）尺度的应用，原子核物理学就是在量子力学指引下发展的，进而发展为目前的基本粒子物理学。量子力学使人类对物质世界的认识从宏观层次跨进了微观层次。
量子力学的另一个发展方向，就是把量子力学用于处理更大尺度上的问题，比如分子的问题（即量子化学问题）和固体物理或凝聚态物理的问题。从研究对象的尺度看，从固体物理到地球物理、行星物理，再到天体物理和宇宙物理，其研究范围越来越大。
从１９２５年之后，几乎所有的二十世纪的物质文明都是从相对论和量子力学这两个物理基础科学的发展衍生的。原子构造、分子构造、核能、激光、半导体、超导体、x光、超级计算机……假如没有狭义相对论和量子力学，这一切都不会有。相对论和量子力学作为物理学的基础，已成为现代精密科学的两大柱石。二者的结合，不仅使物理学本身日新月异，而且也使物理学以外的其他自然科学改变了面貌。
3．广义相对论
1915年，爱因斯坦（1879──1955）发表了他的广义相对论。他解释了引力作用和加速度作用没有差别的原因。他还解释了引力是如何和时空弯曲联系起来的，利用数学，爱因斯坦指出物体使周围空间、时间弯曲，在物体具有很大的相对质量（例如一颗恒星）时，这种弯曲可使从它旁边经过的任何其它事物(即使是光线)改变路径。
弯曲光线 广义相对论指出，时空曲率将产生引力。当光线经过一些大质量的天体时，它的路线是弯曲的，这源于它沿着大质量物体所形成的时空曲率。因为黑洞是极大的质量的浓缩，它周围的时空非常弯曲，即使是光线也无法逃逸。
虫洞 理论上，虫洞是一个黑洞，它的质量非常大，把时空弯曲进了它自身之中，它的口开向宇宙的另一个空间及时间，或者也许完全进入另一个宇宙空间。也许能够利用虫洞建立一个时间旅行机器，但许多科学家们指出这个机器不可能重返到它自身被创建的时间之前。
［范例精析］
例1以牛顿运动定律为基础的经典力学，在科学研究和生产技术中有哪些应用？
解析 经典力学在科学研究和生产技术中有广泛应用。经典力学与天文学相结合建立了天体力学；经典力学和工程实际相结合，建立了应用力学，如水利学、材料力学、结构力学等。从地面上各种物体的运动到天体运动；从大气的流动到地壳的变动；从拦河筑坝、修建桥梁到设计各种机械；从自行车到汽车、火车、飞机等现代交通工具的运动；从投出篮球到发射导弹、卫星、宇宙飞船等等，所有这些都服从经典力学规律。
例2以牛顿运动定律为基础的经典力学的适用范围是什么？
解析 经典力学只适用于解决低速运动物体，不能用来处理高速运动物体；经典力学只适用于宏观物体，一般不适用于微观粒子；经典力学只适用于解决弱引力问题，不能用来处理强引力问题。
例3怎样看待经典力学和相对论、量子力学的关系？
解析 相对论和量子力学的出现，说明人类对自然界的认识更加广泛和深入，而不表示经典力学失去了意义。它只是使人们认识到经典力学有它的适用范围。当物体的运动速度远小于光速c(3×108m/s）时，相对论物理学和经典物理学的结论没有区别；当另一个重要常数即“普朗克常数”h（6.63×10-34J?s）可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别。相对论和量子力学都没有否定过去的科学，而只认为过去的科学是自己在一定条件下的特殊情形。
例4一个静止质量mo=1kg的物体，与地球一起绕太阳公转的速度是v=30km/s，在相应的惯性系的观测者测得物体的质量为多大？
解析 根据狭义相对论中质量与运动速度的关系得：
拓展： 在物体的速度v=30km/s时，仍可以认为是低速运动，其质量仍认为是静止质量。
【能力训练】
1.以下说法正确的是（BC）
A.经典力学理论普遍适用，大到天体，小到微观粒子均适用
B.经典力学理论的成立具有一定的局限性
C.在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变
D.相对论与量子力学否定了经典力学理论
2.20世纪初，著名物理学家爱因斯坦提出了 ，改变了经典力学的一些结论。在经典力学中，物体的质量是 的，而相对论指出质量随着速度变化而 。狭义相对论 固定不变 变化
3.经典力学只适用于解决 问题，不能用来处理 问题，经典力学只适用于 物体，一般不适用于 。
低速运动 高速运动 宏观 微观粒子
4. 与 都没有否定过去的科学，而认为过去的科学是自己在一定条件下的特殊情形。狭义相对论 量子力学
5.在远离一切星体的太空中，你作为一艘加速（其加速度大于g）运行飞船上的乘客，你自己的质量比地球上时是大、是小还是不变？如果你匀速运动呢？
6.一条河流中的水以相对于河岸的速度v水岸流动，河中的船以相对于水的速度v船水顺流而下。在经典力学中，船相对于岸的速度为v船岸 。
v船水+ v水岸
新人教版高中物理必修二 同步试题
第六章 万有引力与航天
第六节 经典力学的局限性
【试题评价】
1、牛顿运动定律和万有引力定律在 、 、 的广阔的领域，包括天体力学的研究中经受了实践的检验，取得了巨大的成就。
2、经典力学的适用范围：只适合于低速运动， ；只适合于宏观世界，
。
3、经典力学认为时间是 ，质量是 ，空间是 。
经典力学深入到高速领域将被 所代替，深入到微观领域将被 所代替。
4、已知地球半径为，地面处重力加速度为，地球自转的角速度为ω，则质量为的地球同步卫星所受的向心力为 。
5、在地球赤道上，质量1 kg的物体随同地球自转需要的向心力最接近的数值为（ ）
A.103N B。10N
C．10-2N D。10-4 N
6、两个质量均为M的星体，其连线的垂直平分线为AB。O为两星体连线的中点，如图7-4，一个质量为M的物体从O沿OA方向运动，则它受到的万有引力大小变化情况是（ ）
A.一直增大 B.一直减小
C.先减小,后增大 D.先增大，后减小
7、如图7—5所示，有A、B两个行星绕同一恒星O做圆周运动，运转方向相同，A行星的周期为T1，B行星的周期为T2，在某一时刻两行星第一次相遇（即两行星相距最近）则（ ）
A.经过时间t=T1+T2两行星将第二次相遇
B.经过时间两行星将第二将相遇
C.经过时间两行星第一次相距较远
D.经过时间两行星第一次相距最远
8、如图7—6所示，在同一轨道平面上的几个人造地球卫星A、B、C，在某一时刻恰好在同一直线上，下列正确说法有（ ）
A.根据，可知VA＜VB＜VC
B.根据万有引力定律，FA＞FB＞FC
C.向心加速度aA＞aB＞aC
D.运动一周后，A先回到原地点
【参考答案】
1．宏观、低速、弱引力 2．不适合高速、不适合微观 3．绝对的、不变的、三维的、相对论、量子力学 4． 5．C 6．D 7．BD 8．CD
【错题集锦】
题号
错误原因
对错误的认识
更正方法
课件27张PPT。高中物理新人教版必修２系列课件6.6《经典力学局限性》教 学目标 知识与技能
1．知道牛顿运动定律的适用范围．
2．了解经典力学在科学研究和生产技术中的广泛应用．
3.知道质量与速度的关系，知道高速运动中必须考虑速度随时
过程与方法
通过阅读课文体会一切科学都有自己的局限性，新的理论会不断完善和补充旧的理论，人类对科学的认识是无止境的．
情感、态度与价值观
通过对牛顿力学适用范围的讨论，使学生知道物理中的结论和规律一般都有其适用范围，认识知识的变化性和无穷性，培养献身于科学的时代精神． 教学重点
牛顿运动定律的适用范围
教学难点
高速运动的物体，速度和质量之间的关系．
教学方法
探究、讲授、讨论、练习 §1 经典力学的成就和局限性§1 经典力学的成就和局限性一、经典力学的发展过程及伟大成就二、经典力学局限性：1、不能解决高速运动问题（接近光速）2、不适用于微观领域中物质结构和能量不连续的现象一、经典时空观（绝对时空观）：（1）同时的绝对性（2）时间间隔的绝对性（3）空间距离的绝对性超新星爆发的持续时间：§2 经典时空观与相对论时空观实际：2年！？ 时间、长度和质量这三者都与参考系的运动无关。§2 经典时空观与相对论时空观二、相对论时空观:（1）同时是相对的（3）动尺变短（4）运动的物体质量变大（1）不同惯性参考系，物理规律相同2、狭义相对论结论：（2）动钟变慢 时间、长度和质量这三者都与参考系的运动有关。相对的绝对的（不变）绝对的与运动无关，绝对的与运动无关，不变的相对的与运动有关，相对的随速度增加而增大经典时空观与相对论时空观练习 我们认识物理这门学科，已经有三年了，同学们，你有没有意识到自己是幸运的？我们从一开始就被直接带入了这座宏伟壮丽的物理学大厦
而这座大厦是由一大批杰出的物理学
家前赴后继、呕心沥血构建而成的。
今天，我们在了解物理学发展过程当中，也结识几个早就和我们所学的知识一同
陪伴在我们身边的物理学界的伟大人物。经 典 力 学 经典物理学体系：经典力学，热学、声学、光学、电磁学伽利略伽利略
发现：
惯性定律、
自由落体规律、
力学相对性原理 经 典 力 学第一次比较完整表述了惯性定律解决了完全弹性碰撞问题发现了行星运动规律经 典 力 学 牛顿创立了完整的经典力学 经典力学之父 天地四方,古往今来发生的一切现象都能够用力学来描述. ？？？阿尔伯特·爱因斯坦创立狭义相对论.普朗克
创立
量子力学 经典物理对物理学思想和科学方法作了重点总结，它只适用于宏观低速的物体；
相对论和量子论则适用于微观高速粒子的运动。
因此，相对论和量子力学的建立,并不是对经典力学的否定。Return检测题 有关科学家和涉及的事实，正确的说法是
A．哥白尼创立了日心说
B．伽利略发现了行星运动规律
C. 惠更斯解决了弹性碰撞问题
D．爱因斯坦提出了量子论( A C )检测题 一列火车以速度v相对地面运动．如果地面上的人测得，某光源发出的闪光同时到达车厢的前壁和后壁，以下说法中正确的是
A．火车上的人测得，闪光先到达前壁
B．火车上的人测得，闪光先到达后壁
C．火车上的人测得，闪光同时到达车厢
的前壁 和后壁
D．条件不足，无法确定( A )检测题 有三个完全相同的时钟，时钟A放在地面上，时钟B、C分别放在两个火箭上，以速度vB和vC朝同一方向飞行，vB＜vC． 对于地面上的观察者来说，则以下说法中正确的是
A．时钟A走得最慢 B．时钟B走得最慢
C．时钟C走得最慢 D．时钟C走得最快( C )检测题如果有一支静止时长30 m的火箭，以光速的二分之一的速度从观察者的身边掠过，以下说法中正确的是
A．地面上的观察者测得的火箭长为30 m
B．地面上的观察者测得的火箭长小于30 m
C．地面上的观察者测得的火箭长大于30 m
D．火箭上的观察者测得的火箭长为30 m( BD )检测题 有关物体的质量与速度的关系的说法, 正确的是
A．物体的质量与物体的运动速度无关
B．物体的质量随物体的运动速度增大而增大
C．物体的质量随物体的运动速度增大而减少
D．当物体的运动速度接近光速时，质量趋于零( B )按照狭义相对论，不仅“同时”是相对的，有时候，甚至事情的先后也都是相对的。举一个例子，一节长为10米的列车，A在车后部，B在车前部。当列车以0.6c的高速度通过一个站台的时候,突然站台上的人看到A先向B开枪,过了12.5毫微秒,B又向A发射。因而站台上的人作证：这场枪战是由A挑起的。但是，车上的乘客却提供相反的情况，他们说，是B先开枪，过了10毫微秒，A才动手。事件是由B发动的。到底是谁先动手呢？没有绝对的答案。在这个具体事件中，谁先谁后是有相对性的。在列车参考系中，B先A后，而在车站参考系中则是A先B后。选择的参考系不同，对运动的描述就不同：例如：让两小球从同一高度同时自由下落。符合牛顿运动定律不符合牛顿运动定律Return再见课件10张PPT。6．经典力学的局限性 1．经典力学的基础是________________，牛顿运动定律和
万有引力定律在______ 、______ 、弱引力的广阔领域，包括
__________的研究中，经受了实践的检验，取得了巨大的成就．牛顿运动定律宏观低速天体力学 2．在经典力学中，物体的质量是________的，而狭义相对
论指出，质量要随物体运动速度的增大而__________，公式为________________．不变增大 3．1915 年，爱因斯坦创立了________________，这是一
种新的时空与引力理论．在强引力的情况下，牛顿引力理论
____________________．当物体的运动速度远小于光速时，相
对论与经典物理学的结论______________；当另一个重要常数
即“普朗克常数”可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结
论____________；相对论与量子力学都没有否定经典力学，而
是认为经典力学是在一定条件下的近似．广义相对论不适用没有区别没有区别知识点牛顿定律的经典性和局限性 欧洲核子研究中心曾在 2011 年宣布发现了速度大于光速的粒
子，这在科学界引起了不小的轰动，但次年 2 月，研究人员在对
该实验系统重新进行测试后，揪出了两个疑似故障，则这一结果
很有可能是在实验存在异常因素的情况下所得到的．
根据爱因斯坦提出的狭义相对论，任何物体的速度都不可能
超过光速，如果超光速粒子被证实存在，那么支撑现代物理学的
相对论将会被颠覆．不过目前尚无法下定论，一切仍待进一步求
证，这也是对待科学应有的严谨和质疑态度．讨论：光速参考系空间时间运动状态 (1)狭义相对论阐述物体在以速度接近________ 运动时所
遵从的规律．
(2)狭义相对论认为，同一过程的位移和时间的测量在不同
________中是不同的．
(3)爱因斯坦提出了一种崭新的时空观念，指出________、
________和物体及其____________之间相互联系，而非独立存
在． 1．经典力学在科学研究和生产技术中有广泛的应用，经典
力学与天文学相结合建立了天体力学；经典力学和工程实际相
结合，建立了应用力学，如水利学、材料力学、结构力学等．
从地面上各种物体的运动到天体的运动，从大气的流动到地壳
的变动，从拦河筑坝、修建桥梁到设计各种机械，从自行车到
火车、飞机等现代交通工具的运动，从投出篮球到发射导弹、
卫星、宇宙飞船等，所有这些都服从经典力学规律． 2．因为微观粒子(如电子、质子、中子)在运动时不仅具有
粒子性，而且还具有波动性，经典力学不能说明这种现象，所
以它不再适用；同时在高速运动的领域内，由于物体运动速度
太快，导致质量发生变化，而经典力学认为质量是不变的，所
以经典力学在高速运动领域内也不再适用． 3．量子力学的建立，并不是对经典力学的否定．对于宏观
物体的运动，量子现象并不显著，经典力学仍然适用．所以现
代物理学的发展，并没有使经典力学失去价值，而是更好地完
善了物理学体系．【例题】经典力学不能适用于下列哪些运动() A．火箭的发射
B．宇宙飞船绕地球运动
C．“勇气号”宇宙探测器
D．微观粒子的波动性
解析：经典力学中不适用于高速物体，“高速”指的是接
近光速，而火箭、宇宙飞船和宇宙探测器的速度均远小于光速，
对选项 A、B、C 所叙述的物体，经典力学均适用，对于微观粒
子，一般情况下，经典力学不适用．
答案：D【触类旁通】1．下列说法正确的是()B A．牛顿运动定律就是经典力学
B．经典力学的基础是牛顿运动定律
C．牛顿运动定律可以解决自然界中的所有问题
D．经典力学可以解决自然界中的所有问题
解析：经典力学并不等于牛顿运动定律，牛顿运动定律只
是经典力学的基础，经典力学并非万能，有其适用范围，并不
能解决自然界中的所有问题，也没有哪个理论可以解决自然界
中的所有问题．2．经典力学有一定的适用范围和局限性．下列现象不适合用经典力学描述的是()DA．飞行的子弹
B．绕地球运行的飞船
C．运行的列车
D．接近光速运动的粒子
