(共28张PPT)
6 经典力学的局限性
经典力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律更是树立了人们对牛顿物理学的尊敬。
著名物理学家杨振宁曾赞颂道：“如果一定要举出某个人、某一天作为近代科学诞生的标志，我选牛顿《自然哲学的数学原理》在1687年出版的那一天。”
牛顿的《自然哲学的数学原理》
被评为科学史上最伟大的著作
像一切科学一样，经典力学没有也不会穷尽一切真理，它也有自己的局限性。它像一切科学理论一样，是一部“未完成的交响曲”。那么经典力学在什么范围内适用呢 有怎样的局限性呢
经典力学的局限性？
1.知道牛顿运动定律的适用范围。(重点）
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
考虑速度随时间的变化。
阿尔伯特·爱因斯坦
创立狭义相对论
一、从低速到高速
情景：在一个无限大的光滑水平面上，有一质量为m的物体，在一个水平恒力F的作用下，从静止开始运动。根据牛顿第二定律可知物体将以加速度a=F/m做匀加速直线运动。
F
m
探究：在经典力学和狭义相对论中,物体的质量有何不同？
【互动探究】物体的速度能无限增大吗？
推理：随着时间的推移，物体的速度不断增大，最终可使物体获得任意速度。但事实并非如此。
结论：物体运动速度是有极限的，现在已知的最大速度是光速，且现在也无法使物体运动超越这个速度。
这是经典力学无法解答的。这是什么原因造成的呢？是否是经典力学的错误？
2.在经典力学中，物体的质量是不随运动状态改变的
狭义相对论认为：
物体的质量要随物体运动速度的增大而增大，即
1.高速的概念
所谓高速，就是指运动速度接近于真空中的光速。
3.经典力学只适用于低速运动，不适用于高速运动。
【对点训练】(多选)
对于公式 ，下列说法中正确的是( )
A．式中的m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m>m0，即物体的质量 改变了，故经典力学不适用，所以是不正确的
C．当物体以较小速度运动时，质量变化非常小，经典力学理论仍然适用，只有当物体以接近光速的速度运动时，质量变化才明显
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
ACD
二、宏观到微观
19世纪末到20世纪初，人们相继发现了电子、质子、中子等微观粒子，发现它们不仅具有粒子性，而且具有波动性，它们的运动规律不能用经典力学描述．
20世纪20年代，建立了量子力学，它能够正确地描述微观粒子运动的规律性，并在现代科学技术中发挥了重要作用．
经典力学一般不适用于微观粒子．
普朗克创立量子力学
三、从弱引力到强引力
1.经典力学与行星轨道的矛盾
按牛顿的万有引力理论，行星应该沿着一些椭圆或圆做周期性运动，而天文观测表明，行星的轨道并不是严格闭合的，它们的近日点在不断地旋进，如水星的运动。
实际观测到的水星的运动情况与爱因斯坦广义相对论的计算结果吻合的很好。
2.经典力学只适用于弱引力，而不适用于强引力。
四、经典力学的局限性和适用范围
1.经典力学只适用于物体的低速运动（v<2.经典力学不适用于微观领域中物质结构和能量不连续的现象。
3.经典力学规律只在惯性参考系中成立。
——经典力学规律只能用于宏观、低速（与光速相比）的情形，且只在惯性参考系中成立。
惯性参考系：
凡是牛顿定律成立的参考系，均称为惯性参考系，简称惯性系。
(1)所有相对于惯性系做匀速直线运动的参考系都是惯性系。
(2)所有相对于惯性系做变速运动的参考系都是非惯性系。
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。
【对点训练】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，把物理学推到高速领域
AD
补充内容
狭义相对论的两个基本假设
1.爱因斯坦相对性原理：在不同的参考系中，一切物理规律都是相同的。
2.光速不变原理：真空中的光速在不同的参考系中都是相同的。
同时的相对性
（1）时间的相对性——“钟慢效应”
时间的相对性符合以下规律：
式中Δt′是运动体中的观察者观察到的时间间隔，Δt是地面上的观察者观察到的时间间隔。
由于 ＜1，所以Δt＞Δt′，即运动体中的观察者观察到的时间间隔变短了，从地面上观察运动物体的时间变慢了。这就是所谓的“钟慢效应”。
钟慢效应
由于 ＜1，所以L＜ L′，即地面上的观察者观察到运动物体的长度变短了。这就是所谓的“尺缩效应”。
（2）空间的相对性——“尺缩效应”
空间的相对性符合以下规律：
式中L′是运动体中的观察者测得的长度，L是地面上的观察者测得的长度。
尺缩效应
尺缩效应
1.从低速到高速：经典力学适用于低速;
2.从宏观到微观：经典力学适用于宏观;
3.从弱引力到强引力：经典力学适用于弱引力。
1.下列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．物体的质量随物体运动速度的增大而增大
C．物体的质量随物体运动速度的增大而减小
D．当物体的运动速度接近光速时，质量趋于零
B
2.（多选）关于经典力学、狭义相对论和量子力学，下面说法中正确的是( )
A．狭义相对论和经典力学是相对立、互不相容的两种理论
B．在物体高速运动时，物体的运动规律服从狭义相对论理
论，在低速运动时，物体的运动服从牛顿定律
C．经典力学适用于宏观物体的运动，量子力学适用于微观
粒子的运动
D．不论是宏观物体，还是微观粒子，经典力学和量子力学
都是适用的
BC
3.（多选）牛顿定律能适用于下列哪些情况（ ）
A.研究原子中电子的运动
B.研究“神舟五号”的高速发射
C.研究地球绕太阳的运动
D.研究飞机从深圳飞往北京的航线
BCD
【解题关键】经典力学适用范围：低速、宏观。
4.两台升降机甲、乙同时自由下落。甲上的人看到乙是静止的，也就是说，在甲看来，乙的运动状态并没有改变，但是乙确实受到向下的地球引力。根据牛顿定律，受到外力作用的物体，其运动状态一定会改变，这不是有矛盾吗？你是如何理解的？
答案：不矛盾。牛顿力学规律只在惯性参考系中成立。
不能自助的人也难以受到别人的帮助。【世纪金榜】2016版高中物理 6.6经典力学的局限性（精讲优练课型）课时自测 新人教版必修2
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.卡文迪许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】选D。万有引力定律是牛顿发现的，但在实验室里的验证是卡文迪许进行的，A、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，从而把物理学推进到高速领域，D对。
2.(多选)(2015·威海高一检测)牛顿的经典力学能很好地解释下列哪些现象
( )
A.高速公路上行驶的汽车 B.空气中下落的雨滴
C.原子核外电子绕核的转动 D.空气中漂浮的肥皂泡
【解析】选A、B、D。经典力学只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界。高速公路上行驶的汽车、空气中下落的雨滴、空气中漂浮的肥皂泡都属于宏观、低速范畴，经典力学适用。原子核外电子绕核的转动属于微观现象，经典力学不适用。
【补偿训练】(多选)20世纪以来，人们发 ( http: / / www.21cnjy.com )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
【解析】选B、C、D。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，故A错，B、C、D对。
3.(多选)爱因斯坦的引力理论成就表现在( )
A.预言和发现了冥王星和海王星
B.水星近日点旋进存在每百年43″的附加值
C.光线在经过大质量星体附近时会发生偏转现象
D.天体间的引力与半径的平方成反比
【解析】选B、C。冥王星和海王星的轨道是根据万有引力定律和牛顿运动定律计算得出的，天体间的引力与半径的平方成反比是万有引力定律的内容，故应选B、C。
4.某物体在低速(接近0)情况下质量为m0，在速度为v的高速(接近光速)情况下质量为m，由狭义相对论，求物体速度v的大小。
【解题指南】解答本题应注意以下两点：
(1)物体在低速情况下，物体的质量是不随运动状态改变的。
(2)物体在高速情况下，物体质量随着物体运动速度的增大而增大，即m=。
【解析】根据狭义相对论m=
所以v=·c。
答案：·c(共46张PPT)
6
经典力学的局限性
一、从低速到高速
速度远小于光速 接近光速运动
物理理论 经典力学 _______
质量与速
度的关系 物体的质量是不随运动状态改变的 物体的质量随着物体运动速度
的增大而_____，m=
相对论
增大
速度远小于光速 接近光速运动
位移、时间
与参考系
的关系 位移的测量、时间的测量都与参考系_____ 同一过程的位移和时间的测量在不同参考系中是_______
无关
不同的
【想一想】洲际导弹的飞行速度可达6 000m/s，此
速度在狭义相对论中属于高速还是低速？
提示：属于低速，狭义相对论的高速是可以与光速
相比较的速度，6 000m/s的速度远远小于光速，属
于相对论中的低速。
二、从宏观到微观
1.微观世界：电子、质子、中子等微观粒子的运动规律在很多情况下
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。
2.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。
量子力学
低速
高速
宏观
微观
【判一判】(1)相对论和量子力学的出现，说明经典力学已失去意义。( )
(2)原子中电子的运动能用经典力学进行解释。( )
(3)空气中灰尘的运动能用经典力学进行解释。( )
提示：(1)×。相对论与量子力学是对高速运动与微观世界的解释，经典力学对宏观物体的低速运动仍然具有意义。
(2)×。电子属于微观粒子，它的运动规律不能用经典力学解释。
(3)√。灰尘虽然很小，但与质子、中子、电子等微观粒子相比质量和体积都要大得多，灰尘的运动规律遵循经典力学。
三、从弱引力到强引力
(1)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，牛顿的引力理论_________。
(2)当物体的运动速度远小于光速c(3×108m/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” (6.63×10-34J·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
【想一想】“黑洞”是爱因斯坦广义相对论中预
言的一种特殊天体。它的密度极大，对周围的物
质(包括光)有极强的吸引力，在研究“黑洞”时，
经典力学还适用吗？
提示：不适用，经典力学适用于弱引力问题，而“黑洞”问题属于强引力问题，经典力学不再适用。
一、经典力学与相对论、量子理论的比较
思考探究：
如图甲，质子束被加速到接近光速；如图乙，中子星是质量、密度非常大的星体。请思考：
(1)经典力学是否适用于质子束的运动规律？如何研究质子束的运动规律？
(2)经典力学是否适用于中子星的引力规律？如何研究中子星的引力规律？
提示：(1)质子束的运动属于高速、微观范畴，经典力学不再适用，应该应用狭义相对论、量子力学进行研究。
(2)中子星的引力属于强引力范畴，经典力学不再适用，应该应用广义相对论进行研究。
【归纳总结】
1.区别：
狭义相对论 经典力学适用于低速运动的物体；狭义相对论阐述物体在以接近光速运动时所遵循的规律
量子
力学 经典力学适用于宏观世界；量子力学能够正确描述微观粒子的运动规律
广义相对论 经典力学在弱引力的情况下与实验结果符合得很好；爱因斯坦的广义相对论能够解释强引力情况下的作用规律
2.联系：
(1)当物体的运动速度远小于光速时，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别。
(2)当另一个重要常数即“普朗克常量”可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别。
(3)相对论和量子力学并没有否定经典力学，经典力学是二者在一定条件下的特殊情形。
【典例示范】下列说法正确的是( )
A.在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变，在狭义相对论中，物体的质量也不随运动状态而改变
B.狭义相对论和经典力学是完全不同相互矛盾的两个理论
C.物体高速运动时，物体的运动服从狭义相对论，在低速运动时，物体的运动服从牛顿运动定律
D.以上说法都是错误的
【解题探究】
(1)在经典力学和狭义相对论中，是如何描述物体质量与运动状态的关系的？
提示：在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变；在狭义相对论中，物体的质量随物体运动速度的增大而增大。
(2)如何理解经典力学与狭义相对论的关系？
提示：狭义相对论没有否定经典力学，经典力学是狭义相对论在一定条件下的特殊情形。
【正确解答】选C。在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变，在狭义相对论中，物体的质量随物体运动速度的增大而增大，选项A错误；狭义相对论没有否定经典力学，经典力学是狭义相对论在一定条件下的特殊情形，选项B错误；经典力学适用于低速运动的物体，狭义相对论阐述物体在以接近光速运动时所遵循的规律，选项C正确。
【过关训练】
1.关于经典力学、狭义相对论和量子力学，下列说法中正确的是( )
A.狭义相对论和经典力学是相互对立、互不相容的两种理论
B.经典力学包含于相对论之中，经典力学是相对论的特例
C.经典力学只适用于宏观物体的运动，量子力学只适用于微观粒子的运动
D.不论是宏观物体，还是微观粒子，经典力学和量子力学都是适用的
【解析】选B。相对论没有否定经典力学，经典力学是相对论在一定条件下的特殊情形，选项A错误、B正确。经典力学适用于宏观、低速、弱引力的领域，量子力学适用于任何大小的物体系统，选项C、D错误。
2.经典力学不能适用于下列哪些运动( )
A.火箭的发射
B.“神舟十号”飞船绕地球的运动
C.“嫦娥三号”登陆月球前的减速运动
D.微观粒子的波动性
【解析】选D。经典力学在接近光速的高速运动情况下不能适用，火箭、宇宙飞船等物体虽然速度较大，但还远远小于光速，故在火箭的发射、太空飞行器的运动中，经典力学仍适用。经典力学不适用于微观物体，故选项D正确。
【补偿训练】1.(多选)关于经典力学和相对论、量子力学，下列说法中正确的是( )
A.经典力学和量子力学在宏观和微观领域都是适用的
B.经典力学适用于低速运动的物体，相对论对高速和低速运动的物体都适用
C.经典力学适用于宏观物体的运动，量子力学适用于微观粒子的运动
D.相对论与量子力学否定了经典力学理论
【解析】选B、C。经典力学理论只适用于宏观、低速运动的物体，相对论和量子力学在任何情况都适用，故A错误，B、C正确；相对论和量子力学并不否定经典力学，认为经典力学是相对论、量子力学在一定条件下的特殊情形，故D错误。
2.(多选)下面说法中正确的是( )
A.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
B.当物体运动速度接近光速时，相对论物理学和经典物理学的结论没有区别
C.当普朗克常量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
D.当普朗克常量h(6.63×10-34J·s)不能忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别
【解析】选A、C。经典力学可以认为是相对论物理学和量子力学在低速、宏观状态下的特例，因此正确的选项为A、C。
【误区警示】理解相对论和量子力学的两点注意
(1)相对论和量子力学不是科学家的主观臆想，是经过实验证实的，相对论和量子力学所描述的现象是高速世界、微观世界确实存在的事实。
(2)理解相对论和量子力学需要增强对高速世界、微观世界的感性认识，跳出已有的对低速、宏观领域的固有思维和认识。
二、速度对质量的影响
思考探究：
地球绕太阳公转的速度是3×104m/s；设在美国伊利诺伊州费米实验室的圆形粒子加速器可以把电子加速到0.999 999 999 987倍光速的速度。请思考：
(1)地球的公转速度在狭义相对论中属于低速还是高速？被加速器加速后的电子的速度呢？
(2)加速后电子的质量比电子的静止质量增大了还是减小了？
提示：(1)狭义相对论的高速是可以与光速相比较的速度，所以地球的公转速度属于低速，加速后电子的速度属于高速。
(2)物体的质量随速度的增大而增大，所以加速后电子的质量比电子的静止质量增大了。
【归纳总结】
1.低速与高速的概念：
(1)低速：远小于光速的速度为低速，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。
(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。
2.速度对质量的影响：
(1)在经典力学中，物体的质量不随速度而变。根据牛顿第二定律
F=ma知，物体在力F作用下做匀变速运动，只要时间足够长，物体的
运动速度就可以增加到甚至超过光速c。
(2)爱因斯坦的狭义相对论指出，物体的质量随速度的增大而增大，
即m= ，其中m0为物体静止时的质量，m是物体速度为v时的质
量，c是真空中的光速。在高速运动时，质量的测量是与运动状态密
切相关的。
3.速度对物理规律的影响：对于低速运动问题，一般用经典力学规律来处理。对于高速运动问题，经典力学已不再适用，需要用狭义相对论知识来处理。
【典例示范】一个原来静止的电子，经高压加速后速度为v=6× 106m/s。问电子的质量是增大了还是减小了？改变了百分之几？
【解题探究】
(1)物体的质量与速度有什么关系？
提示：物体做低速运动时，其质量由本身决定，与速度无关；物体做
高速运动时，物体的质量会随速度的增大而变大。
(2)关于狭义相对论的质速关系公式：m= ，其中m为物体
________________，m0为物体的_________，c为真空中的光速。
速度为v时的质量
静止质量
【正确解答】根据爱因斯坦的狭义相对论得，加速后电子的质量增大了，且
所以改变的百分比为 ×100%=0.02%。
答案：增大了 0.02%
【过关训练】
1.(拓展延伸)在【典例示范】中，若电子的质量变为静止时质量的2倍，则电子运动的速度为多大？
【解析】由题意知m=2m0，
代入m= 得
v=2.6×108m/s。
答案：2.6×108m/s
2.(多选)(2015·邯郸高一检测)关于公式m= ，下列说法正确
的是( )
A.公式中的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，故经典力学不适用了
C.当物体以较小速度运动时，质量变化十分微弱，经典力学仍然适
用，当物体以接近光速运动时，质量变化明显，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，质量的变化引不起我们的感觉，故不必考虑质量的变化
【解析】选C、D。公式中的m0是物体静止时的质量，选项A错误。物体低速运动时，用经典力学处理；物体以接近光速高速运动时，需要用相对论知识来处理，选项B错误，选项C、D正确。
【补偿训练】日常生活中，我们并没有发现物体的质量随物体运动速度的变化而变化，其原因是( )
A.运动中物体无法称量其质量
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】选B。根据狭义相对论m= 可知，在宏观物体的运动
中，由于v c，所以质量变化不大，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，正确选项为B。
【拓展例题】考查内容：光速不变原理的理解
【典例示范】科学家预言，在遥远的将来，离子推进发动机驱动的宇宙飞船很可能会用于宇宙航行，这种飞船能以接近光速飞行。设想在以0.9c飞行的飞船上打开一个光源，则下列说法正确的是( )
A.飞船正前方的观察者看到的光速为1.9c
B.飞船正后方的观察者看到的光速为0.1c
C.在垂直飞船前进方向上的观察者看到的光速是
D.在任何地方的观察者看到的光速都是c
【正确解答】选D。根据光速不变原理知，在任何惯性系中测得的真空中的光速都相同，都为c，故D正确。
速度对质量的影响
【典例示范】如果真空中的光速为c=3.0×108m/s，当一个物体的运动速度为v1=2.4×108m/s时，质量为3kg。当它的速度为1.8×108m/s时，质量为多少？
【现场答案】
【找错·纠错】分析上述解析过程，你知道错在哪里吗？
错因：将物体速度为v1=2.4×108m/s时的质量当成了物体的静止质量。
正解：根据狭义相对论，m= ，由题意知：
所以m2= m1= kg=2.25kg。
答案：2.25kg
【补偿训练】根据爱因斯坦的相对论，质量要随物体的运动速度的增大而增大。请讨论：如果使一个物体加速、加速、再加速，它的速度会增加到等于光速甚至大于光速吗？为什么？
【解析】由m= 知：当v=c时，m应是无穷大。随着质量的不断
增大，产生加速度的力会随着不断增大，使加速越来越困难。因此一
个物体不管怎样加速，它的速度不会等于甚至超过光速。
答案：见解析(共55张PPT)
6
经典力学的局限性
学习
目标 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。
一、从低速到高速
1.经典力学的基础是_____________,牛顿运动定律和万有引力
定律在_____、_____、_______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。
2.狭义相对论阐述的是物体以_______的速度运动时所遵从的
规律。
牛顿运动定律
宏观
低速
弱引力
天体力学
接近光
3.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_____,即m= ,两者在
_______________的条件下是统一的。
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
中测量结果_____。
不变
增大
速度远小于光速
无关
有关
不同
【自我思悟】
1.洲际导弹的飞行速度可达6 000 m/s，此速度在狭义相
对论中属于高速还是低速？
提示：狭义相对论的高速是可以与光速相比较的速度，
6 000 m/s的速度虽不小，但它远远小于光速，不属于相
对论中的高速。
2.在狭义相对论中，同一物体以10 m/s和100 m/s的速度运动时质量是否一样？差别大吗？
提示：不一样。狭义相对论认为，物体的质量与速度有关，速度越大，质量越大。但以上两个速度时的质量差别非常小。
二、从宏观到微观
1.电子、质子、中子等微观粒子不仅具有_______，同时还具
有波动性,它们的运动规律在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。
2.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。
粒子性
量子力学
低速
高速
宏观
微观
【自我思悟】
1.在描述哪些物体的运动时，经典力学不再适用？
提示：在描述微观、高速物体的运动时，经典力学不再适用。
2.灰尘在空气中匀速下落，能否用经典力学进行解释？
提示：可以。灰尘虽然已经很小，但与质子、中子、电子等微观粒子相比质量和体积都要大得多，灰尘的运动规律仍遵循经典力学。
三、从弱引力到强引力
1.1915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,牛顿的引力理论_________。
2.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
【自我思悟】
1.相对论、量子力学否定了经典力学吗？
提示：相对论、量子力学没有否定经典力学，经典力学是相对论、量子力学在一定条件下的特例。
2.“黑洞”是爱因斯坦广义相对论中预言的一种特殊天体。它的密度极大，对周围的物质(包括光)有极强的吸引力，在研究“黑洞”时，经典力学还适用吗？
提示：经典力学适用于弱引力问题，而“黑洞”问题属于强引力问题，经典力学不再适用。
一、速度对质量的影响 深化理解
1.低速与高速的概念:
(1)低速：远小于光速的速度为低速，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。
(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。
2.速度对质量的影响:
(1)在经典力学中,物体的质量不随速度而变。根据牛顿第二定律F=ma知，物体在力F作用下做匀变速运动，只要时间足够长，物体的运动速度就可以增加到甚至超过光速c。
(2)爱因斯坦的狭义相对论指出,物体的质量随速度的增大而增
大,即m= 其中m0为物体静止时的质量,m是物体速度为
v时的质量,c是真空中的光速。在高速运动时,质量的测量是与
运动状态密切相关的。
3.速度对物理规律的影响:对于低速运动问题,一般用经典力学规律来处理。对于高速运动问题,经典力学已不再适用,需要用相对论知识来处理。
【微思考】
(1)牛顿第二定律属经典力学理论，它在高速世界还适用吗？
提示：在高速世界中，物体的质量随着速度的增加而变大，物体的加速度不一定与它所受的外力成正比，牛顿第二定律不再适用。
(2)试由m= 分析，物体的速度不可能达到光速。
提示：由m= 可知，若某物体的运动速度达到光速c，
则它的质量应是无穷大，这显然不符合事实，所以物体的速度不可能达到光速。
【题组通关】
【示范题】一个原来静止的电子,经高压加速后速度为v=6×
106 m/s。问电子的质量是增大了还是减小了 改变了百分之几
【解题探究】(1)物体的质量与速度有什么关系？
提示：物体做低速运动时，其质量由本身决定,与速度无关，
物体做高速运动时，物体的质量会随速度的增大而变大。
(2)关于狭义相对论的质速关系公式：
m= ，其中m为物体________________，m0为物体的
_________，c为真空中的光速。
速度为v时的质量
静止质量
【规范解答】根据爱因斯坦的狭义相对论得,运动后的质量增大了,且
所以改变的百分比为 ×100%=0.02%。
答案：增大了 0.02%
【通关1+1】
1.(拓展延伸)在【示范题】中，若电子的质量变为静止时质量的2倍，则电子运动的速度为多大？
【解析】由题意知m=2m0，代入m= 得
v=2.6×108 m/s。
答案：2.6×108 m/s
2.(多选)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
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较小，质量的变化引不起我们的感觉，故在分析地球上物体的运动时，不必考虑质量的变化
【解析】选C、D。公式中m0是静止质量，m是物体以速度v运动时的质量，A错；由公式可知，只有当v接近光速时，物体的质量变化才明显，一般情况下物体的质量变化十分微小，故经典力学仍然适用，故选项B错，选项C、D正确。
【变式训练】1.(2013·东城高一检测)日常生活中，我们并没有发现物体的质量随物体运动速度的变化而变化，其原因是( )
A.运动中物体无法称量其质量
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】选B。根据狭义相对论m= 可知，在宏观物体
的运动中，由于v c，所以质量变化不大，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，正确选项为B。
2.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。此时质量m与原质量m0的关系为( )
A.m=m0 B.m=0.5m0
C.m=1.155m0 D.无法判断
【解析】选C。根据爱因斯坦狭义相对论中运动质量与静止质
量的关系 故选C。
【素养升华】
物体的质量与速度的关系
从爱因斯坦的相对论可知：物体的速度越大，它的质量就越大。
(1)当物体的速度远小于光速时，其质量的变化可以忽略；
(2)当物体的速度接近光速时，质量变化将很明显,其质量变化不可忽略。
二、经典力学与相对论、量子力学的比较 对比分析
比较项 经典力学 相对论、量子力学
形成时期 物理学形成的初期阶段,受历史发展限制,理论较肤浅、片面 形成于物理学充分发展的现代,理论较完善、科学
适用范围 低速运动、宏观世界,弱引力作用 任何情况都适用
速度对质
量的影响 物体的质量不随其速度的变化而变化 物体的质量随其速度的增加而变大
速度的
合成 时间与空间互不相干,关系式v船岸=v船水+v水岸成立 速度与位移、时间的测量有关,v船岸=v船水+v水岸不成立
比较项 经典力学 相对论、量子力学
引力规律 牛顿的万有引力定律认为物体间的引力符合“平方反比”规律 爱因斯坦引力理论认为物体间的引力不完全符合“平方反比”规律
联 系 (1)以下两种情况,相对论与经典力学的结论没有区别:
①物体的速度远小于光速c(3×108m/s)时;
②“普朗克常量”(6.63×10-34J·s)可以忽略不计时。
(2)相对论和量子力学都没有否定经典力学,经典力学是相对论、量子力学的特殊情况。
【微思考】
(1)经典力学与相对论在哪些方面不同？
提示：①适用范围不同；②质量与速度之间的关系不同；③速度的合成规律不同；④物体间引力的规律不同；⑤对时空的认识不同。
(2)在什么情况下经典力学与相对论、量子力学是等同的？
提示：宏观、低速运动的物体。
【题组通关】
【示范题】(多选)关于经典力学和相对论、量子力学，下列说法中正确的是( )
A.不论是对宏观物体，还是微观粒子，经典力学和量子力学都是适用的
B.经典力学适用于低速运动的物体，相对论对高速和低速运动的物体都适用
C.经典力学适用于宏观物体的运动，量子力学适用于微观粒子的运动
D.相对论与量子力学否定了经典力学理论
【解题探究】(1)经典力学的适用范围:适用于_____物体的
_____运动。
(2)量子力学和相对论的适用范围:任何情况_______。
(3)经典力学与相对论、量子力学的关系:经典力学是相对论和
量子力学的特殊情况，即_____物体的_____运动情况。
宏观
低速
都适用
宏观
低速
【规范解答】选B、C。经典力学理论只适用于宏观、低速运动的物体，相对论和量子力学在任何情况都适用，故A错误，B、C正确；相对论和量子力学并不否定经典力学，认为经典力学是相对论、量子力学在一定条件下的特殊情形，故D错误。
【通关1+1】
1.(多选)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
【解析】选B、C、D。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，故A错，B、C、D对。
2.(多选)下面说法中正确的是( )
A.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
B.当物体运动速度接近光速时,相对论物理学和经典物理学的结论没有区别
C.当普朗克常量h(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没有区别
D.当普朗克常量h(6.63×10-34 J·s)不能忽略不计时,量子力学和经典力学的结论没有区别
【解析】选A、C。经典力学可以认为是相对论物理学在低速、宏观状态下的特例,因此正确的选项为A、C。
【变式训练】1.经典力学不能适用于下列哪些运动( )
A.火箭的发射
B.“神舟十号”飞船绕地球的运动
C.“嫦娥三号”登陆月球前的减速运动
D.微观粒子的波动性
【解析】选D。经典力学在接近光速的高速运动情况下不能适用，火箭、宇宙飞船等物体虽然速度较大，但还远远小于光速，故在火箭的发射、太空飞行器的运动中，经典力学仍适用。经典力学不适用于微观物体，故选项D正确。
2.(多选)关于经典力学和狭义相对论，下列说法中正确的
是( )
A.经典力学只适用于低速运动，不适用于高速运动
B.狭义相对论只适用于高速运动，不适用于低速运动
C.经典力学既适用于低速运动，也适用于高速运动
D.狭义相对论既适用于高速运动，也适用于低速运动
【解析】选A、D。经典力学的适用范围是低速运动、宏观物体，不适用于高速运动、微观物体，A对，C错；狭义相对论既适用于高速运动，也适用于低速运动，B错，D对。
【资源平台】备选角度：物理学史
【示范题】(2013·海口高一检测)17世纪末，采用归纳与演绎、综合与分析的方法，建立了完整的经典力学体系，使物理学从此成为一门成熟的自然科学的科学家是( )
A.牛顿 B.开普勒 C.笛卡儿 D.伽利略
【标准解答】选A。牛顿创建了完整的经典力学体系；开普勒发现了行星运动定律；笛卡儿提出了在不受力时物体的运动规律；伽利略研究了落体运动，并通过理想斜面实验否定了亚里士多德关于力和运动关系的论断，故A正确，B、C、D错。
对光速不变原理的理解
1.光速不变原理：爱因斯坦的狭义相对论指出，在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速c都一样，即光在所有的惯性参考系中的传播速度均是光速。
2.光速不变原理的适用范围：速度合成的关系式v船岸=v船水+v水岸只适用于低速运动的惯性参考系，对于接近光速的高速运动物体，该关系式已不再适用，此时应根据光速不变原理去解决问题。
【案例展示】科学家预言，在遥远的将来，离子推进发动机驱动的宇宙飞船很可能会用于宇宙航行，这种飞船能以接近光速飞行。设想在以0.9c飞行的飞船上打开一个光源，则下列说法正确的是( )
A.飞船正前方的观察者看到的光速为1.9c
B.飞船正后方的观察者看到的光速为0.1c
C.在垂直飞船前进方向上的观察者看到的光速是
D.在任何地方的观察者看到的光速都是c
【精讲精析】选D。根据光速不变原理知，在任何惯性系中测得的真空中的光速都相同，都为c，故D正确。
【易错分析】本题易错选项及错误原因分析如下:
易错选项 错误原因
A 根据关系式v=v船+c求得光速为1.9c,忽视光速不变原理,实际上任何物体的运动速度不可能大于光速
B 根据关系式v=c-v船求得光速为0.1c,忽视光速不变原理,实际上接近光速时,以上关系式已不再适用
C 根据关系式v= 求得光速为 ,忽视光速不变原理,实际上接近光速时,以上关系式已不再适用
【自我小测】
1.如图所示，强强乘坐速度为0.9c(c为光速)的宇宙飞船追赶正前方的壮壮，壮壮的飞行速度为0.5c，强强向壮壮发出一束光进行联络，则壮壮观测到该光束的传播速度为( )
A.0.4c B.0.5c
C.0.9c D.1.0c
【解析】选D。根据光速不变原理，在一切惯性参考系中测量到真空中的光速c都一样，而壮壮所处参考系即为惯性参考系，因此壮壮观察到的光速为1.0c，选项D正确。
2.一列火车以速度v相对地面运动，在车厢的正中点装有一盏闪光灯，当它闪光时，有两个光子分别向左、向右传播，在火车的前后两端装有设备，使坐在车中的观察者能测知这两个光子何时到达两端，通过某种巧妙的装置，静止在地面上的另一观察者也能测知这两个光子的传播过程，若车厢长为l，则：
(1)车厢内的观察者测得两光子从闪光开始到达前后端各需要多少时间？时间差为多少？
(2)静止于地面的观察者测得两光子从闪光开始到达前后端，各需要多少时间？时间差为多少？
【解析】(1)以车厢为参考系，两个光子均以光速传播
即两个光子同时到达前后端，时间差为t2-
t1=0
(2)以地面为参照物，设向前运动光子与前端相遇时间为t1，
则
设向后运动光子与后端相遇时间为t2，则ct2= -vt2，所以
即两光子不同时到达前后端，时间差为
答案：(1)
(2)
