高中物理粤教版必修二学案 第五章+经典力学与物理学革命+Word版含解析

1．经典力学只适用于低速、宏观物体的运动，而不适用于高速、微观物体的运动。
2．经典时空观认为时间和空间与外界无关，是绝对的。狭义相对论揭示了时间和空间的联系，表明了时空的相对性和绝对性的辩证统一。
3．德国物理学家普朗克提出了能量子假说，认为物质发射(或吸收)能量时，能量不是连续的，而是一份一份地进行的。
4．爱因斯坦提出的光子说成功的解释了光电效应现象，光电效应现象表明了光的粒子性。
5．光既具有波动性又具有粒子性，也就是光具有波粒二象性，大量光子传播往往表现为波动性；微观上，个别光子在与其他物质产生作用时，往往表现为粒子性。
6．氢原子光谱是由一系列不连续的亮线组成的线状谱，说明原子只能处于一系列不连续的能量状态中。
一、经典力学的成就与局限性
1．经典力学的发展历程
(1)15世纪以后，欧洲开始了文艺复兴运动，物理学进入一个迅速发展的阶段。
(2)16世纪哥白尼创立了日心说。
(3)17世纪，伽利略发现了惯性定律、落体定律和力学相对性原理，奠定了动力学的基础。
(4)17至18世纪，科学家发展了从动量、能量角度对牛顿运动定律的表述，进一步完善了经典力学体系。
(5)19世纪，经典力学由单个质点推广到多质点构成的系统。
2．经典力学的伟大成就
(1)经典力学把天上物体和地上物体统一起来，从力学上证明了自然界的多样性的统一，实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合。
(2)使人们认识到了以现象观察和实验研究为基础的自然科学理论的基本特征。
(3)建立了以实验和数学相结合的研究方法。
(4)推动了其他学科的发展，与其他学科相结合产生了一些交叉性的分支学科。
3．经典力学的局限性
(1)把一切自然现象都归结为机械决定论。
(2)把时间、空间割裂开来，认为它们与物质运动无关。
4．经典力学的适用范围
(1)只适用于低速运动，不适用于高速运动。
(2)只适用于宏观物体的运动，不适用于微观物体的运动。
二、经典时空观与相对论时空观
1．经典时空观
(1)凡是牛顿运动定律成立的参考系，称为惯性参考系，简称惯性系。而牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系。
(2)对于所有的惯性系，力学规律都是相同的，或者说，一切惯性系都是等效的，这一结论称为伽利略相对性原理。
(3)经典力学的时空观：
①概述：绝对的真实的数学时间，就其本质而言，是永远均匀地流逝。绝对空间就其本质而言是与任何外界事物无关的，它从不运动、并且永远不变，这就是经典力学的时空观，也称为绝对时空观。
②几个具体结论：
a．同时的绝对性。
b．时间间隔的绝对性。
c．空间距离的绝对性。
2．相对论时空观
(1)狭义相对论的两条基本假设为：
①相对性原理：在不同的惯性系中，一切物理规律都是相同的。
②光速不变原理：不管在哪个惯性系中，测得的真空中的光速都相同。
(2)爱因斯坦的狭义相对论揭示了时间和空间的联系，表明了时空的相对性和绝对性的辩证统一。
三、量子化现象
1．黑体辐射
(1)黑体：如果一个物体能够吸收照射到它上面的全部辐射而无反射，这种物体就是黑体。
(2)黑体辐射：黑体发出的电磁辐射。
2．能量子假说
(1)能量子
①含义：物质发射(或吸收)能量时，能量不是连续的，而是一份一份地进行的，每一份就是一个最小的能量单位。这个最小的能量单位称为能量子。
②能量子的能量ε＝hν。
h是普朗克常量，h＝6.63×10－34 J·s。
(2)在微观领域中能量的不连续变化，即只能取分立值的现象，叫做能量的量子化。
3．光子说：对光电效应的解释
(1)光子
光在传播过程中，也是不连续的，它由数值分立的能量子组成。爱因斯坦称这些能量子为光量子，也称为“光子”，每个光子的能量是hν。
(2)光电效应
当紫外线这一类波长较短的光照射金属表面时，金属便有电子逸出，这种现象称为光电效应。从金属表面逸出的电子称为光电子。
4．光的波粒二象性：光的本性揭示
光电效应说明光具有粒子性，光的干涉、衍射显示光具有波动性，大量的实验事实表明，光既具有波动性又具有粒子性，也就是光具有波粒二象性。
5．原子光谱：原子能量的不连续
1．氢原子光谱是由一系列不连续的亮线组成的线状谱。
2．原子只能处于一系列不连续的能量状态中，当原子从一种能量状态变化到另一种能量状态时，辐射(或吸收)一定频率的光子，辐射(或吸收)的光子的能量是不连续的。
四、物理学——人类文明进步的阶梯
1．物理学是自然科学的基础之一，物理学的研究成果和研究方法，在自然科学的各个领域都起着重要的作用。
2．物理学的发展推动了科学技术的高速发展。几乎所有重大的新技术领域，如原子能技术、激光技术、电子和信息技术等的创立，都是在物理学中经过了长期的酝酿，在理论上和实验上取得突破，继而转化为技术成果的。
1．自主思考——判一判
(1)在以牛顿运动定律为基础的经典力学中，时间、空间和质量均与物体的运动速度无关。(√)
(2)像人造卫星这样高速运动的物体，已经无法用牛顿运动定律研究其运动规律了。(×)
(3)首先提出量子理论的科学家是爱因斯坦。(×)
(4)一个量子就是组成物质的最小微粒，如原子、分子。(×)
(5)光电效应现象说明光具有粒子性。(√)
(6)光具有波粒二象性说明有的光是波，有的光是粒子。(×)
2．合作探究——议一议
(1)经典力学是指牛顿运动定律吗？
提示：不是，牛顿运动定律只是经典力学的基础。
(2)经典时空观和相对论时空观的主要区别体现在哪里？
提示：经典时空观认为时间和空间是绝对的，彼此独立，时间、长度、质量均与参考系的选择无关。
相对论时空观认为时间和空间都是相对的，时间、长度、质量均是变化的。
(3)原子光谱具有什么特点？有什么用途？
提示：原子光谱是不连续的，不同的谱线对应不同的元素，利用原子光谱可分析不同的元素。
经典力学与物理学革命
1．牛顿运动定律不适用下列哪些情况(　　)
A．研究原子核外部电子绕核运动的情况
B．研究“神舟”六号的升空过程
C．研究地球绕太阳公转
D．研究超音速飞机的运动
解析：选A　经典力学不适用于微观世界，故应选A；B、C、D三个选项中，各种运动的速率都是比较大的，但相对于光速来说都是低速运动，完全可以用牛顿运动定律研究其规律。
2．如图5-1所示，强强乘速度为0.9c(c为真空中的光速)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(　　)
图5-1
A．0.4c　　　　　　　 B．0.5c
C．0.9c D．1.0c
解析：选D　根据爱因斯坦的狭义相对论，在一切惯性系中，光在真空中的传播速度都等于c。故选项D正确。
3．相对论中，关于飞船飞行时间间隔的相对性，下列相关叙述中不正确的是(　　)
A．同方向以相等速率飞行的两只飞船上的航天员测得的对方的飞行时间总一致
B．以相等速率相向飞行的两只飞船上的航天员测得的对方的飞行时间总一致
C．在地球上观察，飞船上的时间进程变慢了，其一切变化过程均变慢了
D．在飞船上观察，地球上的时间进程变快了，其一切变化过程均变快了
解析：选D　同速率同向飞行，认为是同一参考系，测得时间一致，A正确。有相对运动时，测得时间均比相对静止时间变慢了，B、C正确。以飞船为参考系，可认为地球向飞船飞行，航天员认为地球上的时间变慢了，D错误。
4．下列物理事件和科学家不相对应的是(　　)
A．普朗克最先提出能量量子化理论
B．牛顿发现并建立了万有引力定律
C．爱因斯坦提出了光子说，成功解释了光电效应现象
D．霍金最早建立了狭义相对论
解析：选D　最早建立狭义相对论的是爱因斯坦，不是霍金。
5．根据爱因斯坦光子说，光子能量E等于(h为普朗克常量，c、λ为真空中的光速和波长，且c＝λν)(　　)
A．h B．h
C．hλ D.
解析：选A　根据E＝hν和c＝λν可得E＝h，选项A正确。
6．用某种单色光照射某种金属表面，发生光电效应。现将该单色光的光强减弱，则(入射光的强度是指单位时间内入射到金属表面上的总能量。在入射光频率不变的情况下，光强正比于单位时间内射到金属单位面积上的光子数)(　　)
A．该光的能量子变大
B．该光的能量子变小
C．单位时间内产生的光电子数减少
D．可能不发生光电效应
解析：选C　能否产生光电效应以及该光的能量子决定于光的频率，与光强无关，故A、B、D错。光强减弱时，单位时间内入射的光子数减少，故单位时间内产生的光电子数减少，C对。
7．为了验证光具有波动性，某同学采用下列做法，其中可行的是(　　)
A．让一束光照射到一个轻小物体上，观察轻小物体是否会振动
B．让一束光通过一狭缝，观察是否发生衍射现象
C．让一束光通过一圆孔，观察是否发生小孔成像
D．以上做法均不可行
解析：选B　光波不能理解为质点参与的振动，故A不可行。经过狭缝的光在屏上能产生明暗相间的衍射条纹，故B可行。光通过小孔成像，说明了光的直线传播，故C不可行。
8．一支静止时长为l的火箭以v(假设接近光速)的速度从观察者的身边飞过。
(1)火箭上的人测得火箭的长度应为多少？
(2)观察者测得火箭的长度如何变化？
解析：(1)火箭上的人测得的火箭长度与火箭静止时测得的长度相同，即为l。
(2)火箭外面的观察者看火箭时，有相对速度v，测量长度将变短。
答案：(1)l　(2)变短
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　实验综合问题
1．如图1所示，用底部带孔的玻璃试管和弹簧可以组装一个简易“多功能实验器”，利用该实验器，一方面能测弹簧的劲度系数，另一方面可测量小球做平抛运动的初速度。
图1
(1)用该装置测量弹簧劲度系数k时需要读出几次操作时的________和________，然后由公式________求出k的平均值。
(2)使用该装置测量小球的初速度时，需要多次将弹簧的右端压到________(选填“同一”或“不同”)位置。然后分别测出小球几次飞出后的________和________，再由公式________求出初速度的平均值。
解析：(1)根据胡克定律F＝kΔx，可得k＝。弹簧的劲度系数可由弹簧的伸长量(或压缩量)和弹力计算。(2)物体做平抛运动时，水平方向上x＝v0t，竖直方向上y＝gt2，所以v0＝x。
答案：(1)弹簧测力计的示数F　弹簧的伸长量Δx　k＝　(2)同一　水平位移x　竖直高度y　v0＝x
2.图2是“研究平抛物体运动”的实验装置图，通过描点画出平抛小球的运动轨迹。
(1)以下是实验过程中的一些做法，其中合理的有________。
图2
a．安装斜槽轨道，使其末端保持水平
b．每次小球释放的初始位置可以任意选择
c．每次小球应从同一高度由静止释放
d．为描出小球的运动轨迹，描绘的点可以用折线连接
(2)实验得到平抛小球的运动轨迹，在轨迹上取一些点，以平抛起点O为坐标原点，测量它们的水平坐标x和竖直坐标y，下列y-x2图像能说明平抛小球的运动轨迹为抛物线的是________。
(3) 图3是某同学根据实验画出的平抛小球的运动轨迹，
图3
O为平抛的起点，在轨迹上任取三点A、B、C，测得A、B两点竖直坐标y1为5.0 cm、y2为45.0 cm，A、B两点水平间距Δx为40.0 cm，则平抛小球的初速度v0为________m/s，若C点的竖直坐标y3为60.0 cm，则小球在C点的速度vc为________m/s(结果保留两位有效数字，g取10 m/s2)。
解析：(1)为了保证小球做平抛运动，实验中必须保证斜槽末端水平，为了保证每次做平抛运动的初速度相同，每次应该让小球从同一高度由静止释放，小球的运动轨迹应为平滑的曲线，因此a、c项合理。
(2)小球做平抛运动，水平位移x＝v0t，竖直位移y＝gt2，因此y＝g2，y -x2图像是一条过原点的直线，c项正确。
(3)由y＝gt2得，t1＝ ＝0.10 s，t2＝ ＝0.30 s，因此小球平抛运动的初速度为v0＝＝ m/s＝2.0 m/s。小球在C点时竖直方向的分速度vy3＝＝ m/s＝2 m/s，因此C点速度vC＝＝4.0 m/s。
答案：(1)ac　(2)c　(3)2.0　4.0
3．某探究学习小组验证动能定理的实验装置如图4所示。
图4
(1)实验时首先要平衡摩擦力：取下沙桶，把木板不带滑轮的一端垫高，轻推小车，让小车________(选填“拖着”或“不拖着”)纸带运动。如果纸带上的点是均匀分布的，说明已经平衡了摩擦力，否则重新调节。
(2)打点计时器使用频率为50 Hz的交流电，记录小车运动的纸带如图5所示。在纸带上相邻两计数点之间还有四个点未画出。本实验需根据此纸带计算________(选填“速度”或“加速度”)的值，其中小车通过计数点“B”时，该值＝________(计算结果保留2位有效数字)。
图5
(3)若实验室没有沙桶只有钩码，每个钩码质量m＝50 g，小车总质量M＝200 g，用该实验装置验证动能定理，则需验证重力对钩码所做的功是否等于________(选填“小车”或“小车和钩码”)动能的增量。
解析：(1)实验时首先要平衡摩擦力：取下沙桶，把木板不带滑轮的一端垫高，轻推小车，让小车拖着纸带运动。如果纸带上的点是均匀分布的，说明已经平衡了摩擦力，否则要重新调节。
(2)打点计时器使用频率为50 Hz的交流电，即打点周期为0.02 s，在纸带上相邻两计数点之间还有四个点未画出，即计数点间的时间间隔为0.1 s，根据本实验的需要，要求动能的增量，即根据此纸带计算某点速度的值，其中小车通过计数点“B”时，该速度值为v＝＝＝0.13 m/s。
(3)若实验室没有沙桶只有钩码，每个钩码质量m＝50 g，小车总质量M＝200 g，用该实验装置验证动能定理，需验证重力对钩码所做的功是否等于小车和钩码动能的增量。
答案：(1)拖着　(2)速度　0.13 m/s　(3)小车和钩码
4．某同学用如图6甲所示的装置验证动能定理。为了提高实验精度，该同学多次改变小滑块下落高度H的值，测出对应的平抛运动水平位移x，并算出x2如下表所示，进而画出x2-H图线如图乙所示。
图6
滑块下落高度H
平抛水平位移x/cm
平抛水平位移的平方x2/cm2
h
5.5
30.25
2h
9.1
82.81
3h
11.7
136.89
4h
14.2
201.64
5h
15.9
252.81
6h
17.6
309.76
7h
19.0
361.00
8h
20.6
424.36
9h
21.7
470.89
(1)原理分析：若滑块在下滑过程中所受阻力很小，则只要满足________________，便可验证动能定理。
(2)实验结果分析：实验中获得的图线未过坐标原点，而交在了大约(0.2h,0)处，原因是________________。
解析：(1)若滑块在下滑过程中所受阻力很小，由动能定理，mgH＝mv02，根据平抛运动规律，x＝v0t，h＝gt2，显然x2与H成正比，即只要测量量满足x2与H成正比，便可验证动能定理。
(2)实验中获得的图线未过坐标原点，而交在了大约(0.2h，0)处，原因是滑块需要克服阻力做功。
答案：(1)x2与H成正比　(2)滑块需要克服阻力做功
5．“验证机械能守恒定律”的实验装置可以采用图7所示的甲或乙方案来进行。
图7
(1)比较这两种方案，________(填“甲”或“乙”)方案好些。
(2)该同学开始实验时情形如图丙所示，接通电源释放纸带。请指出该同学在实验操作中存在的两处明显错误或不当的地方：
①________________；②________________。
(3)该实验中得到一条纸带，且测得每两个计数点间的距离如图丁中所示。已知相邻两个计数点之间的时间间隔T＝0.1 s。则物体运动的加速度a＝________；该纸带是采用________(填“甲”或“乙”)实验方案得到的。
解析：由Δx＝aT2，利用逐差法得到物体运动的加速度a＝4.8 m/s2。若用自由落体实验测得物体运动的加速度a应该接近10 m/s2，所以该纸带是采用“乙”实验方案得到的。
答案：(1)甲　(2)①打点计时器接了直流电源　②重物离打点计时器太远　(3)4.8 m/s2　乙
6．在用落体法验证机械能守恒定律时，某小组按照正确的操作选得纸带如图8所示。其中O是起始点，A、B、C是打点计时器连续打下的3个点。用毫米刻度尺测量O到A、B、C各点的距离，并记录在图中。(已知当地的重力加速度g＝9.80 m/s2，重锤质量为m＝1 kg，计算结果均保留3位有效数字)
图8
(1)图中的三个测量数据中不符合有效数字读数要求的是________段的读数，应记作________cm。
(2)甲同学用重锤在OB段的运动来验证机械能守恒，他用AC段的平均速度作为B点对应的瞬时速度vB，则求得该过程中重锤的动能增加量ΔEk＝________ J，重力势能的减少量ΔEp＝________ J。这样验证的系统误差总是使ΔEk________ΔEp(选填“>”“<”或“＝”)。
(3)乙同学根据同一条纸带，同一组数据，也用重锤在OB段的运动来验证机械能守恒，将打点计时器打下的第一个点O记为第1个点，图中的B是打点计时器打下的第9个点。因此他用v＝gt计算与B点对应的瞬时速度vB，求得动能的增加量ΔEk＝________J。这样验证的系统误差总是使ΔEk________ΔEp(选填“>”“<”或“＝”)。
(4)上述两种处理方法中，你认为合理的是________同学所采用的方法。(选填“甲”或“乙”)
解析：(1)毫米刻度尺读数要估读到毫米下一位，OC长度读数到1毫米，不符合读数要求。应记作15.70 cm。
(2)AC段的平均速度即B点瞬时速度vB＝＝＝1.55 m/s，则系统增加的动能ΔEk＝mvB2≈1.20 J，重力势能减少了ΔEp＝mg≈1.22 J，由于摩擦力的作用，部分重力势能转化为内能，所以ΔEk<ΔEp。
(3)B是打点计时器打下的第9个点，所以B点的速度vB＝gt＝g×8×0.02 s＝1.57 m/s，动能的增加量ΔEk＝mvB2≈1.23 J。这样做把加速度按照自由落体计算，没有考虑摩擦力的作用，而实际上，由于摩擦力的作用，加速度aΔEp。
(4)乙方案中直接把加速度按照重力加速度计算，不符合事实，而且误差大，所以合理的是甲方案。
答案：(1)OC　15.70　(2)1.20　1.22　<　(3)1.23　>　(4)甲
7．利用气垫导轨装置验证机械能守恒定律时，先非常仔细地把导轨调成水平，然后如图9所示用垫块把导轨一端垫高H，滑块m上面装l＝3 cm的挡光框，使它由轨道上端任一处滑下，测出它通过光电门G1和G2的时间Δt1和Δt2，就可以算出它通过G1和G2时的速度v1和v2，就可以算出它由G1到G2这段过程中动能的增加量ΔEk＝m(v22－v12)，再算出重力势能的减少量ΔEp＝mgh，比较ΔEk与ΔEp的大小，便可验证机械能是否守恒。
图9
(1)滑块的速度v1、v2如何求出？滑块通过G1时的高度h如何求出？
(2)若测得图中L＝1 m，x＝0.5 m，H＝20 cm，m＝500 g，滑块通过G1和G2的时间分别为5.0×10－2 s和2.0×10－2 s，当地的重力加速度g为9.80 m/s2，试判断机械能是否守恒。
解析：(1)因为挡光框的宽度很小，即l＝3 cm，而滑块通过光电门的时间极短，故可以认为滑块通过光电门时做匀速直线运动，则通过两光电门时的平均速度就等于通过G1和G2两位置时的瞬时速度，v1＝，v2＝；由几何相似原理可知＝，求得h＝x，H、L、x都是事先设定的。
(2)由(1)可知v1＝＝ m/s＝0.6 m/s，v2＝＝ m/s＝1.5 m/s，h＝x＝×0.5 m＝0.1 m。动能增加量ΔEk＝m(v22－v12)＝×0.5×(1.52－0.62)J≈0.473 J。重力势能减少量ΔEp＝mgh＝0.5×9.80×0.1 J＝0.490 J。在误差允许的范围内，可认为机械能守恒。
答案：见解析