高中物理教科版必修二学案：第5章 1．经典力学的成就与局限性 2．了解相对论（选学） 3．初识量子论（选学） Word版含答案

1．经典力学的成就与局限性
2．了解相对论(选学)
3．初识量子论(选学)
学 习 目 标
知 识 脉 络
1.知道经典力学的局限性和适用范围．(重点)
2．初步了解相对论时空观中的基本观点．(难点)
3．了解狭义相对论和广义相对论．
4．了解量子论的基本内容.
一、经典力学的成就与局限性
1．经典力学的成就
(1)经典力学的基础是牛顿运动定律和万有引力定律．
(2)经典力学能说明行星和卫星的轨道、开普勒的行星运动定律、彗星运动、落体运动、海洋的潮汐、汽车的运动、足球的运动以及宏观世界中的种种运动．
(3)经典力学的思想方法影响到了化学和生物等自然科学领域，也影响了艺术、政治、哲学等社会科学领域．
2. 经典力学的局限性
(1)经典力学的绝对时空观
①内容：时间、空间与物质及其运动完全无关，时间与空间也完全无关．
②局限性：割裂了时间、空间、物质及其运动之间的联系，不能解释高速运动领域的许多客观现象．
(2)经典力学的运动观
①成就：牛顿所总结的运动定律，确立了严格的、用数值表示的机械运动的因果关系．
②局限性：不能解释微观世界的现象．
3．经典力学的适用范围
(1)适用范围：适用于宏观(＞10－10 m)、低速(v?c)、弱引力场(例如地球附近)中的运动物体．
(2)超出了以上范围要由相对论、量子论取代．
二、了解相对论和量子论(选学)
1．狭义相对论
爱因斯坦针对经典力学的运动规律在处理微观、高速时所遇到的困难，创立了狭义相对论．狭义相对论的主要效应有：
(1)长度收缩：在观测运动的物体时，物体沿运动方向上的长度会收缩，即L＝L0.
(2)时钟变慢：在观测运动的时钟时，时钟显示的时间变慢，即τ＝.
(3)质量变化：物体的质量随速度的增大而增大．
(4)质能关系：物体的质量和能量之间存在着相互联系的关系，关系式为：E＝mc2.
(5)速度上限：任何物体的速度都不能超过光速．
一般情况下，由于物体的速度v?c，相对论效应消失，其结果还原为经典力学．因此认为经典力学是相对论力学在低速情况下的近似．
2．广义相对论
(1)爱因斯坦于1916年创立了广义相对论．根据该理论推得一些结果，例：(a)当光线通过强引力场时，光线会发生偏折，即时空会发生“弯曲”．(b)引力场存在引力波．
(2)广义相对论把数学与物理学紧密地联系在了一起．
3．量子论的基本内容
(1)量子假设最早是在1900年由德国物理学家普朗克提出来的．
(2)量子论认为，微观世界的某些物理量不能连续变化，而只能取某些分立值，相邻两分立值之差称为该物理量的一个量子．
(3)微观粒子有时显示出波动性，有时又显示出粒子性，这种在不同条件下分别表现出经典力学中的波动性和粒子性的性质称为波粒二象性，在粒子的质量或能量越大时，波动性变得越不显著，所以我们日常所见的宏观物体，实际上可以看做只具有粒子性．
(4)由于微观粒子运动的特殊规律性，使一个微观粒子的某些物理量不可能(填“不可能”或“一定”)同时具有确定的数值．例如粒子的位置和动量，其中的一个量愈确定，另一个量就愈不确定，粒子的运动不遵守确定性规律而遵守统计规律．
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)经典力学的基础是牛顿运动定律． (　　)
(2)经典力学中时间、空间与物质及其运动完全无关． (　　)
(3)经典力学可以研究质子、中子等微观粒子的运动规律．
(　　)
(4)物体高速运动时，沿运动方向上的长度会变短． (　　)
(5)质量是物体的固有属性，任何时候都不会变． (　　)
(6)对于高速运动的物体，它的质量随着速度的增加而变大．
(　　)
【提示】　(1)√　(2)√　(3)×　(4)√　(5)×　(6)√
2．经典力学只适用于“宏观世界”，这里的“宏观世界”是指(　　)
A．行星、恒星、星系等巨大的物质领域
B．地球表面上的物质世界
C．人眼能看到的物质世界
D．不涉及分子、原子、电子等微观粒子的物质世界
D　[前三个选项说的当然都属于“宏观世界”，但都很片面，没有全面描述，本题应选D.]
3．(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．人们应当不断地扩展认识，在更广阔的领域内掌握不同事物的本质与规律
BCD　[人们对客观世界的认识，要受到他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．所以A错，B、C、D对．]
4．(选做)假设地面上有一列火车以接近光速的速度运行，其内站立着一个中等身材的人，站在路旁的人观察车里的人，观察的结果是(　　)
A．这个人是一个矮胖子
B．这个人是一个瘦高个子
C．这个人矮但不胖
D．这个人瘦但不高
D　[由公式l＝l0可知，在运动方向上，人的宽度要减小，在垂直于运动方向上，人的高度不变．]
对经典力学的成就与局限性的理解
1．速度
(1)低速与高速的概念：通常所见物体的运动皆为低速运动，如行驶的汽车、发射的导弹、人造地球卫星及宇宙飞船等．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．
2．微观粒子的运动特点
(1)微观粒子既有粒子性，又有波动性．就单个粒子而言，运动没有确定的运动轨迹．
(2)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来描述．
(3)20世纪20年代，建立了量子力学，用量子力学理论就可以解决微观粒子的运动问题．
【例1】　下列说法中正确的是 (　　)
A．经典力学能够说明微观粒子的规律性
B．经典力学适用于宏观物体的低速运动问题，不适用于高速运动的问题
C．相对论与量子力学的出现，表示经典力学已失去意义
D．对于宏观物体的高速运动问题，经典力学仍能适用
B　[经典力学适用于低速宏观问题，不能说明微观粒子的规律性，不适用于宏观物体的高速运动问题．A、D错误，B正确．相对论与量子力学的出现，并不否定经典力学，只是说经典力学有其适用范围，C错误．]
理解经典力学的适用范围从以下几个方面
(1)宏观：经典力学中，物质的粒子性和波动性是对立的，而微观粒子既具有粒子性又具有波动性，只能用量子力学来说明．
(2)低速：经典力学中认为运动物体的质量不变，处于绝对时空中，而对接近光速的高速运动物体，物质的质量和时空都是变化的，因此，对于高速运动物体要用相对论理论解决．
(3)弱引力场：在强引力场中，由相对论和经典力学计算出的物体运动结果差异很大，相对论结果才是正确的．
1．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”宇宙探测器在火星着陆
D．微观粒子的波动性
D　[经典力学适用于宏观物体的低速运动，故经典力学对A、B、C都能适用，对D不适用．]
对相对论的理解(选学)
1．尺缩效应
运动长度l会收缩，l＝l0，l为沿运动方向观测到的物体长度，l0为物体静止时观测到的长度，在垂直于运动方向上，物体的长度没有变化．
2．钟慢效应
运动时钟会变慢，τ＝，即运动时钟显示的时间τ比静止的时钟显示的时间τ0延缓了，而时钟的结构并没有改变．
3．质速关系
物体的质量m随速度v的增大而变大，m＝，m0为静止时的质量，m为运动时的质量．
4．质能关系
质量m和能量E之间存在着一个相互联系的关系式：E＝mc2，式中c为光速．
5．任何物体的速度不能超过光速．
6．当v?c时，相对论效应消失，其结果还原为经典力学，因此经典力学是相对论力学在低速情况下的近似．
【例2】　A、B两火箭沿同一方向高速飞过地面上的某处，vA＞vB.在火箭A上的人观察到的结果正确的是(　　)
A．火箭A上的时钟走得最快
B．地面上的时钟走得最快
C．火箭B上的时钟走得最快
D．火箭B上的时钟走得最慢
A　[在火箭A看来，地面和火箭B都高速远离自已，由t＝知，在火箭A上的人观察到的结果是地面和火箭B的时钟都变慢了，且vA＞vB，故地面的时钟最慢，因此A正确，B、C、D错误．]
时间延缓效应和长度收缩效应的应用方法
1．(1)“钟慢效应”或“动钟变慢”是在两个不同惯性系中进行时间比较的一种效应，不要认为是时钟的结构或精度因运动而发生了变化，而是在不同参考系中对时间的观测效应．
(2)运动时钟变慢完全是相对的，在两个惯性参考系中的观测者都将发现对方的钟变慢了．
2．(1)长度收缩效应是狭义相对论时空观的一种体现，即在不同惯性系中的观测者对同一物体的同一个空间广延性进行观测，测得的结果不同．
(2)这种沿着运动方向的长度的变化是相对的；另外垂直于速度方向的长度不变．
2．假设有兄弟俩个，哥哥乘坐宇宙飞船以接近光速的速度离开地球去遨游太空，经过一段时间返回地球，哥哥惊奇地发现弟弟比自己要苍老许多，则该现象的科学解释是(　　)
A．哥哥在太空中发生了基因突变，停止生长了
B．弟弟思念哥哥而加速生长
C．由相对论可知，物体速度越大，其时间进程越慢，生理进程也越慢
D．这是神话，科学无法解释
C　[根据公式t＝可知，物体的速度越大，其时间进程越慢．]
1．17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
A　[牛顿创建了完整的经典力学体系，故A正确．]
2．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．在经典力学中，物体的质量随运动速度的增加而减小，在狭义相对论中，物体的质量随物体速度的增大而增大
C．在经典力学中，物体的质量是不变的，在狭义相对论中，物体的质量随物体速度的增大而增大
D．上述说法都是错误的
C　[在经典力学中，物体的质量是不变的，在狭义相对论中，物体的质量随物体速度的增大而增大，二者在速度远小于光速时是统一的，故只有C正确．]
3．(多选)关于经典力学、相对论和量子力学，下面说法中正确的是 (　　)
A．相对论和经典力学是相互对立、互不相容的两种理论
B．在物体高速运动时，物体的运动服从相对论理论，在低速运动时，物体的运动服从牛顿运动定律
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　[相对论并没有否定经典力学，而是认为经典力学是相对论理论在一定条件下的特殊情况，A错．经典力学适用于宏观物体的低速运动，对于微观粒子的高速运动问题，经典力学不再适用，但相对论、量子力学适用，故B、C对，D错．]
4．(多选)关于经典力学的成就，下列说法正确的是(　　)
A．经典力学把天体的运动与地上物体的运动统一起来，是人类对自然界认识的第一次综合，是人类认识史上的一次重大飞跃
B．经典力学第一次向人们展示了时间的相对性
C．火箭、人造地球卫星、航天飞机、宇宙飞船、行星探测器等航天器的发射，都是牛顿力学规律的应用范例
D．经典力学是最早形成的物理理论，对后来的理论有重要影响
ACD　[经典力学把天体的运动与地上物体的运动统一起来，是人类认识史上的一次重大飞跃，时间的相对性是相对论的观点，故A对，B错；航天器的发射与运行是牛顿力学规律的应用范例，故C对；同样，D也对．]
5．把电子从v1＝0.9c加速到v2＝0.97c时电子的质量增加多少？(已知电子静止质量m0＝9.1×10－31 kg)
[解析]　电子速度为v1时电子质量为
m1＝＝
电子速度为v2时电子质量为
m2＝＝
电子质量增量为Δm＝m2－m1＝1.66×10－30 kg.
[答案]　1.66×10－30 kg