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．(重点) 3.知道速度对质量的影响及光速不变原理．(难点) 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
速度远小于光速
接近光速运动
物理理论
经典力学
相对论
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增大，m＝m0/
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无关
同一过程的位移和时间的测量在不同参考系中是不同的
二、从宏观到微观、从弱引力到强引力
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，而量子力学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
经典力学适用于低速运动，不适用于高速运动，适用于宏观世界，不适用于微观世界．
3．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，牛顿的引力理论不再适用．
(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构没有区别．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没有区别．
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)在经典力学中，位移的测量与参考系的运动情况无关． (√)
(2)在相对论力学中，运动的时钟和静止的时钟快慢相同． (×)
(3)在相对论力学中，高速运动的物体质量要变小． (×)
(4)经典力学一般不适用于微观粒子． (√)
(5)万有引力定律适用于中子星表面引力的计算． (×)
2．下列物体的运动不能用经典力学描述的是( )
A．飞机的飞行 B．人造卫星的运行
C．小汽车的行驶 D．光子的运动
D [经典力学适用于低速宏观的物体，A、B、C不符合题意，选项D符合题意．]
3．关于经典力学的局限性，下列说法正确的是( )
A．火车提速后，有关速度问题不能用经典力学来处理
B．由于经典力学有局限性，所以一般力学问题都用相对论力学来解决
C．经典力学适用于宏观低速运动的物体
D．经典力学只适用于像地球和太阳那样大的宏观物体
C [经典力学是有局限性，经典力学适用于宏观低速运动的物体，但对于一般力学问题仍能用经典力学来解决，所以即使在火车提速后，有关速度问题仍能用经典力学来处理，故A、B错误，C正确；经典力学不仅适用于像地球和太阳那样大的宏观物体，也适用一般尺寸的宏观物体，故D错误．故选C.]
物体速度对质量的影响
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．
【例1】 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
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．当物体的速度远小于光速时，其质量的变化可以忽略；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．
1．(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，故经典力学不再适用
C．当物体以较小速度运动时，质量变化十分微小，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，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很小，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
CD [公式中m0是物体的静止质量，m是物体以速度v运动时的质量，选项A错误．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，选项C、D正确，B错误．]
狭义相对论、量子理论、广义相对论的比较
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．
【例2】 (多选)关于经典力学、相对论与量子论的说法正确的是( )
A．当物体的速度接近光速时，经典力学就不适用了
B．相对论和量子力学的出现，使经典力学失去了意义
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
AC [经典力学只适用于低速宏观的物体，故A正确；相对论和量子力学的出现，并没有否定经典力学，只是说经典力学有一定的适用范围，故B错误；量子力学描述了微观粒子运动的规律性，故C正确；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错误．]
2．(多选)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，物体的运动规律服从牛顿运动定律
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形，A错误；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，选项B、C正确，D错误．]
课 堂 小 结
1.在经典力学中，物体的质量是固定不变的；狭义相对论中指出质量随速度的变化而变化，其关系式为m＝.
2．经典力学能精确地描述宏观物体的运动规律；量子力学能正确描述微观粒子的运动规律．
3．量子力学和相对论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.
知 识 脉 络
1．(多选)经典力学规律适用于下列运动的是( )
A．子弹的飞行
B．飞船绕地球的运行
C．列车的运行
D．粒子接近光速的运动
ABC [经典力学的适用范围是宏观、低速情形，子弹的飞行、飞船绕地球的运行、列车的运动，经典力学能适用，故A、B、C正确；对于微观、高速的情形经典力学不适用，故D错误．]
2．关于经典力学，下列说法正确的是( )
A．仅适用于微观粒子的运动
B．适用于宏观物体的低速运动
C．经典力学中，物体的质量与其运动速度有关
D．经典力学中，物体的长度与其运动速度有关
B [经典力学使用条件为：宏观，低速．对微观，高速度运动不再适用，故A错误，B正确．在相对论力学中，物体的质量、长度与其运动速度有关；经典力学中，物体的质量、长度与其运动速度无关，故C、D错误．故选B.]
3．关于经典力学和量子力学，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．量子力学适用于宏观物体的运动；经典力学适用于微观粒子的运动
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．上述说法都是错误的
C [经典力学适用于低速运动、宏观物体，不适用于高速、微观粒子．量子力学不适用于宏观物体，适用于微观粒子，故选项C正确．]
4．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．运动中的物体无法称量质量
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
B [根据狭义相对论质速关系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，正确选项为B.]
课件43张PPT。第六章 万有引力与航天6.经典力学的局限性相对论 增大 无关 不同的 量子力学 低速 高速 宏观 微观 不再适用 没有区别 没有区别 √
×
×
√
×物体速度对质量的影响狭义相对论、量子理论、广义相对论的比较点击右图进入…Thank you for watching !课时分层作业(十一)
(时间：15分钟 分值：48分)
选择题(本题共8小题，每小题6分，共48分)
1．下列说法正确的是( )
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所有的问题
D．经典力学可以解决自然界中所有的问题
B [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，它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所有的问题．因此，B正确．]
2．经典力学只适用于低速运动，不适用于高速运动，这里的“高速”是指( )
A．声音在空气中的传播速度
B．第一宇宙速度
C．高铁列车允许行驶的最大速度
D．接近真空中光的传播速度
D [相对论的创始人是爱因斯坦，据相对论理论，时间、空间与物体的运动速度有关，如：相对质量公式为m＝，m0是物体静止时的质量，m是物体的运动时的质量，v是物体速度，c是光速．所以这里的“高速”应该是指接近真空中光的传播速度，故D正确，A、B、C错误．故选D.]
3．人类在探索自然规律的进程中总结了许多科学方法，如分析归纳法、演绎法、等效替代法、控制变量法、理想实验法等．在下列研究中，运用理想实验法进行研究的是( )
A．牛顿发现了万有引力定律
B．伽利略得出力不是维持物体运动的原因
C．爱因斯坦提出相对论
D．普朗克提出量子论
B [“牛顿发现了万有引力定律、爱因斯坦提出相对论、普朗克提出量子论”都是可以通过科学实验验证的，所以A、C、D错；“伽利略得出力不是维持物体运动的原因”则无法通过科学实验验证，只有运用理想实验法来推导，正确答案为B.]
4．下列关于经典力学和相对论的说法，正确的是( )
A．经典力学和相对论的研究领域没有交集
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
D [相对论的建立并没有否定经典力学，而是认为经典力学是相对论在一定条件下的特殊情形，选项A、B、C错误，D正确．]
5．(多选)关于牛顿物理学与狭义相对论，下列说法正确的是( )
A．狭义相对论研究的是物体在低速运动时所遵循的规律
B．狭义相对论研究的是物体在高速运动时所遵循的规律
C．牛顿物理学研究的是物体在低速运动时所遵循的规律
D．牛顿物理学研究的是物体在高速运动时所遵循的规律
BC [牛顿物理学的运动规律适用于低速、宏观物体，而爱因斯坦的狭义相对论适用于高速、微观世界．]
6．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.]
7．相对论告诉我们，物体运动时的质量与其静止时的质量相比( )
A．运动时的质量比静止时的质量大
B．运动时的质量比静止时的质量小
C．运动时的质量与静止时的质量相等
D．是两个不同的概念，无法比较
A [根据狭义相对论的质速关系m＝知，物体运动时的质量比静止时的质量大，A对，B、C、D错．]
8．通过一个加速装置对电子施加很大的恒力，使电子从静止开始加速，则对这个加速过程，下列描述正确的是( )
A．根据牛顿第二定律，电子将不断做匀加速直线运动
B．电子先做匀加速直线运动，后以光速做匀速直线运动
C．电子开始近似于做匀加速直线运动，后来质量增大，牛顿运动定律不再适用
D．电子是微观粒子，整个加速过程根本就不能用牛顿运动定律解释
C [电子在加速装置中由静止开始加速，开始阶段速度较低，远低于光速，此时牛顿运动定律基本适用，可以认为在它被加速的最初阶段，它做匀加速直线运动．随着电子的速度越来越大，接近光速时，相对论效应越来越大，质量加大，它不再做匀加速直线运动，牛顿运动定律不再适用，C正确，A、B、D错误．]
