第六章 万有引力与航天
第六节 经典力学的局限性
【学习目标】
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间的变化。
4、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。
【重点、难点】
牛顿运动定律的适用范围,高速运动的物体,速度和质量之间的关系。
预习案
【自主学习】
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.狭义相对论阐述物体在以________________运动时所遵从的规律.
3.在经典力学中,物体的质量是________的,而狭义相对论指出,质量要随着物体运动
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________.
5.19世纪末20世纪初,物理学研究深入到微观世界,发现了电子、质子、中子等微观
粒子,而且发现它们不仅具有__________,同时还具有__________.20世纪20年代,
______________建立,它能够很好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.
6.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.
7.1915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____________.
【学始于疑】
探究案
【合作探究一】
1.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。
请同学们阅读课文,阅读时考虑下列问题[用投影片出示]:
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”?
阅读教材,并思考上面的问题。
[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:
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.
【当堂检测】
1.下列说法正确的是( )
A.牛顿定律就是经典力学
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
2.17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
3.以下说法正确的是( )
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
4.在物理学发展的过程中,许多物理学家的科学发现推动了人类历史的进步.在对以下几位物理学家所作科学贡献的叙述中,正确的说法是( )
A.爱因斯坦创立了“日心说”
B.哥白尼提出了“地心说”
C.伽利略发现了行星运动定律
D.牛顿总结出了万有引力定律
5.下列说法中正确的是( )
A.爱因斯坦的狭义相对论研究的是物体在低速运动时所遵循的规律
B.爱因斯坦的狭义相对论研究了物体在高速运动时所遵循的规律
C.牛顿物理学的运动定律研究的是物体在低速运动时所遵循的规律
D.牛顿物理学的运动定律研究的是物体在高速运动时所遵循的规律
6.对于公式m=,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,物体的质量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,故经典力学适用于低速运动,而不适用于高速运动物体
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
【课后巩固】
7.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
8.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
9.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
10.下面说法中正确的是( )
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的结论没有区别 ③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 ④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
A.①③ B.②④
C.①④ D.②③
11.20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低速运动的问题,不能用来处理高速运动的问题;只适用于宏观物体,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
【答案】
自主学习:
1.牛顿运动定律 宏观 低速 弱引力 天体力学
2.接近光的速度
3.不变 增大 速度远小于光速
4.无关 有关 不同
5.粒子性 波动性 量子力学
6.低速 高速 宏观 微观
7.不再适用 没有区别 没有区别
当堂检测:
1.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,并不能解决自然界中所有的问题.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,才能正确解答此类问题.]
方法总结 经典力学不能用来解决微观世界和高速运动中的一些问题.
2.A
3.BC [经典力学理论只适用于宏观、低速的物体,A错,B对.在经典力学中,物体的速度v?c,所以物体的质量不随运动状态而改变,但相对论和量子力学并不否定经典力学理论,认为它是在一定条件下的特殊情形,C正确,D错误.]
4.D [“日心说”由哥白尼提出,爱因斯坦创立了相对论理论,A、B错.行星运动定律是开普勒发现的,C错.万有引力定律是牛顿总结提出的,D对.]
5.BC [牛顿经典力学适用于宏观物体的低速运动;爱因斯坦的狭义相对论适用于微观粒子的高速运动,在低速时得出的结论与经典力学基本一致.]
课后巩固:
6.ACD [根据公式可得A正确;由公式可知,v?c时,物体质量基本不变,只有当v接近c时,质量才发生较大变化,故B错误,C、D正确.]
7.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.]
8.C
9.AD [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.]
10.A
11.BCD [人们对客观世界的认识,要受到他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.所以A错,B、C、D对.