经典力学的巨大成就和局限性 狭义相对论的基本原理
1．知道牛顿对物理学发展的巨大贡献和经典力学的重要历史地位． 2．理解经典力学方法论的意义和经典力学的时空观．(重点) 3．掌握狭义相对论基本原理的内容及其意义．(重点)
一、一座永垂不朽的纪念碑
1．《自然哲学的数学原理》的产生：英国科学家牛顿的代表作，出版于1687年．
2．《自然哲学的数学原理》介绍：全书共分两个部分．第一部分是“定义和注释”、“运动的基本定理或定律(包括三个运动定律)”．第二部分是定律的应用，其内容包括：万有引力定律和行星的运动；流体力学的开创性研究；天体力学和宇宙系统的开拓性研究(行星的运动，卫星的运动，地面上的落体运动，抛体运动，彗星轨道，岁差以及潮汐现象等)．
全书贯穿了牛顿和莱布尼兹分别独立发明的数学方法——微积分．它在科学史上占有非常重要的地位，因为它标志着经典力学的建立．
二、经典力学的巨大成就
1．把天体运动与地上物体的运动统一起来了．
2．以经典力学为基础发展起来了天体力学、材料力学．
3．力学与热学结合引发了第一次工业革命．
4．经典力学是航天的理论基础．
三、经典力学方法论的意义
经典力学的研究方法以伽利略和牛顿最为典型．
伽利略：理想实验法．
牛顿：归纳——演绎法，建立理论体系．
四、经典力学的局限性
1．经典力学对时间和空间的认识
(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．
2．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)只适用于宏观世界，不适用于微观世界．
(3)只适用于弱引力环境，不适用于强引力环境．
五、经典力学的时空观
1．概述：绝对的空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关，而永远相同和不动的，绝对的时间自身在不停地流逝着．这就是经典力学的时空观，也称为绝对时空观．
2．绝对时空观的特点：时间和空间是分离的，时间尺度和空间尺度与物质的运动无关，都是绝对的．
六、狭义相对论的基本公设
1．惯性系与非惯性系
牛顿运动定律成立的参考系，称为惯性参考系，简称惯性系．如研究地面上物体的运动时，地面就是惯性参考系，相对于地面做匀速直线运动的参考系，也是惯性参考系．
2．伽利略的相对性原理
(1)概述：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．
(2)两个要点：①如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系叫做惯性系，相对于一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系；
②力学规律在任何惯性系中都是相同的，或者说，任何惯性系都是等效的．
3．两条基本公设
(1)相对性原理：在不同的惯性参考系中，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惯性参考系中都是相同的．
这是爱因斯坦在前人的实验基础上提出的假设，这两个假设就是狭义相对论的基础．
经典力学的成就与局限性
1．经典力学的巨大成就
牛顿力学的成就有以下几个方面的体现：
(1)把天体运动与地上物体的运动统一起来了．
(2)以经典力学为基础发展起来了天体力学、材料力学等．
(3)力学和热力学的发展及其与生产的结合引发了第一次工业革命．
(4)经典力学是航空航天技术的理论基础．
2．经典力学方法论的意义
经典力学方法的典型就是伽利略和牛顿的研究方法．
伽利略：自然数学化法．
牛顿：归纳—演绎法，建立理论体系．
3．经典力学的应用受到物体运动速率的限制，当物体运动的速率接近真空中的光速时，经典力学的许多观念将发生重大变化．如经典力学中认为物体的质量不仅不变，并且与物体的速度或能量无关，但相对论研究则表明，物体的质量将随着运动速率的增加而增大，物体的质量和能量之间存在着密切的联系．但当物体运动的速度远小于真空中的光速时，经典力学仍然适用．
4．牛顿运动定律不适用于微观领域中物质结构和能量不连续现象．19世纪和20世纪之交，物理学的三大发现，即X射线的发现、电子的发现和放射性的发现，使物理学的研究由宏观领域进入微观领域，特别是20世纪初量子力学的建立，出现了与经典观念不同的新概念．
例如：量子力学的研究表明(物理学的新观念)：
(1)微观粒子既表现为波动性又表现为粒子性．
(2)粒子的轨道、能量等物理量只能取分立的数值即能量和轨道是量子化的．
(3)粒子的速度和位置具有不确定性，粒子的状态只能用粒子在空间出现的概率来描述等．但量子力学的建立并不是对经典力学的否定，对于宏观物体的运动，量子现象并不显著，经典力学依然适用．
(多选)关于经典力学，下列说法正确的是( )
A．经典力学是科学家通过探索身边的物体运动而总结出的运动规律
B．经典力学在理论和实践上取得巨大的成功，从地面到天体的运动都服从经典力学的规律，因此．它是完全正确的
C．经典力学不适用于高速、微观领域，而自然界中又不存在惯性系，因此，它是完全错误的
D．经典力学是人类长期对自然运动规律探索的一个发展阶段，随着探索的深入，视野的开阔，必然存在不完善的方面
[解析] 分析时既要看到经典力学的伟大成就，又要注意到经典力学的局限性及适用范围．由于认识水平的局限，科学家最早研究的是身边的事物．经典力学就是科学家通过探索身边的运动而总结出的运动规律．A项正确．
经典力学在理论和实践上取得了巨大的成功．但随着人们探索的深入、视野的开阔，人们发现经典力学也有局限性，它不适用于高速、微观领域，所以B、C错误，D正确．
[答案] AD
1．(多选)继哥白尼提出“太阳中心说”、开普勒提出行星运动三定律后，牛顿站在世人的肩膀上，创立了经典力学，揭示了包括行星在内的宏观物体的运动规律；爱因斯坦既批判了牛顿力学的不足，又进一步发展了牛顿的经典力学，创立了相对论，这说明( )
A．世界无限扩大，人不可能认识世界，只能认识世界的一部分
B．人的意识具有能动性，能够正确地反映客观世界
C．人对世界的每一个正确认识都有局限性，需要发展和深化
D．每一个认识都可能被后人推翻，人不可能获得正确的认识
解析：选BC．任何一个人对客观世界的认识都要受当时的客观条件和科学水平的制约，所以科学的成就总是在某些条件下的局部情形，在新的科学成就形成后，它将被包括在其中．爱因斯坦的相对论理论并没有否定牛顿力学的理论，而是把它看成是在一定条件下的特殊情形，是对牛顿力学的理论的发展和深化，但也有人正在向爱因斯坦理论挑战．
狭义相对论基本公设的提出
1．惯性系和非惯性系的比较
参考系 定义 例证说明
惯性系 牛顿运动定律能够成立的参考系 如以匀速运动的汽车、轮船等作为参考系的就是惯性系
非惯性系 牛顿运动定律不成立的参考系 如加速的车厢，以车厢为参考系观察路边的树木房屋向后方加速运动，根据牛顿运动定律，房屋树木应该受到不为零的合外力的作用，但事实上没有，也就是牛顿运动定律不成立．这里加速的车厢就是非惯性系
2．如何理解狭义相对论的两条基本公设
基本公设 理解
相对性原理 对于描述一切物理过程(包括物体位置变动、电磁以及原子过程)的规律，所有惯性系都是等价的，这里的物理过程包括光在内．爱因斯坦把伽利略的力学相对性原理推广到了电磁物理规律和一切其他规律，成为第一个公设
光速不变原理 在所有相对光源静止或做匀速直线运动的惯性系中观察，真空中的光速都相同，与光源的运动和观察者的运动没有关系．这一条公设使我们看到一幅与传统观念截然不同的物理图像．设想从一点光源发出一光脉冲，如人从光源在其中保持静止的参考系中观察，波前为以光源为中心的球面；如从相对于光源做匀速直线运动的另一参考系观察，波前将同样是以光源为中心的球面．这预示着与伽利略变换不同的时空观
3．力学的相对性原理和狭义相对性原理有何区别
力学的相对性原理指的是力学现象对一切惯性系来说，都遵从同样的规律；或者说，在研究力学规律时，一切惯性系都是等价的、平权的．因此无法借助力学实验的手段确定惯性系自身的运动状态．
而狭义相对论指的是物理定律在所有惯性系中都是相同的，因此各个惯性系都是等价的，不存在特殊的绝对的惯性系．因此狭义相对论原理所指范围更大，内容更丰富．
火箭以0．75c的速度离开地球，从火箭上向地球发射一个光信号．火箭上测得光离开的速度是c，根据过去熟悉的速度合成法则，光到达地球时测得的光速是多少？根据狭义相对论原理，测得的光速是多少呢？
[解析] 根据过去熟悉的速度合成法则，光相对于地球的速度是v＝c－0．75c＝0．25c．
根据狭义相对论原理，光速与光源、观测者之间的相对运动没有关系，光速仍为c．
[答案] 0．25c c
eq \a\vs4\al()
在一切惯性系中，光在真空中传播的速度都等于c，跟光源的运动情况无关．此公设与经典物理学中的速度合成法则相矛盾．
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(速度接近于真空中的光速)
B．狭义相对论只适用于高速运动(速度接近于真空中的光速)，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(速度接近于真空中的光速)
D．狭义相对论既适用于高速运动(速度接近于真空中的光速)，也适用于低速运动
解析：选AD．经典力学只适用于低速、宏观运动的物体，不适用于高速、微观运动的粒子，故A正确，C错误；而狭义相对论既适用于高速运动的物体，也适用于低速运动的物体，B错误，D正确．
“光速不变”原理的应用
光速不变原理表明：在一切惯性系中观测真空中传播的光，其传播速度均为c，与光源或观察者的运动无关．这一结论实际上已被大量的实验证实．
如图所示，按照狭义相对论的观点，火箭B是“追赶”光飞行的；火箭A是“迎着”光飞行的，若火箭相对地面的速度大小都为v，则A、B两火箭上的观察者测出的光速分别为( )
A．c＋v，c－v
B．c，c
C．c－v，c＋v
D．无法确定
[解析] 根据狭义相对论的基本假设——光速不变原理知，在任何惯性参考系中测得真空中的光速都一样，都为c，所以B正确．
[答案] B
3．如图所示，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( )
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．
[随堂检测]
1．经典力学不能适用于下列哪些活动( )
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 D．微观粒子的波动性
解析：选D．经典力学适用于宏观、低速运动，故A、B、C都适用，而研究微观粒子的波动性时，经典力学不再适用．
2．(多选)通常我们把地球和相对地面静止或匀速运动的物体参考系看成是惯性系，若以下列系统为参考系，则属于非惯性系的有( )
A．停在地面上的汽车
B．绕地球做匀速圆周运动的飞船
C．在大海上匀速直线航行的轮船
D．进站时减速行驶的火车
解析：选BD．相对地面静止或做匀速运动的物体就是惯性系，题中所给的四个对象，绕地球做匀速圆周运动的飞船的运动为变加速曲线运动，进站减速的火车的运动也是变速运动，故B、D正确，A、C错误．
3．设某人在以速度为0．5c的飞船上，打开一个光源，则下列说法正确的是( )
A．飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为1．5c
B．飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为0．5c
C．在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是0．5c
D．在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c
解析：选D．由爱因斯坦的狭义相对论——光速不变原理可得，真空中的光速在不同的惯性参照系中都是相同的．所以在地面上的观察者看到的光速都是相等的．所以A、B、C错误，D正确．
4．(1)如图所示，参考系O′相对于参考系O静止时，人看到的光速是多少？
(2)参考系O′相对于参考系O以速度v向右运动，人看到的光速是多少？
(3)参考系O′相对于参考系O以速度v向左运动，人看到的光速是多少？
解析：根据速度合成法则，第一种情况人看到的光速应是c，第二种情况应是c＋v，第三种情况应是c－v，而根据狭义相对论原理，光速是不变的，都应是c．
答案：见解析
[课时作业][学生用书P127(单独成册)]
一、单项选择题
1．经典力学的时空观认为( )
A．时间使物质运动而存在
B．时间是永远的流逝，与任何外界无关
C．空间与物质运动状态有关
D．物体的质量随物体运动的速度变化而变化
解析：选B．经典力学的时空观认为：时间和空间是分离的，时间尺度和空间尺度与物质运动无关，都是绝对的，故B正确．
2．关于狭义相对论的两个基本公设，下列说法中正确的是( )
A．物体的位移、速度具有相对性，所以在不同惯性系中，它们所遵循的物理规律不同
B．在惯性参考系中可以通过实验的方法证实该系统是静止的还是匀速运动的
C．选不同的惯性参考系，光的传播速度不同
D．以上说法都不正确
解析：选D．根据狭义相对论的两个基本公设可知，在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的，故A错；在惯性参考系中无法通过实验的方法确定这一系统本身的运动情况，故B错；真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，故C错，正确答案为D．
3．假设有一列很长的火车沿平直轨道飞快匀速前进，车厢中央有一个光源发出了一个闪光，闪光照到了车厢的前后壁，根据狭义相对论原理，下列说法中正确的是( )
A．地面上的人认为闪光是同时到达两壁的
B．车厢里的人认为闪光是同时到达两壁的
C．地面上的人认为闪光先到达前壁
D．车厢里的人认为闪光先到达前壁
解析：选B．在车厢中的人看来，光到达车前后壁时通过的距离相等，所用时间也相同．在地面上的人看来，光到达后壁要比到达前壁时通过的距离短，所以认为光先到达后壁．
4．属于狭义相对论的基本假设的是：在不同的惯性系中( )
A．真空中光速不变 B．时间间隔具有相对性
C．物体的质量不变 D．物体的能量与质量成正比
解析：选A．本题不是简单地判断哪句话的说法正确，而是判断该句是否属于狭义相对论的“基本假设”，而狭义相对论的两条基本假设是光速不变原理和狭义相对性原理．光速不变原理表明，在一切惯性参考系中观测，光在真空中的传播速度大小都一样，等于3×108 m/s；狭义相对性原理的内容为：所有物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式．选项A符合题意．
5．下列情况中，牛顿定律不适用的有( )
A．研究原子中电子的运动
B．研究“嫦娥”二号卫星的高速发射
C．研究地球绕太阳的运动
D．研究飞机从上海飞往北京的航线
解析：选A．经典力学只适用于宏观物体的低速运动．
二、多项选择题
6．下列属于经典力学成就的有( )
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大综合
B．以经典力学为基础发展起来的天体力学、材料力学和结构力学等得到了广泛的应用
C．力学和热力学的发展与生产相结合，引发了第一次工业革命
D．由牛顿力学定律导出的动量守恒定律、机械能守恒定律等是航天技术的理论基础
解析：选ABCD．经典力学主要以牛顿运动三定律、万有引力定律为基础，适用于一切宏观、低速的物体，故A、B、C、D都正确．
7．下列说法中正确的是( )
A．自然界中的一切现象都能够用经典力学来描述
B．研究分子、原子的运动规律时，经典力学就不适用了
C．没有经典力学就没有今天的空间科学
D．无论物体以多大的速度运动，其加速度都和受到的合外力成正比
解析：选BC．经典力学的成就是辉煌的，作为现代航空航天理论基础的天体力学就是经典力学跟天文学相结合的产物，C正确；以牛顿运动定律为代表的经典力学体系，也有其自身的局限性和适用范围，A错误；一般来讲，经典力学不适用于描述微观粒子的运动，也不适用于描述接近光速的高速运动，B正确，D错误．
8．对于时空观的认识，下列说法正确的是( )
A．在低速环境中，经典时空观对研究的问题基本无影响
B．经典时空观既然与实际不符就应该废除
C．相对论时空观完全否定了经典时空观
D．相对论时空观对宏观物体运动的结论与经典时空观的结论一致
解析：选AD．由经典时空观可知A对；经典时空观有它的适用范围，B错；相对论时空观和经典时空观并不矛盾，相对论时空观主要研究微观、高速运动，故C错，D对．
9．下列说法中正确的是( )
A．相对性原理能简单而自然的解释电磁学的问题
B．在真空中，若物体以速度v背离光源运动，则光相对物体的速度为c－v
C．在真空中，若光源向着观察者以速度v运动，则光相对于观察者的速度为c＋v
D．迈克耳逊—莫雷实验得出的结果是：不论光源与观察者做怎样的相对运动，光速都是一样的
解析：选AD．不管物体是背离光源运动还是向着光源运动，光速是不变的．
10．小球A、B同时从离地面某高度自由下落，在绝对时空观中下列说法中正确的有 ( )
A．以地面为参考系，小球A、B都是做自由落体运动，所以地面为惯性系
B．以小球A为参考系，小球B相对静止，所以此时小球A为惯性系
C．以小球B为参考系，小球A相对静止，所以此时小球B为非惯性系
D．不管以谁为参考系，参考系都是惯性系
解析：选AC．以地面为参考系，小球A、B仅受重力作用，做自由落体运动，符合牛顿运动定律，所以地面为惯性系，A对；以任一小球为参考系，小球A、B也仅受重力作用，但物体却相对静止，不符合牛顿运动定律，故此时小球为非惯性系，B、D错，C对．
三、非选择题
11．所谓的惯性系是指 ；相对于一个惯性系做匀速运动的另一个参考系 (选填“是”或“不是”)惯性系，在不同的惯性系中，力学规律都 (选填“相同”或“不同”)；也就是说，每个惯性系都是 的，这个观点叫做 ．
答案：牛顿运动定律都成立的参考系 是 相同 等效
伽利略相对性原理
12．两台升降机甲、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？
解析：不矛盾．牛顿定律只能适用于惯性参考系，即用来作为参考系的物体不能有加速度(可以是静止或匀速运动)．甲上的人看到乙静止实际是以做加速运动的升降机甲为参考系，这时牛顿定律不再成立．
答案：见解析
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第6章 经典力学与现代物理
第6章 经典力学与现代物理
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