高中物理第五章经典力学与物理学的革命1经典力学的成就与局限性2经典时空观与相对论时空观课件粤教版必修2-44张

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　第五章　经典力学与物理学革命
第一节　经典力学的成就与局限性
　第二节　经典时空观与相对论时空观
一、经典力学的成就和局限性
1.经典力学的伟大成就:
(1)经典力学把天上物体和地上物体的运动统一起来,
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___________。
(2)使人们认识到了以现象观察和_________为基础的
自然科学理论的基本特征。
理论大综合
实验研究
(3)建立了以_____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。
实验
2.经典力学的局限性:
(1)经典力学的应用受到物体_________的限制,当物体
的运动速率接近于真空中的光速时,经典力学的许多观
念将发生重大变化。
(2)经典力学不适用于微观领域中_________和能量不连
续的现象。
运动速率
物质结构
二、经典时空观
1.惯性系与非惯性系:
(1)惯性系:凡是_________定律成立的参考系,相对于
惯性系静止或做匀速直线运动的参考系都是惯性系。
(2)非惯性系:_________定律不成立的参考系,相对于
惯性系做变速运动的参考系是非惯性系。
牛顿运动
牛顿运动
2.伽利略相对性原理:对于所有的惯性系,_____规律都
是相同的,或者说,一切惯性系都是_______。
3.经典时空观(绝对时空观):时间永远均匀地流逝,与
任何外界_____;空间与任何外界事物_____,从不运动,
永远不变。
力学
等效的
无关
无关
4.经典时空观的几个具体结论:
(1)_____的绝对性。
(2)_________的绝对性。
(3)_________的绝对性。
(4)物体质量_________,即它不随观察者的_________
而改变。
同时
时间间隔
空间距离
恒定不变
相对运动
【思考辨析】
(1)牛顿运动定律适用于任何参考系。
(　　)
(2)经典时空观认为时间间隔是绝对的。
(　　)
(3)经典时空观认为物体的质量是绝对的。
(　　)
提示:(1)×。牛顿运动定律只适用于惯性系,不适用于非惯性系。
(2)√。经典时空观中,时间间隔是绝对的。
(3)√。经典时空观中,物体的质量也被视为恒定不变的,与参考系的运动无关。
三、相对论时空观
1.光速不变与经典物理学的矛盾:观察和实验事实表明:
无论光源和观察者如何运动,光速只能是c,这与经典力
学的_________法则相矛盾。
速度合成
2.狭义相对论的两条基本假设:
(1)相对性原理:在不同的惯性参考系中,一切物理规律
都是_______。
(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_____。
相同的
相同
3.相对论时空观:
(1)“同时”的相对性:在一个参考系中同时发生的两
个事件,在另一个参考系看来是_______的。
(2)运动的时钟变慢:时钟相对于观察者_____时,走得
快;相对于观察者_____时,走得慢。运动速度越快,效
果越明显。
不同时
静止
运动
(3)运动的尺子缩短:物体相对于观察者_____时,它的
长度测量值最大;相对于观察者_____时,观察者在_____
方向上观测,它的长度要缩短,速度越快,缩的_____。
(4)物体质量随速度的_____而增大。
静止
运动
运动
越短
增加
一　经典力学与相对论的比较
【典例】下列描述不属于经典力学范围的是
(　)
A.开普勒对行星运动规律的描述
B.伽利略对落体运动规律的描述
C.牛顿对物体低速运动规律的描述
D.爱因斯坦对粒子接近光速运动规律的描述
【解析】选D。开普勒对行星运动规律的描述、伽利略对落体运动规律的描述以及牛顿对物体低速运动规律的描述,都属于宏观低速运动的情况,经典力学能适用。而爱因斯坦对粒子接近光速运动规律的描述中,粒子接近光速的运动,不能适用于经典力学;故D不属于经典力学范围,A、B、C属于经典力学范围
【核心归纳】
经典力学与相对论的区别与联系
1.区别:
比较项
经
典
力
学
相对论
形成
时期
物理学形成的初期阶段,受历史发展限制,理论较肤浅、片面
形成于物理学充分发展的现代,理论较完善、科学
比较项
经
典
力
学
相对论
适用
范围
低速运动、宏观世界,弱引力作用
任何情况都适用
速度对质量的影响
物体的质量不随其速度的变化而变化
物体的质量随其速度的增加而变大
速度的
合成
时间与空间互不相干,关系式v船岸=
v船水+v水岸成立
速度与位移、时间的测量有关,v船岸=v船水+v水岸不成立
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)相对论并没有否定经典力学,经典力学是相对论在一定条件下的特殊情形。
【过关训练】
1.下列物体的运动不能用经典力学描述的是
(　　)
A.子弹的飞行　　　
B.人造卫星的运行
C.小汽车的行驶　　　
D.光子的运动
【解析】选D。经典力学适用于低速宏观的物体,不适用于微观高速物体,故光子的运动不能用经典力学描述,子弹的飞行、人造卫星的运行、小汽车的行驶都能用经典力学描述。故选D。
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.狭义相对论和经典力学是完全不同相互矛盾的两个理论
C.物体高速运动时,物体的运动服从狭义相对论,在低速运动时,物体的运动服从牛顿运动定律
D.以上说法都是错误的
【解析】选C。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,物体的质量随物体运动速度的增大而增大,选项A错误;狭义相对论没有否定经典力学,经典力学是狭义相对论在一定条件下的特殊情形,选项B错误;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,选项C正确。
【补偿训练】
(多选)几世纪以来,人们发现了一些新的事实,而经典力学无法解释。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,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.不同领域的事物具有相同的本质与规律
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
【解析】选B、D。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,并不意味着对原有科学的全盘否定。故A、C错,B、D对。
二　对相对论中“两个基本原理”和“相对论时空
观”内容的理解
【典例】下面的说法,不符合爱因斯坦的相对论的是
(　　)
A.物体质量总是保持不变的
B.运动的尺子缩短
C.运动的时钟变慢　　　　
D.“同时”是有相对性的
【解析】选A。根据狭义相对论的基本结论,质量并不是独立的,而是与运动状态相关的,速度越大,质量越大,故A错误;
根据狭义相对论的尺缩效应,在尺子长度方向上运动的尺子比静止的尺子短,当速度接近光速时,尺子缩成一个点,故B正确;根据狭义相对论,运动的钟比静止的钟走得慢,故C正确;根据狭义相对论可知,时间具有相对性,所以“同时”是有相对性的。故D正确。
【核心归纳】
1.两个基本原理:
(1)相对性原理:所有物理规律在一切惯性参照系中都具有相同的形式,表明在任何惯性系中研究某个物体的某一运动过程,其运动规律的形式不变。
(2)光速不变原理:在一切惯性参照系中,测量到的真空中的光速c都一样,表明了经典时空观与相对论时空观的不同;比较如下:
经典时空观
相对论时空观
运动
情况
同一运动对不同参照系描述结果不同,即速度不同
光在一切惯性参照系中传向各个方向的速度不变
经典时空观
相对论时空观
时间与空间的
关系
时间均匀流逝,空间不变化,与运动情况及外部条件无关
时间、空间都随运动情况而改变
几个
结论
①同时的绝对性
②时间间隔的绝对性
③空间距离的绝对性
④物体的质量恒定不变
①同时的相对性
②运动的时钟变慢
③运动的尺子缩短
④物体的质量随速度的增大而增大
2.相对论时空观的内容:认为时间和空间是相互联系、
相互影响的,并且与物质的存在及运动有关。
(1)时间延缓效应:在相对于地面以速度v匀速运动的惯
性系内,测得该惯性系中某一事件所经历的时间为
Δt′,则在地面上测得该事件所经历的时间为:
由于vΔt′。即用同样标准的钟,在静止参照系中测得的时间比在运动参照系中测得的时间长,好比是运动的钟走“慢”了。
(2)长度收缩效应:一把尺子,在相对于它静止的参照系
xOy中测得其长度为l(称为静止长度),如图所示。当该
尺子相对另一惯性系x′O′y′(如地面)沿尺子长度方
向以速度v运动时,在该惯性系x′O′y′(如地面)中测
得尺子的长度为l′=
由于v【特别提醒】(1)狭义相对论的正确性已被实验证实,所以以上结论是高速世界中必然发生的现象,是客观存在的事实。
(2)人们之所以平常观察不到这些现象,是因为我们生活在低速运动的世界里。
【过关训练】
1.如图所示,沿平直铁路线有间距相等的三座铁塔A、B和C。假想有一列车沿AC方向以接近光速行驶,当铁塔B发出一个闪光,列车上的观测者测定A、C两塔被照亮的顺序是(　　)
A.同时被照亮　
B.A先被照亮
C.C先被照亮　　
D.无法判断
【解析】选C。列车上的观察者看到的是由B出发后经过A和C反射的光,由于列车在这段时间内向C运动靠近C,而远离A,所以C的反射光先到达列车上的观察者,看到C先被照亮,故C正确。
2.惯性系S中有一边长为l的正方形,从相对S系沿x方向以接近光速匀速飞行的飞行器上测得该正方形的图象是
(　　)
【解析】选C。根据相对论的尺缩效应,可知沿速度方向(即x方向)的长度变短了,而垂直于速度方向(即y方向)的长度不变,故C正确。
【补偿训练】
在惯性系S中观察到有两个事件发生在某一地点,其时间间隔为4.0
s。从另一惯性系S′观察到这两个事件发生的时间间隔为6.0
s。问从S′系测量到这两个事件的空间间隔是多少?(设S′系以恒定速率相对S系沿xx′轴运动)
【解析】由时间延缓,根据Δt′=
得
v=
答案:1.34×109
m
【拓展例题】考查内容:引力半径对引力的影响
【典例示范】对于经典力学理论,下述说法中正确的
是(　　)
A.由于相对论的提出,经典力学已经失去了它的意义
B.经典力学在今天广泛应用,它的正确性无可怀疑,仍是普遍适用的
　
C.经典力学在历史上起了巨大的作用,随着物理学的发展而逐渐过时,成为一种古老的理论
D.经典力学在宏观低速运动中,引力不太大时适用
【正确解答】选D。经典力学和其他任何理论一样,有其自身的局限性和适用范围,但对于低速宏观物体的运动,经典力学仍然适用,并仍将在它适用范围内大放异彩,所以D正确。