1、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 学 习 目 标 重 点 难 点 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 3.了解经典时空观及其基本推论 . 4.了解狭义相对论的理论基础与相对论时空观的几个推论 . 重点 1.经典力学的局限性和适用范围 2.经典时空观 难点 1.狭义相对论的两个假设 2.狭义相对论的几个推论 . 知识点一 经典力学的发展历程、局限性 提炼知识 1 经典力学把 天上 物体与 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理论大综合 2
2、 在研究方法上，人们把经典力学中行之有效的 实验 和 数学 相结合的方法推广到物理学的各个分支学科上，相继建立了热学、声学、光学、电磁学等，从而形成了 经典物理学 体系 3 经典力学与其他基础学科相结合产生了一些 交叉性的分支学科 ，如化学流体动力学、等离子体动力学等 4 经典力学的局限性和适用范围 (1) 经典力学的应用受到物体 运动速率 的限制，经典力学只适用于宏观低速运动的物 体 (2) 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的现象 判断正误 (1) 伽利略发现了行星运动的规律 ( ) (2) 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 ( ) (3) 量
3、子力学和相对论都没有否定过去的科学 ( ) 答案： (1) (2) (3) 小试身手 1 ( 多选 ) 在力学理论建立的过程中，有许多伟大的科学家做出了贡献关于科学家和他们的贡献，下列说法正确的是 ( ) A 伽利略发现了行星运动的规律 B 卡文迪许通过实验测出了引力常量 C 牛顿最早指出力不是维持物体运动的原因 D 笛卡儿对牛顿第一定律的建立做出了贡献 解析： 行星运动的规律是开普勒发现的， A 错误；卡文迪许通过扭秤实验测出了万有引力常量， B 正确；伽利略最早指出力不是维持物体运动的原因， C 错误；笛卡儿在哲学原理中以第一和第二自然定律的形式比较完整地第一次表述了惯性定律：只要物体开始
4、运动，就将继续以同一速度并沿着同一直线方向运动，直到遇到某种外来原因造成的阻碍或偏离为止，为牛顿第一定律的建立做出了贡献， D 正确 答案： BD 知识点二 经典时空观与相对论时空观 提炼知识 1 惯性系与非惯性系 (1) 凡是 牛顿运动定律 成立的参考系，叫惯性系，相对于惯性系做 匀速直线运动 的参考系都是惯性系 (2) 牛顿运动定律 不成立的参考系叫非惯性系，相对于惯性系做变速运动的参考系，是非惯性系 2 伽利略相对性原理：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 3 经典的时空观认为 同时 、 时间间隔 和 空间距离 都是绝对的，物体的质量是 不变的 ，它
5、们与参考系的选择无关 4 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 相同的 (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 5 相对论时空观：狭义相对论认为同时、时间间隔和空间距离都是 相对 的，都与选择的 参考系 有关，物体的质量随速度的 增大 而增大 判断正误 (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 ( ) 答案： (1) (2) (3) 小试身手 2 ( 多选 ) 下列选项中属于狭义相对论的基本假设的是 ( ) A 爱因斯坦相对
6、性原理 B 经典力学的时空观 C 光速不变原理 D 同时的绝对性原理 解析： 狭义相对论的出发点是以下两条基本假设：第一是爱因斯坦相对性原理，在不同的惯性系中，一切物理规律都是相同的；第二是光速不变原理，不管是哪个惯性系中，测得真空中的光速都相同 答案： AC 若一列火车的速度是 1 0 m/ s ，一个人在车上相对于车以 10 m/ s 的速度向前跑，那么他相对于地面的速度为 2 0 m/ s. 若火车的速度为 0.9 c ( c 为光速 ) ，火车上的人向前发出一束激光 ( 相对于车的速度为 c ) 激光相对于地面的速度是否为 1. 9 c? 提示： 根据光速不变原理光速仍为 c ，对于高
7、速运动的物体，例如本题中以 0.9 c 的速度行驶的列车，经典力学中的结论不能简单套用 经典力学与相对论、量子力学的比较 比较项 经典力学 相对论、量子力学 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 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 引力规律 牛顿的万有引力定律认为物体间的引力符合 “ 平
8、方反比” 规律 爱因斯坦引力理论认为物体间的引力不完全符合 “ 平方反比 ”规律 联系 (1)以下两种情况，相对论与经典力学的结论没有区别： 物体的速度远小于光速 c(3 108 m/s)时； “ 普朗克常量 ” (6.63 10 34 Js)可以忽略不计时 (2)相对论和量子力学都没有否定经典力学，经典力学是相对论、量子力学的特殊情况 典例 ( 多选 ) 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的改变而改变 D 相对论与量子力学否定了经典力学理论 解析： 经典力学理论只适
9、用于宏观、低速运动的物体，故 A 错误；经典力学只适用 于宏观、低速运动的物体，具有一定的局限性，故 B 正确；经典力学研究的是低速运动问题，物体的质量变化很小，可以认为不变，故 C 正确；相对论和量子力学并不否定经典力学，认为经典力学是相对论、量子力学在一定条件下的特殊情形，故 D 错误 答案： BC 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
10、： 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，选项 D 错误 答案： C (1) 当物体的运动速度远小于真空中的光速时，经典力学完全适用 .20 世纪初著名物理学家爱因斯坦创立了狭义相对论，阐述了物体在以接近光速的速度运动时所遵循的规律，得出了一些不同于经典力学的结论那么，当物体的速度接近光速时，物体的质量会怎样呢？ (2) 试由 m m01
11、v2c2分析物体的速度不可能达到光速 提示： (1) 运动物体的质量会变大 (2) 由 m m01 v2c2可知，若某物体的运动速度达到光速 c ，则它的质量应是无穷大，这显然不符合事实，所以物体的速度不可能达到光速 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考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：在一切惯性参考系中，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： 时空观 经典时空观 相对论时空观 运动情况 同一运动对不同参考系描述结果不同，即速度不同 光在一切惯性
12、参考系中传向各个方向的速度不变 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 同时的绝对性 时间间隔的绝对性 空间距离的绝对性 物体的质量恒定不变 同时的相对性 运动的时钟变慢 运动的尺子缩短 物体的质量随速度的增大而增大 典例 ( 多选 ) 在地面附近有一高速飞过的火箭，关于地面上的人和火箭中的人观察到的现象，以下说法正确的是 ( ) A 地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变快了 B 地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变慢了 C 火箭上的人观察到地面上的物体的长度和时间进程均无变化 D 火箭上的人看到地面上的
13、物体长度变小，时间进程变慢了 解析： 根据 “ 尺缩效应 ”“ 动钟变慢 ” 原理，地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程应该变慢了，A 错误， B 正确；根据相对性，火箭上的人看到地面上的物体长度变小，时间进程变慢了， C 错误， D 正确 答案： BD ( 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 B 狭义相对论只适用于高速运动，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 D 狭义相对论既适用于高速运动，也适用于低速运动 解析： 经典力学的适用范围是低速运动、宏观物体，不适用于高速运动、微观物体， A 对， C 错；狭义相对论既适用于高速运动，也适用于低速运动， B 错， D 对 答案： AD 课堂小结
