第一節(jié)經(jīng)典力學(xué)的成就與局限性 第二節(jié)經(jīng)典時(shí)空觀與相對論時(shí)空觀1.了解經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展歷程和偉大成就2.知道經(jīng)典力學(xué)的局限性和適用范圍3了解經(jīng)典時(shí)空觀及其基本推論4.了解狹義相對論的理論基礎(chǔ)與相對論時(shí)空觀的幾個(gè)推論一、經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展歷程15世紀(jì)以后，歐洲文藝復(fù)興時(shí)期，各行各業(yè)迅速發(fā)展，物理學(xué)也進(jìn)入了快速發(fā)展的階段16世紀(jì)，波蘭的天文學(xué)家哥白尼創(chuàng)立了日心說，解放了世人的思想17世紀(jì)，伽利略發(fā)現(xiàn)了慣性定律、落體定律及力學(xué)相對性原理，奠定了動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)法國的笛卡兒、荷蘭的惠更斯、德國的開普勒分別在不同領(lǐng)域作出了重要貢獻(xiàn)在17世紀(jì)，最偉大的科學(xué)家牛頓在前人研究的基礎(chǔ)上，采用歸納與演繹、綜合與分析的方法，總結(jié)出了力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律牛頓運(yùn)動(dòng)定律和萬有引力定律18世紀(jì)，很多科學(xué)家投入了大量的精力研究物理學(xué)問題，從動(dòng)量、能量角度完善了牛頓力學(xué)19世紀(jì)，科學(xué)家用新的、更簡潔的形式重新表述了牛頓運(yùn)動(dòng)定律，形成了分析力學(xué)同時(shí)，經(jīng)典力學(xué)由單個(gè)質(zhì)點(diǎn)推廣到多質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成的系統(tǒng)，建立了剛體力學(xué)、彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、流體力學(xué)等1(1)伽利略發(fā)現(xiàn)了行星運(yùn)動(dòng)的規(guī)律()(2)卡文迪許通過實(shí)驗(yàn)測出了引力常數(shù)()(3)牛頓最早指出力不是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因()(4)笛卡兒對牛頓第一定律的建立作出了貢獻(xiàn)()提示：(1)(2)(3)(4)二、經(jīng)典力學(xué)的成就和局限性經(jīng)典力學(xué)的偉大成就(1)經(jīng)典力學(xué)把天上物體和地上物體統(tǒng)一起來，實(shí)現(xiàn)了人類對自然界認(rèn)識的第一次理論大綜合(2)使人們認(rèn)識到了以現(xiàn)象觀察和實(shí)驗(yàn)研究為基礎(chǔ)的自然科學(xué)理論的基本特征(3)建立了以實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)相結(jié)合的研究方法(4)推動(dòng)了其他學(xué)科的發(fā)展，與其他學(xué)科相結(jié)合產(chǎn)生了一些交叉性的分支學(xué)科經(jīng)典力學(xué)的局限性和適用范圍(1)經(jīng)典力學(xué)不適用于研究高速運(yùn)動(dòng)(接近光速)的物體(2)經(jīng)典力學(xué)不適用于微觀領(lǐng)域中物質(zhì)結(jié)構(gòu)和能量不連續(xù)的現(xiàn)象1牛頓第二定律屬經(jīng)典力學(xué)理論，它在高速世界還適用嗎？提示：在高速世界中，物體的質(zhì)量隨著速度的增加而變大，物體的加速度不一定與它所受的外力成正比，牛頓第二定律不再適用三、經(jīng)典時(shí)空觀慣性系與非慣性系(1)慣性系：牛頓運(yùn)動(dòng)定律成立的參考系，相對于慣性系靜止或做勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系都是慣性系(2)非慣性系：牛頓運(yùn)動(dòng)定律不成立的參考系，相對于慣性系做變速運(yùn)動(dòng)的參考系是非慣性系伽利略相對性原理：對于所有慣性系，力學(xué)規(guī)律都是相同的，或者說，一切慣性系都是等效的經(jīng)典時(shí)空觀(絕對時(shí)空觀)：時(shí)間永遠(yuǎn)均勻地流逝，與任何外界無關(guān)；空間與任何外界事物無關(guān)，從不運(yùn)動(dòng)，永遠(yuǎn)不變經(jīng)典時(shí)空觀的幾個(gè)具體結(jié)論(1)同時(shí)的絕對性；(2)時(shí)間間隔的絕對性；(3)空間距離的絕對性；(4)物體質(zhì)量恒定不變，即它們與參考系的選擇(或觀察者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài))無關(guān)2(1)質(zhì)量是物體的固有屬性，任何時(shí)候都不會(huì)改變()(2)經(jīng)典力學(xué)可以解決自然界中所有的問題()提示：(1)(2)四、相對論時(shí)空觀光速不變與經(jīng)典物理學(xué)的矛盾：觀察和實(shí)驗(yàn)事實(shí)表明：無論光源和觀察者如何運(yùn)動(dòng)，光速只能是c，這與經(jīng)典力學(xué)的速度合成法則相矛盾狹義相對論的兩條基本假設(shè)(1)相對性原理：在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的(2)光速不變原理：不管在哪個(gè)慣性系中，測得真空中的光速都相同相對論時(shí)空觀(1)“同時(shí)”的相對性：在一個(gè)參考系中同時(shí)發(fā)生兩個(gè)事件，在另一個(gè)參考系看來是不同時(shí)的(2)運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘變慢：時(shí)鐘相對于觀察者靜止時(shí)，走得快；相對于觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)，走得慢運(yùn)動(dòng)速度越快，效果越明顯(3)運(yùn)動(dòng)的尺子縮短：物體相對于觀察者靜止時(shí)，它的長度測量值最大；相對于觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者在運(yùn)動(dòng)方向上觀測，它的長度要縮短，速度越快，縮得越短(4)物體質(zhì)量隨速度的增加而增大2在“時(shí)間延緩效應(yīng)”中，鐘表走快走慢應(yīng)如何理解？提示：每個(gè)慣性系中的觀測者都是使用靜止于該參考系中的時(shí)鐘進(jìn)行有關(guān)時(shí)間的觀測，對同一物理過程經(jīng)歷的時(shí)間，在不同慣性系中觀測，測得的結(jié)果不同，并不是時(shí)鐘走快了或走慢了，而僅僅是一種觀測效應(yīng)對經(jīng)典時(shí)空觀與相對論時(shí)空觀的認(rèn)識學(xué)生用書p78絕對時(shí)空觀是在地球范圍內(nèi)憑直覺經(jīng)驗(yàn)建立起來的，它符合人們對空間、時(shí)間的主觀感受；相對論時(shí)空觀是在光速不變的實(shí)驗(yàn)事實(shí)上，以狹義相對論的兩條基本假設(shè)為前提建立的經(jīng)典時(shí)空觀中，時(shí)間、空間、物質(zhì)是彼此獨(dú)立、互不聯(lián)系的，時(shí)間、長度和質(zhì)量這三個(gè)物理量都與參考系的運(yùn)動(dòng)無關(guān)相對論時(shí)空觀中，空間和時(shí)間是運(yùn)動(dòng)著的物質(zhì)的存在形式，時(shí)空概念是從物質(zhì)運(yùn)動(dòng)中抽象出來的，它們之間相互依賴、彼此聯(lián)系只有在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，相對論效應(yīng)才比較顯著，在通常情況下，相對論效應(yīng)極其微小，可忽略不計(jì)，仍可按經(jīng)典時(shí)空觀理解理解時(shí)空觀應(yīng)特別注意參照系時(shí)空觀所研究的就是時(shí)間、空間與參考系的問題，經(jīng)典時(shí)空觀認(rèn)為時(shí)間和空間是絕對的，與參考系的選取無關(guān)，相對論時(shí)空觀認(rèn)為對于一個(gè)參照系，都有只屬于這個(gè)參照系的空間和時(shí)間所以在相對論時(shí)空觀中必須時(shí)刻清楚觀察者所選定的參考系(多選)下列說法中屬于經(jīng)典時(shí)空觀的觀點(diǎn)是()a世界的過去、現(xiàn)在和將來都只有量的變化，而不會(huì)發(fā)生質(zhì)的變化b時(shí)間和空間不依賴人們的意識而存在c時(shí)間和空間是絕對的d時(shí)間和空間是緊密聯(lián)系、不可分割的解析經(jīng)典時(shí)空觀認(rèn)為時(shí)間和空間都是與外界事物無關(guān)的，絕對的，故a、b、c屬于經(jīng)典時(shí)空觀；d屬于相對論時(shí)空觀答案abc在經(jīng)典力學(xué)中，時(shí)間、長度和質(zhì)量都與參考系的運(yùn)動(dòng)無關(guān) 1.關(guān)于經(jīng)典力學(xué)和相對論，下列說法正確的是()a經(jīng)典力學(xué)和相對論是各自獨(dú)立的學(xué)說，互不相容b相對論是在否定了經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)上建立起來的c相對論和經(jīng)典力學(xué)是兩種不同的學(xué)說，二者沒有聯(lián)系d經(jīng)典力學(xué)包含在相對論之中，經(jīng)典力學(xué)是相對論的特例解析：選d.相對論的建立并沒有否定經(jīng)典力學(xué)，而是認(rèn)為經(jīng)典力學(xué)是相對論在一定條件下的特殊情形所以a、b、c錯(cuò)誤，d正確狹義相對論的基本假設(shè)及結(jié)論學(xué)生用書p78狹義相對論的基本假設(shè)(1)相對性原理：在不同的慣性系中，一切物理規(guī)律都是相同的(2)光速不變原理：不管在哪個(gè)慣性系中，測得的真空中的光速都相同狹義相對論的結(jié)論(1)“同時(shí)”的相對性：在一個(gè)參考系中同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，在另一參考系看來是不同時(shí)的，這稱為“同時(shí)”的相對性(2)運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘變慢：相對于觀察者運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘，比相對于觀察者靜止的時(shí)鐘走得慢運(yùn)動(dòng)速度越快，效果越明顯(3)運(yùn)動(dòng)的尺子縮短：一個(gè)物體相對于觀察者靜止時(shí)，它的長度測量值最大；相對于觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)，在沿運(yùn)動(dòng)方向上觀察，物體的長度要縮短，速度越快，縮得越短(4)物體質(zhì)量隨速度的增加而增大：當(dāng)速度接近光速時(shí)，質(zhì)量趨于無窮大如果物體的運(yùn)動(dòng)速度比光速小很多時(shí)，物體運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量和物體靜止時(shí)的質(zhì)量相等這意味著經(jīng)典力學(xué)是相對論的一個(gè)特例可見相對論比經(jīng)典力學(xué)具有更普遍的意義相對論中的時(shí)間延緩、長度縮短、質(zhì)量增大現(xiàn)象是觀測效應(yīng)，并非時(shí)鐘走慢了，也并非是物體的長度、質(zhì)量變化了如圖所示，地面上a、b兩個(gè)事件同時(shí)發(fā)生對于坐在火箭中沿兩個(gè)事件發(fā)生地點(diǎn)連線飛行的人來說，哪個(gè)事件先發(fā)生？思維流程 解答本題可按以下思路分析：解析可以設(shè)想在事件a發(fā)生時(shí)a處發(fā)出一個(gè)閃光，事件b發(fā)生時(shí)b處發(fā)出一個(gè)閃光，“兩閃光相遇”作為一個(gè)事件，發(fā)生在線段ab中點(diǎn)，這在不同參考系中看都是一樣的“相遇在中點(diǎn)”這個(gè)現(xiàn)象在地面坐標(biāo)系中很容易解釋：兩個(gè)閃光同時(shí)發(fā)出，兩個(gè)閃光傳播的速度又一樣，當(dāng)然在線段的中點(diǎn)相遇火箭上的人則有如下推理：地面在向火箭方向運(yùn)動(dòng)，從閃光發(fā)生到兩閃光相遇，線段中點(diǎn)向火箭的方向運(yùn)動(dòng)了一段距離因此閃光b傳播的距離比閃光a長些，既然兩個(gè)閃光的光速相同，一定是閃光b發(fā)生得早一些即b事件先發(fā)生答案b事件先發(fā)生對于同一事件，在不同參考系中看到的現(xiàn)象是不同的 2.屬于狹義相對論基本假設(shè)的是：在不同的慣性系中()a真空中光速不變b時(shí)間間隔具有相對性c物體的質(zhì)量不變d物體的能量與質(zhì)量成正比解析：選a.狹義相對論的基本假設(shè)有：(1)狹義相對論的相對性原理，一切彼此做勻速直線運(yùn)動(dòng)的慣性參考系，對于描述運(yùn)動(dòng)的一切規(guī)律來說都是等價(jià)的；(2)光速不變原理，對任一慣性參考系，真空中的光速都相等，所以只有a正確易錯(cuò)易混光速不變原理與速度合成關(guān)系式設(shè)某人在以速度0.5c飛行的飛船上打開一個(gè)光源，則下列說法正確的是()a飛船正前方地面上的觀察者看到這一光速為1.5cb飛船正后方地面上的觀察者看到這一光速為0.5cc在垂直飛船前進(jìn)方向地面上的觀察者看到這一光速是0.5cd在地面上任何地方的觀察者看到的光速都是c易錯(cuò)分析 本題易錯(cuò)選項(xiàng)及錯(cuò)誤原因具體分析如下：易錯(cuò)選項(xiàng)錯(cuò)誤原因a根據(jù)關(guān)系式vv船c求得光速為1.5c，忽視光速不變原理，實(shí)際上任何物體的運(yùn)動(dòng)速度不可能大于光速b根據(jù)關(guān)系式vcv船求得光速為0.5c，實(shí)際上接近光速時(shí)，以上關(guān)系式已不再適用c將飛船速度誤認(rèn)為是光速，這其實(shí)是兩個(gè)不同的概念，而且也違背光速不變原理，光在一切慣性參考系中，在真空中的傳播速度都是c解析根據(jù)光速不變原理知，在任何慣性系中測得的真空中的光速都相同，都為c，故d正確答案d(1)光速不變原理：愛因斯坦的狹義相對論指出，在一切慣性參考系中，測量到的真空中的光速c都一樣，即光在所有的慣性參考系中的傳播速度均是光速(2)速度合成的關(guān)系式v船岸v船水v水岸只適用于低速運(yùn)動(dòng)的慣性參考系，對于接近光速的高速運(yùn)動(dòng)物體，該關(guān)系式已不再適用，此時(shí)應(yīng)根據(jù)光速不變原理去解決問題 隨堂達(dá)標(biāo)學(xué)生用書p7917世紀(jì)末，采用歸納與演繹、綜合與分析的方法，建立了完整的經(jīng)典力學(xué)體系，使物理學(xué)從此成為一門成熟的自然科學(xué)的科學(xué)家是()a牛頓b開普勒c笛卡兒 d伽利略解析：選a.牛頓在前人研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)出一套普遍適用的力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立了完整的經(jīng)典力學(xué)體系(多選)牛頓運(yùn)動(dòng)定律適用于下列哪些情況()a研究原子中電子的運(yùn)動(dòng)b研究“神舟十號”飛船的高速發(fā)射c研究地球繞太陽的運(yùn)動(dòng)d研究飛機(jī)從北京飛往紐約的航線解析：選bcd.牛頓力學(xué)屬于經(jīng)典力學(xué)的研究范疇，適用于宏觀、低速運(yùn)動(dòng)的物體，并注意到低速和高速的標(biāo)準(zhǔn)是相對于光速，可判定牛頓運(yùn)動(dòng)定律適用于b、c、d中描述的運(yùn)動(dòng)，而a不適用3如果你以接近于光速的速度朝一星體飛行，你可以根據(jù)下述變化發(fā)覺自己是在運(yùn)動(dòng)的是()a你的質(zhì)量在增加b你的心臟跳慢了c你的尺寸在變小d你的感覺和在地面上的感覺都是一樣的解析：選d.“你”相對飛船這個(gè)慣性參考系是靜止的，因此“你”不能發(fā)現(xiàn)自己有什么變化，“你”的感覺和在地面上的感覺是一樣的，d正確(多選)關(guān)于質(zhì)量和長度的說法中正確的是()a物體的質(zhì)量與位置、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)，是物質(zhì)本身的屬性b物體的質(zhì)量與位置、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，只是在速度較低的情況下，變化可忽略不計(jì)c物體的長度與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)，是物質(zhì)本身的屬性d物體的長度與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，只是在速度較低的情況下，變化可忽略不計(jì)解析：選bd.由相對論的時(shí)空觀可知，在物體運(yùn)動(dòng)的速度較低時(shí)，即遠(yuǎn)小于光速時(shí)物體的長度和質(zhì)量基本保持不變，在物體的運(yùn)動(dòng)速度接近于光速時(shí)，質(zhì)量隨速度的增大而增大，在速度的方向上，物體的長度隨速度的增大而縮短，故b、d說法正確，a、c錯(cuò)誤5a、b、c是三個(gè)完全相同的時(shí)鐘，a放在地面上，b、c分別放在兩個(gè)火箭上，以vb和vc朝同一方向飛行，vbvc，地面上的觀察者認(rèn)為哪個(gè)時(shí)鐘走得最慢？哪個(gè)走得最快？解析：運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘變慢，相對觀察者運(yùn)動(dòng)速度越大，時(shí)鐘走得越慢，故c時(shí)鐘最慢，a時(shí)鐘和觀察者相對靜止，故a時(shí)鐘最快答案：c時(shí)鐘走得最慢，a時(shí)鐘走得最快課時(shí)作業(yè)學(xué)生用書p128(單獨(dú)成冊)一、單項(xiàng)選擇題20世紀(jì)初，提出了狹義相對論，引起了人們對時(shí)空觀認(rèn)識的改革的科學(xué)家是()a惠更斯 b普朗克c愛因斯坦 d洛倫茲解析：選c.20世紀(jì)初，愛因斯坦提出了狹義相對論，揭示了時(shí)間、空間與物體的運(yùn)動(dòng)速度之間的必然聯(lián)系，引起了人們對時(shí)空觀認(rèn)識的改革2如圖所示，按照狹義相對論的觀點(diǎn)，火箭a是迎著光飛行的，火箭b是“追趕”光的，若火箭相對地面的速度為v，則兩火箭上的觀察者測出的光速分別為()acvcv bcvcvccc d無法確定解析：選c.根據(jù)光速不變原理，在一切慣性參考系中，測量到的真空中的光速c都一樣，因此在火箭a、b兩個(gè)慣性參考系中，觀察者測量到的光速一樣大，均為c，故c正確慣性系s中有一邊長為l的正方形(如圖所示)，從相對s系沿x方向以接近光速勻速飛行的飛行器上測得該正方形的圖象是()解析：選c.物體運(yùn)動(dòng)時(shí)在運(yùn)動(dòng)方向上，相對觀察者縮短，因物體相對s系沿x方向運(yùn)動(dòng)，故在x方向上縮短，c正確有一對孿生兄弟小明和小偉，當(dāng)他們長大到20歲時(shí)，由于航天的需要，小偉要乘坐航天飛船去太空進(jìn)行科學(xué)研究，小明在地球上經(jīng)過了20年后，小偉才返回地面，則下列判斷正確的是()a小明顯得更年輕 b小偉顯得更年輕c他們倆一樣年輕 d無法判斷誰更年輕解析：選b.狹義相對論的時(shí)空觀認(rèn)為，時(shí)間是相對的，即在同一個(gè)慣性系中不同地點(diǎn)同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，在另一個(gè)慣性系中不一定是同時(shí)的，根據(jù)愛因斯坦的時(shí)間延緩效應(yīng)，當(dāng)飛船接近光速時(shí)，時(shí)間會(huì)變慢故小偉顯得更年輕5伽利略是經(jīng)典力學(xué)的開創(chuàng)者，有關(guān)他的敘述錯(cuò)誤的是()a伽利略對運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了描述和分類，對自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了探索，得到了慣性原理，研究了拋體運(yùn)動(dòng)的軌跡b伽利略提出了運(yùn)動(dòng)的相對性原理，開創(chuàng)了實(shí)驗(yàn)科學(xué)c伽利略的研究，無論是在動(dòng)力學(xué)的基本原理上，還是在動(dòng)力學(xué)的研究方法上，都作出了奠基性的重要貢獻(xiàn)d伽利略提出了狹義相對論解析：選d.伽利略是經(jīng)典力學(xué)的開創(chuàng)者，a、b、c選項(xiàng)內(nèi)容皆為其科學(xué)貢獻(xiàn)，故a、b、c說法均正確；狹義相對論是愛因斯坦提出的，d說法錯(cuò)誤日常生活中，我們并沒有發(fā)現(xiàn)物體的質(zhì)量隨著物體運(yùn)動(dòng)速度的變化而變化，其原因是()a運(yùn)動(dòng)中的物體無法稱量其質(zhì)量b物體的速度遠(yuǎn)小于光速，質(zhì)量變化極小c物體的質(zhì)量太小d物體的質(zhì)量不隨速度的變化而變化解析：選b.在宏觀物體的運(yùn)動(dòng)中，由于vc，所以質(zhì)量變化不大，而不是因?yàn)槲矬w的質(zhì)量太小或無法測量，也不是因?yàn)橘|(zhì)量不隨速度的變化而變化，正確選項(xiàng)為b.二、多項(xiàng)選擇題下列運(yùn)動(dòng)中經(jīng)典力學(xué)能適用的是()a火箭的發(fā)射b宇宙飛船繞地球的運(yùn)動(dòng)c“勇氣號”火星探測器d微觀粒子的波動(dòng)性解析：選abc.經(jīng)典力學(xué)不能適用的情況是微觀、高速物體的運(yùn)動(dòng)下列說法正確的是()a牛頓運(yùn)動(dòng)定律只適用于相對靜止的參考