第七章萬(wàn)有引力與宇宙航行第五節(jié)相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)局限性[核心素養(yǎng)·明目標(biāo)]核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)目標(biāo)物理觀念了解經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展歷程和偉大成就，認(rèn)識(shí)經(jīng)典力學(xué)的局限性和適用范圍。科學(xué)思維知道相對(duì)論、量子論有助于人類認(rèn)識(shí)高速、微觀領(lǐng)域。科學(xué)探究探究愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論的基本假設(shè)，知道長(zhǎng)度相對(duì)性和時(shí)間間隔相對(duì)性的表達(dá)式。科學(xué)態(tài)度與責(zé)任感受牛頓力學(xué)在高速世界與事實(shí)的矛盾，知道牛頓力學(xué)只適用于低速、宏觀物體的運(yùn)動(dòng)。知道相對(duì)論、量子論有助于人類認(rèn)識(shí)高速、微觀領(lǐng)域。知識(shí)點(diǎn)一經(jīng)典力學(xué)的巨大成就1.經(jīng)典力學(xué)經(jīng)典力學(xué)通常叫牛頓力學(xué)，主要研究宏觀物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。2.經(jīng)典力學(xué)的巨大成就(1)把天體的運(yùn)動(dòng)與地上物體的運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一起來(lái)。(2)經(jīng)典力學(xué)和以經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的天體力學(xué)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)等得到了廣泛的應(yīng)用。(3)力學(xué)和熱力學(xué)的發(fā)展及其與生產(chǎn)的結(jié)合引發(fā)了第一次工業(yè)革命。(4)由牛頓力學(xué)定律導(dǎo)出的動(dòng)量守恒定律、機(jī)械能守恒定律等是航空航天技術(shù)的理論基礎(chǔ)。(5)相對(duì)論和量子力學(xué)的形成都受到經(jīng)典力學(xué)的影響。知識(shí)點(diǎn)二經(jīng)典力學(xué)方法論的意義1.兩種典型研究方法(1)伽利略：“自然數(shù)學(xué)化”的方法，開創(chuàng)了將實(shí)驗(yàn)、邏輯(數(shù)學(xué))相結(jié)合的方法。(2)牛頓：歸納—演繹法，大量運(yùn)用數(shù)學(xué)方法系統(tǒng)地整理物理學(xué)理論的方法.其演繹的結(jié)果必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。2.意義伽利略和牛頓的科學(xué)方法是經(jīng)典力學(xué)方法的典型，影響深遠(yuǎn)，并不斷得到發(fā)展和完善，逐漸成為一種傳統(tǒng)，甚至作為社會(huì)科學(xué)和哲學(xué)的方法論，意義很大。知識(shí)點(diǎn)三經(jīng)典力學(xué)的局限性和適用范圍1.經(jīng)典力學(xué)的局限性和適用范圍：對(duì)于宏觀、低速(相對(duì)光速)物體的運(yùn)動(dòng)經(jīng)典力學(xué)仍然適用。2.經(jīng)典力學(xué)的局限性(1)經(jīng)典力學(xué)的應(yīng)用受到物體運(yùn)動(dòng)速率的限制，當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)速率接近于真空中的光速時(shí)，經(jīng)典力學(xué)的許多觀念將發(fā)生重大變化。(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。(3)量子力學(xué)的建立能夠很好地描述微觀運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，并在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮了重要作用。(4)相對(duì)論與量子力學(xué)都沒(méi)有否定過(guò)去的科學(xué)，而只認(rèn)為過(guò)去的科學(xué)是自己在一定條件下的特殊情形。知識(shí)點(diǎn)四經(jīng)典時(shí)空觀與相對(duì)論時(shí)空觀1.經(jīng)典時(shí)空觀(1)經(jīng)典時(shí)空觀(絕對(duì)時(shí)空觀)：時(shí)間永遠(yuǎn)均勻地流逝，與任何外界無(wú)關(guān)；空間與任何外界事物無(wú)關(guān)，從不運(yùn)動(dòng)，永遠(yuǎn)不變。(2)慣性系與非慣性系：①慣性系：凡是牛頓運(yùn)動(dòng)定律成立的參考系，相對(duì)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(duì)于慣性系做變速運(yùn)動(dòng)的參考系是非慣性系。(3)伽利略相對(duì)性原理：對(duì)于所有的慣性系，力學(xué)規(guī)律都是相同的，或者說(shuō)，一切慣性系都是等價(jià)的。(4)經(jīng)典時(shí)空觀的幾個(gè)具體結(jié)論：①同時(shí)的絕對(duì)性；②時(shí)間間隔的絕對(duì)性；③空間距離的絕對(duì)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(wú)關(guān)。2.相對(duì)論時(shí)空觀(1)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(wú)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。(2)狹義相對(duì)論的兩條基本假設(shè)：①相對(duì)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?cè)恚涸谝磺袘T性系中，光在真空中傳播的速度都等于c，跟光源的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。(3)相對(duì)論時(shí)空觀①同時(shí)的相對(duì)性：在一個(gè)參考系中同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，在另一個(gè)參考系看來(lái)是不同時(shí)的。②運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘變慢：時(shí)鐘相對(duì)于觀察者靜止時(shí)，走得快；相對(duì)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，Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\f(v,c)2))。③運(yùn)動(dòng)的尺子縮短：一個(gè)物體相對(duì)于觀察者靜止時(shí)，它的長(zhǎng)度測(cè)量值最大；相對(duì)于觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者在運(yùn)動(dòng)方向上觀測(cè)，它的長(zhǎng)度要縮短，速度越快，縮得越短，l＝l0eq\r(1－\f(v,c)2)。④物體質(zhì)量隨速度的增加而增大，m＝eq\f(m0,\r(1－\f(v,c)2))。易錯(cuò)易混點(diǎn)1.經(jīng)典力學(xué)與相對(duì)論的區(qū)別與聯(lián)系易混易錯(cuò)點(diǎn)辨析：1.區(qū)別：比較項(xiàng)經(jīng)典力學(xué)相對(duì)論形成時(shí)期物理學(xué)形成的初期階段，受歷史發(fā)展限制，理論較膚淺、片面形成于物理學(xué)充分發(fā)展的現(xiàn)代，理論較完善、科學(xué)適用范圍低速運(yùn)動(dòng)，宏觀世界，弱引力作用任何情況都適用速度對(duì)質(zhì)量的影響物體的質(zhì)量不隨其速度的變化而變化物體的質(zhì)量隨其速度的增加而增大速度的合成時(shí)間與空間互不相干速度與位移、時(shí)間的測(cè)量有關(guān)2.聯(lián)系：(1)當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速時(shí)，相對(duì)論物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論沒(méi)有區(qū)別。(2)相對(duì)論并沒(méi)有否定經(jīng)典力學(xué)，經(jīng)典力學(xué)是相對(duì)論在一定條件下的特殊情形。例1.下列說(shuō)法正確的是()A.在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而改變，在狹義相對(duì)論中，物體的質(zhì)量也不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而改變B.狹義相對(duì)論和經(jīng)典力學(xué)是完全不同、相互矛盾的兩個(gè)理論C.物體高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體的運(yùn)動(dòng)服從狹義相對(duì)論，在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體的運(yùn)動(dòng)服從牛頓運(yùn)動(dòng)定律D.以上說(shuō)法都是錯(cuò)誤的解析：選C。在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而改變，在狹義相對(duì)論中，物體的質(zhì)量隨物體運(yùn)動(dòng)速度的增大而增大，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；狹義相對(duì)論沒(méi)有否定經(jīng)典力學(xué)，經(jīng)典力學(xué)是狹義相對(duì)論在一定條件下的特殊情形，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；經(jīng)典力學(xué)適用于低速運(yùn)動(dòng)的物體，狹義相對(duì)論闡述物體在以接近光速運(yùn)動(dòng)時(shí)所遵循的規(guī)律，選項(xiàng)C正確.例2.(多選)牛頓運(yùn)動(dòng)定律能適用于下列哪些情形()A.研究原子中電子的運(yùn)動(dòng) B.研究“神舟五號(hào)”飛船的高速發(fā)射C.研究地球繞太陽(yáng)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。牛頓運(yùn)動(dòng)定律只能用于“宏觀低速”的情形，這里的“宏觀”是相對(duì)于微觀粒子而言的.這里的“低速”是相對(duì)于光速而言的。原子、電子等是微觀粒子，它們的運(yùn)動(dòng)不服從牛頓運(yùn)動(dòng)定律，A錯(cuò)誤；B、C、D選項(xiàng)中運(yùn)動(dòng)雖然是“高速”，但相對(duì)于光速來(lái)說(shuō)，卻是微不足道的，完全可以用牛頓運(yùn)動(dòng)定律研究其規(guī)律，B、C、D正確。易錯(cuò)易混點(diǎn)2.對(duì)象對(duì)論的理解易錯(cuò)易混點(diǎn)辨析：1.兩個(gè)基本原理(1)相對(duì)性原理：所有物理規(guī)律在一切慣性參考系中都具有相同的形式，表明在任何慣性系中研究某個(gè)物體的某一運(yùn)動(dòng)過(guò)程，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律形式不變.(2)光速不變?cè)恚涸谝磺袘T性參考系中，測(cè)量到的真空中的光速c都一樣，表明了經(jīng)典時(shí)空觀與相對(duì)論時(shí)空觀的不同；比較如下：經(jīng)典時(shí)空觀相對(duì)論時(shí)空觀運(yùn)動(dòng)情況同一運(yùn)動(dòng)對(duì)不同參考系描述結(jié)果不同，即速度不同光在一切慣性參考系中傳向各個(gè)方向的速度不變時(shí)間與空間的關(guān)系時(shí)間均勻流逝，空間不變化，與運(yùn)動(dòng)情況及外部條件無(wú)關(guān)時(shí)間、空間都隨運(yùn)動(dòng)情況而改變幾個(gè)結(jié)論①同時(shí)的絕對(duì)性②時(shí)間間隔的絕對(duì)性③空間距離的絕對(duì)性④物體的質(zhì)量恒定不變①同時(shí)的相對(duì)性②運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘變慢③運(yùn)動(dòng)的尺子縮短④物體的質(zhì)量隨速度的增加而增大2.相對(duì)論時(shí)空觀的內(nèi)容認(rèn)為時(shí)間和空間是相互聯(lián)系、相互影響的，并且與物質(zhì)的存在及運(yùn)動(dòng)有關(guān)。(1)長(zhǎng)度收縮效應(yīng)：一把尺子，在相對(duì)于它靜止的參考系xOy中測(cè)得其長(zhǎng)度為l(稱為靜止長(zhǎng)度)，如圖3所示.當(dāng)該尺子相對(duì)另一參考系x′O′y′(如地面)沿尺子長(zhǎng)度方向以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)，在該參考系x′O′y′(如地面)中測(cè)得尺子長(zhǎng)度為l′＝leq\r(1－\f(v,c)2)。由于v<c，所以l′<l，說(shuō)明在相對(duì)尺子運(yùn)動(dòng)的參考系中測(cè)得的“運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度”比在相對(duì)尺子靜止的參考系中測(cè)得的“靜止長(zhǎng)度”短，即所謂的“長(zhǎng)度收縮效應(yīng)”。當(dāng)速度v?c時(shí)，l′＝l，這就回到了經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論——空間的尺度與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)。圖3(2)時(shí)間延緩效應(yīng)：在相對(duì)于地面以速度v勻速運(yùn)動(dòng)的參考系內(nèi)，測(cè)得該參考系中某一事件所經(jīng)歷的時(shí)間為Δt′，則在地面上測(cè)得該事件所經(jīng)歷的時(shí)間為：Δt＝eq\f(Δt′,\r(1－\f(v,c)2))。由于v<c，所以Δt>Δt′.即用同樣標(biāo)準(zhǔn)的鐘，在靜止參考系中測(cè)得的時(shí)間比在運(yùn)動(dòng)參考系中測(cè)得的時(shí)間長(zhǎng)，好比是運(yùn)動(dòng)的鐘走“慢”了。當(dāng)速度v?c時(shí)，Δt＝Δt′，這就回到了經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論——時(shí)間與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)。例3.半人馬星座α星是距離太陽(yáng)系最近的恒星，它距地球?yàn)?.3×1016m.設(shè)有一宇宙飛船自地球往返于半人馬星座α星之間.若宇宙飛船的速度為0.999c，按地球上的時(shí)鐘計(jì)算，飛船往返一次需多長(zhǎng)時(shí)間？如以飛船上的時(shí)鐘計(jì)算，往返一次的時(shí)間又為多長(zhǎng)？解析：以地球上的時(shí)鐘計(jì)算：Δt＝eq\f(s,v)＝eq\f(2×4.3×1016,0.999×3×108)s≈2.87×108s≈9年若以飛船上的時(shí)鐘計(jì)算(原時(shí))，因?yàn)棣＝eq\f(Δt′,\r(1－\f(v,c)2))所以得Δt′＝Δteq\r(1－\f(v,c)2)＝2.87×108×eq\r(1－0.9992)s≈1.28×107s≈0.4年。例4.如圖4所示，有三個(gè)完全相同的時(shí)鐘，時(shí)鐘A放在地面上，時(shí)鐘B、C分別放在兩個(gè)火箭上，兩個(gè)火箭分別以速度vB和vC朝同一方向飛行，vB<vC.對(duì)于地面上的觀察者來(lái)說(shuō)，以下說(shuō)法中正確的是()圖4A.時(shí)鐘A走得最慢 B.時(shí)鐘B走得最慢C.時(shí)鐘C走得最慢 D.時(shí)鐘C走得最快解析：選C。根據(jù)相對(duì)論的時(shí)空觀，運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘變慢，其實(shí)質(zhì)是指在相對(duì)論中每位觀察者都有自身的時(shí)間測(cè)度，即如果一時(shí)鐘在天空高速飛馳，對(duì)靜止不動(dòng)的觀察者來(lái)說(shuō)似乎時(shí)鐘的時(shí)間走得慢了，時(shí)鐘飛馳得越快，時(shí)鐘的時(shí)間走得越慢。針對(duì)訓(xùn)練1.(經(jīng)典力學(xué)的成就和局限性)(多選)20世紀(jì)以來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)了一些新的事實(shí)，而經(jīng)典力學(xué)卻無(wú)法解釋.經(jīng)典力學(xué)只適用于解決物體的低速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，不能用來(lái)處理高速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題；只適用于宏觀物體，一般不適用于微觀粒子，以下說(shuō)法正確的是()A.隨著認(rèn)識(shí)的發(fā)展，經(jīng)典力學(xué)已成了過(guò)時(shí)的理論B.人們對(duì)客觀事物的具體認(rèn)識(shí)在廣度上是有局限性的C.不同領(lǐng)域的事物各有其本質(zhì)與規(guī)律D.人們應(yīng)當(dāng)不斷拓展認(rèn)識(shí)，在更廣闊的領(lǐng)域內(nèi)掌握不同事物的本質(zhì)與規(guī)律2.(經(jīng)典時(shí)空觀)(多選)下列說(shuō)法中哪些屬于經(jīng)典時(shí)空觀的觀點(diǎn)()A.世界的過(guò)去、現(xiàn)在和將來(lái)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(shí)而存在C.時(shí)間和空間是絕對(duì)的D.時(shí)間和空間是緊密聯(lián)系、不可分割的3.(相對(duì)論效應(yīng)的理解)如圖5所示，沿平直鐵路線有間距相等的三座鐵塔A、B和C.假想有一列車沿AC方向以接近光速行駛，當(dāng)鐵塔B發(fā)出一個(gè)閃光，列車上的觀察者測(cè)得A、C兩鐵塔被照亮的順序是()圖5A.同時(shí)被照亮 B.A先被照亮C.C先被照亮 D.無(wú)法判斷4.(狹義相對(duì)論的應(yīng)用)如圖6所示，強(qiáng)強(qiáng)乘坐速度為0.9c(c為光速)的宇宙飛船追趕正前方的壯壯，壯壯的飛行速度為0.5c，強(qiáng)強(qiáng)向壯壯發(fā)出一束光進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，則壯壯觀測(cè)到該光束的傳播速度為()圖6A.0.4cB.0.5cC.0.9cD.c5.經(jīng)典力學(xué)不能適用于下列哪些運(yùn)動(dòng)()A.火箭的發(fā)射B.宇宙飛船繞地球的運(yùn)動(dòng)C.“勇氣號(hào)”宇宙探測(cè)器的運(yùn)動(dòng)D.以99%倍光速運(yùn)行的電子束6.屬于狹義相對(duì)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(duì)性C.物體的質(zhì)量不變D.物體的能量與質(zhì)量成正比7.一列火車以接近光速的速度從我們身邊飛駛而過(guò)，我們會(huì)感到車廂、車窗變窄了，而車廂、車窗的高度并沒(méi)有變化，那么車廂內(nèi)的人看路旁的電線桿間距將會(huì)()A.變窄B.變寬C.不變D.都有可能8.廣東省虎門大橋全長(zhǎng)近15km，在500m高空有一架與大橋平行以接近光速飛行的飛機(jī)，飛機(jī)上人員看到大橋的長(zhǎng)度將是()A.大于15km B.等于15kmC.小于15km D.無(wú)法確定9.以下說(shuō)法正確的是()A.經(jīng)典力學(xué)理論普遍適用，大到天體，小到微觀粒子均適用B.經(jīng)典力學(xué)理論的成立具有一定的局限性C.在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變而改變D.相對(duì)論和量子力學(xué)否定了經(jīng)典力學(xué)理論10.如圖所示，假設(shè)一根10cm長(zhǎng)的梭鏢以接近光速穿過(guò)一根10cm長(zhǎng)靜止的管子，它們的長(zhǎng)度都是在靜止?fàn)顟B(tài)下測(cè)量的。以下敘述中最好地描述了梭鏢穿過(guò)管子情況的是()A.靜止的觀察者看到梭鏢收縮變短，因此在某個(gè)位置，管子能完全遮住梭鏢B.靜止的觀察者看到梭鏢變長(zhǎng)，因此在某個(gè)位置，梭鏢從管子的兩端伸出來(lái)C.靜止的觀察者看到兩者的收縮量相等，因此在某個(gè)位置，管子仍恰好遮住梭鏢D.如果梭鏢和管子都以光速c相向運(yùn)動(dòng)，則二者的相對(duì)速度是2c11．(多選)物理學(xué)的發(fā)展豐富了人類對(duì)動(dòng)物世界的認(rèn)識(shí)，推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新和革命，促進(jìn)了物質(zhì)生產(chǎn)的繁榮與人類文明的進(jìn)步，下列表述正確的是()A.牛頓發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力定律B.牛頓通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了萬(wàn)有引力定律C.相對(duì)論的創(chuàng)立表明經(jīng)典力學(xué)已不再適用D.愛(ài)因斯坦建立了狹義相對(duì)論，把物理學(xué)推進(jìn)到高速領(lǐng)域12.某物體高速運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量是其靜止時(shí)質(zhì)量的2倍，求該物體的高速運(yùn)動(dòng)速度是光速c的多少倍？第七章萬(wàn)有引力與宇宙航行第五節(jié)相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)局限性[核心素養(yǎng)·明目標(biāo)]核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)目標(biāo)物理觀念了解經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展歷程和偉大成就，認(rèn)識(shí)經(jīng)典力學(xué)的局限性和適用范圍?？茖W(xué)思維知道相對(duì)論、量子論有助于人類認(rèn)識(shí)高速、微觀領(lǐng)域?？茖W(xué)探究探究愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論的基本假設(shè)，知道長(zhǎng)度相對(duì)性和時(shí)間間隔相對(duì)性的表達(dá)式。科學(xué)態(tài)度與責(zé)任感受牛頓力學(xué)在高速世界與事實(shí)的矛盾，知道牛頓力學(xué)只適用于低速、宏觀物體的運(yùn)動(dòng)。知道相對(duì)論、量子論有助于人類認(rèn)識(shí)高速、微觀領(lǐng)域。知識(shí)點(diǎn)一經(jīng)典力學(xué)的巨大成就1.經(jīng)典力學(xué)經(jīng)典力學(xué)通常叫牛頓力學(xué)，主要研究宏觀物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。2.經(jīng)典力學(xué)的巨大成就(1)把天體的運(yùn)動(dòng)與地上物體的運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一起來(lái)。(2)經(jīng)典力學(xué)和以經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的天體力學(xué)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)等得到了廣泛的應(yīng)用。(3)力學(xué)和熱力學(xué)的發(fā)展及其與生產(chǎn)的結(jié)合引發(fā)了第一次工業(yè)革命。(4)由牛頓力學(xué)定律導(dǎo)出的動(dòng)量守恒定律、機(jī)械能守恒定律等是航空航天技術(shù)的理論基礎(chǔ)。(5)相對(duì)論和量子力學(xué)的形成都受到經(jīng)典力學(xué)的影響。知識(shí)點(diǎn)二經(jīng)典力學(xué)方法論的意義1.兩種典型研究方法(1)伽利略：“自然數(shù)學(xué)化”的方法，開創(chuàng)了將實(shí)驗(yàn)、邏輯(數(shù)學(xué))相結(jié)合的方法。(2)牛頓：歸納—演繹法，大量運(yùn)用數(shù)學(xué)方法系統(tǒng)地整理物理學(xué)理論的方法.其演繹的結(jié)果必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。2.意義伽利略和牛頓的科學(xué)方法是經(jīng)典力學(xué)方法的典型，影響深遠(yuǎn)，并不斷得到發(fā)展和完善，逐漸成為一種傳統(tǒng)，甚至作為社會(huì)科學(xué)和哲學(xué)的方法論，意義很大。知識(shí)點(diǎn)三經(jīng)典力學(xué)的局限性和適用范圍1.經(jīng)典力學(xué)的局限性和適用范圍：對(duì)于宏觀、低速(相對(duì)光速)物體的運(yùn)動(dòng)經(jīng)典力學(xué)仍然適用。2.經(jīng)典力學(xué)的局限性(1)經(jīng)典力學(xué)的應(yīng)用受到物體運(yùn)動(dòng)速率的限制，當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)速率接近于真空中的光速時(shí)，經(jīng)典力學(xué)的許多觀念將發(fā)生重大變化。(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。(3)量子力學(xué)的建立能夠很好地描述微觀運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，并在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮了重要作用。(4)相對(duì)論與量子力學(xué)都沒(méi)有否定過(guò)去的科學(xué)，而只認(rèn)為過(guò)去的科學(xué)是自己在一定條件下的特殊情形。知識(shí)點(diǎn)四經(jīng)典時(shí)空觀與相對(duì)論時(shí)空觀1.經(jīng)典時(shí)空觀(1)經(jīng)典時(shí)空觀(絕對(duì)時(shí)空觀)：時(shí)間永遠(yuǎn)均勻地流逝，與任何外界無(wú)關(guān)；空間與任何外界事物無(wú)關(guān)，從不運(yùn)動(dòng)，永遠(yuǎn)不變。(2)慣性系與非慣性系：①慣性系：凡是牛頓運(yùn)動(dòng)定律成立的參考系，相對(duì)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(duì)于慣性系做變速運(yùn)動(dòng)的參考系是非慣性系。(3)伽利略相對(duì)性原理：對(duì)于所有的慣性系，力學(xué)規(guī)律都是相同的，或者說(shuō)，一切慣性系都是等價(jià)的。(4)經(jīng)典時(shí)空觀的幾個(gè)具體結(jié)論：①同時(shí)的絕對(duì)性；②時(shí)間間隔的絕對(duì)性；③空間距離的絕對(duì)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(wú)關(guān)。2.相對(duì)論時(shí)空觀(1)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(wú)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。(2)狹義相對(duì)論的兩條基本假設(shè)：①相對(duì)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?cè)恚涸谝磺袘T性系中，光在真空中傳播的速度都等于c，跟光源的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。(3)相對(duì)論時(shí)空觀①同時(shí)的相對(duì)性：在一個(gè)參考系中同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，在另一個(gè)參考系看來(lái)是不同時(shí)的。②運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘變慢：時(shí)鐘相對(duì)于觀察者靜止時(shí)，走得快；相對(duì)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，Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\f(v,c)2))。③運(yùn)動(dòng)的尺子縮短：一個(gè)物體相對(duì)于觀察者靜止時(shí)，它的長(zhǎng)度測(cè)量值最大；相對(duì)于觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者在運(yùn)動(dòng)方向上觀測(cè)，它的長(zhǎng)度要縮短，速度越快，縮得越短，l＝l0eq\r(1－\f(v,c)2)。④物體質(zhì)量隨速度的增加而增大，m＝eq\f(m0,\r(1－\f(v,c)2))。易錯(cuò)易混點(diǎn)1.經(jīng)典力學(xué)與相對(duì)論的區(qū)別與聯(lián)系易混易錯(cuò)點(diǎn)辨析：1.區(qū)別：比較項(xiàng)經(jīng)典力學(xué)相對(duì)論形成時(shí)期物理學(xué)形成的初期階段，受歷史發(fā)展限制，理論較膚淺、片面形成于物理學(xué)充分發(fā)展的現(xiàn)代，理論較完善、科學(xué)適用范圍低速運(yùn)動(dòng)，宏觀世界，弱引力作用任何情況都適用速度對(duì)質(zhì)量的影響物體的質(zhì)量不隨其速度的變化而變化物體的質(zhì)量隨其速度的增加而增大速度的合成時(shí)間與空間互不相干速度與位移、時(shí)間的測(cè)量有關(guān)2.聯(lián)系：(1)當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速時(shí)，相對(duì)論物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論沒(méi)有區(qū)別。(2)相對(duì)論并沒(méi)有否定經(jīng)典力學(xué)，經(jīng)典力學(xué)是相對(duì)論在一定條件下的特殊情形。例1.下列說(shuō)法正確的是()A.在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而改變，在狹義相對(duì)論中，物體的質(zhì)量也不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而改變B.狹義相對(duì)論和經(jīng)典力學(xué)是完全不同、相互矛盾的兩個(gè)理論C.物體高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體的運(yùn)動(dòng)服從狹義相對(duì)論，在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體的運(yùn)動(dòng)服從牛頓運(yùn)動(dòng)定律D.以上說(shuō)法都是錯(cuò)誤的解析：選C。在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而改變，在狹義相對(duì)論中，物體的質(zhì)量隨物體運(yùn)動(dòng)速度的增大而增大，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；狹義相對(duì)論沒(méi)有否定經(jīng)典力學(xué)，經(jīng)典力學(xué)是狹義相對(duì)論在一定條件下的特殊情形，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；經(jīng)典力學(xué)適用于低速運(yùn)動(dòng)的物體，狹義相對(duì)論闡述物體在以接近光速運(yùn)動(dòng)時(shí)所遵循的規(guī)律，選項(xiàng)C正確.例2.(多選)牛頓運(yùn)動(dòng)定律能適用于下列哪些情形()A.研究原子中電子的運(yùn)動(dòng) B.研究“神舟五號(hào)”飛船的高速發(fā)射C.研究地球繞太陽(yáng)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。牛頓運(yùn)動(dòng)定律只能用于“宏觀低速”的情形，這里的“宏觀”是相對(duì)于微觀粒子而言的.這里的“低速”是相對(duì)于光速而言的。原子、電子等是微觀粒子，它們的運(yùn)動(dòng)不服從牛頓運(yùn)動(dòng)定律，A錯(cuò)誤；B、C、D選項(xiàng)中運(yùn)動(dòng)雖然是“高速”，但相對(duì)于光速來(lái)說(shuō)，卻是微不足道的，完全可以用牛頓運(yùn)動(dòng)定律研究其規(guī)律，B、C、D正確。易錯(cuò)易混點(diǎn)2.對(duì)象對(duì)論的理解易錯(cuò)易混點(diǎn)辨析：1.兩個(gè)基本原理(1)相對(duì)性原理：所有物理規(guī)律在一切慣性參考系中都具有相同的形式，表明在任何慣性系中研究某個(gè)物體的某一運(yùn)動(dòng)過(guò)程，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律形式不變.(2)光速不變?cè)恚涸谝磺袘T性參考系中，測(cè)量到的真空中的光速c都一樣，表明了經(jīng)典時(shí)空觀與相對(duì)論時(shí)空觀的不同；比較如下：經(jīng)典時(shí)空觀相對(duì)論時(shí)空觀運(yùn)動(dòng)情況同一運(yùn)動(dòng)對(duì)不同參考系描述結(jié)果不同，即速度不同光在一切慣性參考系中傳向各個(gè)方向的速度不變時(shí)間與空間的關(guān)系時(shí)間均勻流逝，空間不變化，與運(yùn)動(dòng)情況及外部條件無(wú)關(guān)時(shí)間、空間都隨運(yùn)動(dòng)情況而改變幾個(gè)結(jié)論①同時(shí)的絕對(duì)性②時(shí)間間隔的絕對(duì)性③空間距離的絕對(duì)性④物體的質(zhì)量恒定不變①同時(shí)的相對(duì)性②運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘變慢③運(yùn)動(dòng)的尺子縮短④物體的質(zhì)量隨速度的增加而增大2.相對(duì)論時(shí)空觀的內(nèi)容認(rèn)為時(shí)間和空間是相互聯(lián)系、相互影響的，并且與物質(zhì)的存在及運(yùn)動(dòng)有關(guān)。(1)長(zhǎng)度收縮效應(yīng)：一把尺子，在相對(duì)于它靜止的參考系xOy中測(cè)得其長(zhǎng)度為l(稱為靜止長(zhǎng)度)，如圖3所示.當(dāng)該尺子相對(duì)另一參考系x′O′y′(如地面)沿尺子長(zhǎng)度方向以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)，在該參考系x′O′y′(如地面)中測(cè)得尺子長(zhǎng)度為l′＝leq\r(1－\f(v,c)2)。由于v<c，所以l′<l，說(shuō)明在相對(duì)尺子運(yùn)動(dòng)的參考系中測(cè)得的“運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度”比在相對(duì)尺子靜止的參考系中測(cè)得的“靜止長(zhǎng)度”短，即所謂的“長(zhǎng)度收縮效應(yīng)”。當(dāng)速度v?c時(shí)，l′＝l，這就回到了經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論——空間的尺度與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)。圖3(2)時(shí)間延緩效應(yīng)：在相對(duì)于地面以速度v勻速運(yùn)動(dòng)的參考系內(nèi)，測(cè)得該參考系中某一事件所經(jīng)歷的時(shí)間為Δt′，則在地面上測(cè)得該事件所經(jīng)歷的時(shí)間為：Δt＝eq\f(Δt′,\r(1－\f(v,c)2))。由于v<c，所以Δt>Δt′.即用同樣標(biāo)準(zhǔn)的鐘，在靜止參考系中測(cè)得的時(shí)間比在運(yùn)動(dòng)參考系中測(cè)得的時(shí)間長(zhǎng)，好比是運(yùn)動(dòng)的鐘走“慢”了。當(dāng)速度v?c時(shí)，Δt＝Δt′，這就回到了經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論——時(shí)間與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)。例3.半人馬星座α星是距離太陽(yáng)系最近的恒星，它距地球?yàn)?.3×1016m.設(shè)有一宇宙飛船自地球往返于半人馬星座α星之間.若宇宙飛船的速度為0.999c，按地球上的時(shí)鐘計(jì)算，飛船往返一次需多長(zhǎng)時(shí)間？如以飛船上的時(shí)鐘計(jì)算，往返一次的時(shí)間又為多長(zhǎng)？解析：以地球上的時(shí)鐘計(jì)算：Δt＝eq\f(s,v)＝eq\f(2×4.3×1016,0.999×3×108)s≈2.87×108s≈9年若以飛船上的時(shí)鐘計(jì)算(原時(shí))，因?yàn)棣＝eq\f(Δt′,\r(1－\f(v,c)2))所以得Δt′＝Δteq\r(1－\f(v,c)2)＝2.87×108×eq\r(1－0.9992)s≈1.28×107s≈0.4年。例4.如圖4所示，有三個(gè)完全相同的時(shí)鐘，時(shí)鐘A放在地面上，時(shí)鐘B、C分別放在兩個(gè)火箭上，兩個(gè)火箭分別以速度vB和vC朝同一方向飛行，vB<vC.對(duì)于地面上的觀察者來(lái)說(shuō)，以下說(shuō)法中正確的是()圖4A.時(shí)鐘A走得最慢 B.時(shí)鐘B走得最慢C.時(shí)鐘C走得最慢 D.時(shí)鐘C走得最快解析：選C。根據(jù)相對(duì)論的時(shí)空觀，運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘變慢，其實(shí)質(zhì)是指在相對(duì)論中每位觀察者都有自身的時(shí)間測(cè)度，即如果一時(shí)鐘在天空高速飛馳，對(duì)靜止不動(dòng)的觀察者來(lái)說(shuō)似乎時(shí)鐘的時(shí)間走得慢了，時(shí)鐘飛馳得越快，時(shí)鐘的時(shí)間走得越慢。針對(duì)訓(xùn)練1.(經(jīng)典力學(xué)的成就和局限性)(多選)20世紀(jì)以來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)了一些新的事實(shí)，而經(jīng)典力學(xué)卻無(wú)法解釋.經(jīng)典力學(xué)只適用于解決物體的低速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，不能用來(lái)處理高速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題；只適用于宏觀物體，一般不適用于微觀粒子，以下說(shuō)法正確的是()A.隨著認(rèn)識(shí)的發(fā)展，經(jīng)典力學(xué)已成了過(guò)時(shí)的理論B.人們對(duì)客觀事物的具體認(rèn)識(shí)在廣度上是有局限性的C.不同領(lǐng)域的事物各有其本質(zhì)與規(guī)律D.人們應(yīng)當(dāng)不斷拓展認(rèn)識(shí)，在更廣闊的領(lǐng)域內(nèi)掌握不同事物的本質(zhì)與規(guī)律解析：BCD。人們對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)要受到所處的時(shí)代的客觀條件和科學(xué)水平的制約，所以形成的看法也都具有一定的局限性，人們只有不斷拓展自己的認(rèn)識(shí)，才能掌握更廣闊領(lǐng)域內(nèi)的不同事物的本質(zhì)與規(guī)律；新的科學(xué)的誕生并不意味著對(duì)原來(lái)科學(xué)的全盤否定，只能認(rèn)為過(guò)去的科學(xué)是新的科學(xué)在一定條件下的特殊情形。2.(經(jīng)典時(shí)空觀)(多選)下列說(shuō)法中哪些屬于經(jīng)典時(shí)空觀的觀點(diǎn)()A.世界的過(guò)去、現(xiàn)在和將來(lái)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(shí)而存在C.時(shí)間和空間是絕對(duì)的D.時(shí)間和空間是緊密聯(lián)系、不可分割的解析：ABC。經(jīng)典時(shí)空觀認(rèn)為時(shí)間和空間都是與外界事物無(wú)關(guān)的、絕對(duì)的，選項(xiàng)A、B、C屬于經(jīng)典時(shí)空觀；選項(xiàng)D屬于相對(duì)論時(shí)空觀。3.(相對(duì)論效應(yīng)的理解)如圖5所示，沿平直鐵路線有間距相等的三座鐵塔A、B和C.假想有一列車沿AC方向以接近光速行駛，當(dāng)鐵塔B發(fā)出一個(gè)閃光，列車上的觀察者測(cè)得A、C兩鐵塔被照亮的順序是()圖5A.同時(shí)被照亮 B.A先被照亮C.C先被照亮 D.無(wú)法判斷解析：C。列車上的觀察者看到的是由B發(fā)出后經(jīng)過(guò)A和C反射的光，由于列車在這段時(shí)間內(nèi)向C運(yùn)動(dòng)，靠近C而遠(yuǎn)離A，所以C的反射光先到達(dá)列車上的觀察者，觀察者看到C先被照亮，故只有C正確。4.(狹義相對(duì)論的應(yīng)用)如圖6所示，強(qiáng)強(qiáng)乘坐速度為0.9c(c為光速)的宇宙飛船追趕正前方的壯壯，壯壯的飛行速度為0.5c，強(qiáng)強(qiáng)向壯壯發(fā)出一束光進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，則壯壯觀測(cè)到該光束的傳播速度為()圖6A.0.4cB.0.5cC.0.9cD.c解析：由狹義相對(duì)論的光速不變?cè)碇婵罩械墓馑僭诓煌膽T性參考系中都是相同的，可知D正確，A、B、C錯(cuò)誤。5.經(jīng)典力學(xué)不能適用于下列哪些運(yùn)動(dòng)()A.火箭的發(fā)射B.宇宙飛船繞地球的運(yùn)動(dòng)C.“勇氣號(hào)”宇宙探測(cè)器的運(yùn)動(dòng)D.以99%倍光速運(yùn)行的電子束解析：選D。經(jīng)典力學(xué)在低速運(yùn)動(dòng)的廣闊領(lǐng)域(包括天體力學(xué)的研究)中，經(jīng)受了實(shí)踐的檢驗(yàn)，取得了巨大的成就，但在高速領(lǐng)域不再適用，故選項(xiàng)A、B、C適用，D不適用。6.屬于狹義相對(duì)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(duì)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(duì)論基本假設(shè)為：一是在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的；二是真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的，即光速不變?cè)恚纱丝芍狝屬于狹義相對(duì)論基本假設(shè)，故A正確，B、C、D錯(cuò)誤。7.一列火車以接近光速的速度從我們身邊飛駛而過(guò)，我們會(huì)感到車廂、車窗變窄了，而車廂、車窗的高度并沒(méi)有變化，那么車廂內(nèi)的人看路旁的電線桿間距將會(huì)()A.變窄B.變寬C.不變D.都有可能解析：火車相對(duì)地面以接近光速的速度向前飛駛，如果以火車為參考系，地面向后飛駛，根據(jù)尺縮效應(yīng)知電線桿間距變窄。8.廣東省虎門大橋全長(zhǎng)近15km，在500m高空有一架與大橋平行以