[原创]2013年《随堂优化训练》物理 必修2 粤教版 第五章 第一、二节 [配套课件]

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1．____________在伽利略、笛卡儿、开普勒、惠更斯等人研究的基础上，采用归纳与演绎、综合与分析的方法，建立了一套完整的经典力学体系．牛顿低速微观2．经典力学的应用受到物体运动速率的限制，它只适用于处理________运动的物体，并且不适用于________领域中的物质结构和能量不连续的现象．3．凡是牛顿运动定律成立的参考系就称为____________，简称________________；而牛顿运动定律不成立的参考系称为________________．对于所有惯性系，力学规律都是相同的，或者说，一切惯性系都是____________．4．相对论时空观的两个基本假设：第一是______________，第二是______________．相对论的四条重要结论是：(1)“同时”的______________；(2)运动的时钟____________；(3)运动的尺子____________；(4)物体质量随速度的增加而______________．惯性参考系惯性系非惯性系等效的相对性原理光速不变原理相对性变慢缩短增大5．牛顿运动定律不适用于下列哪种情形()AA．研究原子中电子的运动B．研究“神舟”九号飞船的发射C．研究地球绕太阳的运动D．研究飞机从北京飞往广州的运动解析：经典力学适用于宏观、低速领域，故B、C、D都适用，而研究微观世界的粒子——电子的运动，经典力学不再适用．知识点1经典力学的成就与局限性艾萨克·牛顿爵士是人类历史上出现过的最伟大、最有影响的科学家之一，同时也是物理学家、数学家和哲学家，晚年醉心于炼金术和神学．他在1687年7月5日发表的不朽著作《自然哲学的数学原理》里用数学方法阐明了宇宙中最基本的法则——万有引力定律和三大运动定律．这四条定律构成了图5－1－1一个统一的体系，被认为是“人类智慧史上最伟大的一个成就”，由此奠定了之后三个世纪中物理界的科学观点，并成为现代工程学的基础．经典力学的基本定律是牛顿运动定律或与牛顿定律有关且等价的其他力学原理，它是20世纪以前的力学，有两个基本假定：其一是假定时间和空间是绝对的，长度和时间间隔的测量与观察者的运动无关，物质间相互作用的传递是瞬时到达的；其二是一切可测量的物理量在原则上可以无限精确地加以测定．1．经典力学的发展历程：(1)伽利略之前：人们对力学现象的研究大多直接反映在技术之中或融合在哲学之内，物理学就整体而言还没有成为独立的学科，在这个阶段作出突出贡献的是阿基米德．(2)从伽利略到牛顿：这一阶段是经典力学从基本定律到建成理论体系的阶段．为经典力学打下基础的物理学家有：①伽利略：发现了惯性定律、自由落体定律和力学相对性原理，奠定了动力学的基础．②笛卡儿：在伽利略研究的基础上，第一次比较完整地表述了惯性定律，并强调了伽利略没有明确表述的惯性运动的直线性．③惠更斯：全面细致地解决了完全弹性碰撞问题．④开普勒：发现了行星运动定律．⑤牛顿：在前人研究的基础上，采用归纳与演绎、综合与分析的方法，总结出一套普遍适用的力学运动规律——牛顿运动定律和万有引力定律，建立了完整的经典力学(也称牛顿力学或古典力学)体系，物理学从此成为一门成熟的自然科学．(3)牛顿之后：这一阶段主要是后人对经典力学的表述形式和应用对象进行了拓展和完善．①19世纪，经典力学的发展表现为一些科学家在不改变实质的条件下，用新的、更简洁的形式重新表述牛顿运动定律，形成了分析力学．②经典力学由单个质点推广到多个质点所构成的系统，首先建立了刚体力学，随后又出现了弹性力学、塑性力学、流体力学等．2．经典力学的伟大成就：(1)经典力学把天上的物体和地上的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)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，从而形成了完整的经典物理学体系．(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，最早的是与天文学结合产生的天体力学，成为现代航空航天技术的理论基础，没有经典力学也就没有今天的空间科学．(4)20世纪以来，出现了更多的与经典力学相结合的交叉学科．3．经典力学的局限性和适用范围：(1)局限性：①经典力学的应用受到物体运动速率的限制，当物体的速率接近光速时经典力学不再适用．当物体运动的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.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，出现了与经典力学不同的新观念．(2)适用范围：经典力学只适用于低速运动的宏观物体．【例1】20世纪以来，人们发现了一些新的事实，而经典力学却无法解释．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，一般不适用于微观粒子，下列说法不正确的是()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．不同领域的事物各有其本质与规律D．人们应当不断地扩展认识，在更广阔的领域内掌握不同事物的本质与规律解析：人们对客观世界的认识要受到所处时代的客观条件和科学水平的制约，所形成的看法也都具有一定的局限性，人们只有不断扩展自己的认识，才能掌握更广阔领域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来科学的全盘否定，只能认为过去的科学是新的科学在一定条件下的特殊情形．答案：A【触类旁通】1．下列说法中正确的是()BA．牛顿运动定律就是经典力学B．经典力学的基础是牛顿运动定律C．牛顿运动定律可以解决自然界中的所有问题D．经典力学可以解决自然界中的所有问题解析：经典力学包括的内容分为力、热、电、光、原子五大部分，经典力学是以牛顿定律为基础的．知识点2经典时空观与相对论时空观阿尔伯特·爱因斯坦(AlbertEinstein)，美籍德国犹太裔，世界十大杰出物理学家之一，现代物理学的开创者、集大成者和奠基人．相对论是关于时空和引力的基本理论，主要由阿尔伯特·爱因斯坦创立，依据研究的对象不同分为狭义相对论和广义相对论．相对论和量子力学的提出给物理学带来了革命性的变化，共同奠定了近代物理学的基础．图5－1－2相对论(Relativity)的基本假设是相对性原理，即物理定律与参照系的选择无关．狭义相对论(SpecialRelativity)和广义相对论(GeneralRelativity)的区别是，前者讨论的是匀速直线运动的参照系(惯性参照系)之间的物理定律，后者则推广到具有加速度的参照系(非惯性系)中，并在等效原理的假设下，广泛应用于引力场中．相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱．作为经典物理学基础的经典力学，不适用于高速运动的物体和微观领域．相对论解决了高速运动问题；量子力学解决了微观亚原子条件下的问题．相对论颠覆了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“时间和空间的相对性”、“四维时空”、“弯曲空间”等全新的概念．狭义相对论于1905年提出，广义相对论于1915年提出．1．经典时空观：(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；牛顿运动定律不成立的参考系，称为非惯性系．(2)伽利略的相对性原理：对于所有的惯性系，力学规律是相同的，或者说一切惯性系都是等效的．(3)经典力学的时空观：①绝对的真实的数学时间，就其本质而言，是永远均匀地流逝的，与任何外界无关．绝对空间就其本质而言是与任何外界事物无关的，它从不运动，并且永远不变．这就是经典力学的时空观，也称为绝对时空观．②几个具体结论：a．同时的绝对性．b．时间间隔的绝对性．c．空间距离的绝对性．空间是绝对静止不动的(即绝对空间)，时间是绝对均匀变化的(即绝对时间)，空间和时间跟任何外界物质的存在及其运动情况无关．空间和时间也是彼此独立的．2．相对论时空观：(1)狭义相对论的两个基本假设：①相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都相同．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．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．(2)狭义相对论的几个结论：①“同时”的相对性：在一个惯性系中同时发生的两个事件，在另一个惯性系中看来可能是不同时的，即“同时”是相对的．②运动的时钟变慢：时钟相对于观察者运动时，观察者会看到它变慢了，运动速度越快，效果越明显．在运动参考系中的时间节奏变缓慢了，一切物理过程、化学过程均变慢了．③运动的尺子缩短：一根沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度小，而在垂直于运动的方向上，杆的长度没有变化．④物体质量随速度的增大而增大：物体运动时的质量比静止时的质量大，且速度越大，质量越大，当速度接近光速时，质量趋于无穷大．【例2】属于狭义相对论基本假设的是：在不同的惯性系中()A．真空中的光速不变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：狭义相对论的基本假设有：(1)相对性原理：对于任何惯性参考系，物理规律都是等价的；(2)光速不变原理：对任一惯性参考系，真空中的光速都相等．所以只有A项正确．答案：A【触类旁通】2．在日常生活中，我们并没有发现物体的质量随着物体运动速度的变化而变化，其原因是()BA．运动中的物体无法称量质量B．物体的速度远小于光速，质量变化极小C．物体的质量太小D．物体的质量不随速度的变化而变化解析：日常生活中的物体的速度都很小，远远小于光速，所以质量变化很小，故B选项正确．忽略了经典力学与相对论的适用范围经典力学的适用范围是宏观低速的物体；相对论的适用范围是高速运动的物体，这个速度接近光速．【例3】关于时间、长度和质量的测量，下列说法正确的是()A．时间均匀流逝，物体的长度一定，它们与参考系的速度无关B．物体的质量是物体的固有属性，无论在哪一个参考系中测量都是一样的C．物体的速度越小，质量就越大D．无论是时间、长度，还是质量，其测量都与所选的参考系的速度有关错因：忽略了经典力学和相对论的适用范围，无法判断物理量在各惯性系中的变化情况．正解：只有在参考系的速度与光速相接近时，相对论效应才明显．当物体的速度远小于光速时，尽管速度增加，但物体的长度、质量以及其他变化过程所经历的时间都可以看成是不变的．答案：D【触类旁通】3．对时间、空间的理解，下列说法正确的是()CA．时间均匀流逝，与外界无关B．空间从不运动，永远不变，与外界任何事物都无关C．一个事件的发生所用的时间，在不同参考系里测量可能不一样D．空间与时间彼此独立、互不关联解析：经典力学认为空间与时间彼此独立、互不关联，这就是牛顿的绝对时空观．当参考系的速度达到可以和光速相比时，时间、空间和物质的运动密切关联，这就是相对论时空观．A、B、D显然是绝对时空观的观点，C是相对论时空观的观点．