第六章 6.经典力学的局限性
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6.经典力学的局限性
-1-
核心素养培养目标 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.知道质量与速度的关系,知道高 速运动中物体的质量不再是恒定 的。
核心素养形成脉络
课前篇自主预习
自主梳理
自我检测
一、从低速到高速
1.经典力学的基础是牛顿运动定律。牛顿运动定律和万有引力
探究一
探究二
随堂检测
课堂篇探究学习
(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当另一个重要常数即“普朗克常量”可以忽略不计时,量子力学
和经典力学的结论没有区别。
③相对论和量子力学并没有否定经典力学,经典力学是二者在一
定条件下的特殊情形。
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探究一
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3.经典力学与相对论、量子理论的比较 (1)区别。 狭义相 经典力学适用于低速运动的物体;狭义相对论阐述物体在 对论 以接近光速运动时所遵循的规律 量子力 经典力学适用于宏观世界;量子力学能够正确描述微观粒 学 子的运动规律 广义相 经典力学在弱引力的情况下与实验结果符合得很好;爱因 对论 斯坦的广义相对论能够解释强引力情况下的作用规律
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探究一
探究二
随堂检测
知识归纳
1.低速与高速的概念:
(1)低速:远小于光速的速度,通常所见物体的运动速度,如行驶的
汽车、发射的导弹、人造地球卫星及宇宙飞船等物体的运动速度
皆为低速。
(2)高速:有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近,
这样的速度称为高速。
2.速度对质量的影响:
(1)在经典力学中,物体的质量不随速度而变。
探究一
探究二
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知识归纳 1.微观世界:电子、质子、中子等微观粒子的运动规律在很多情 况下不能用经典力学来说明,而量子力学能够正确地描述微观粒子 的运动规律。 2.经典力学的适用范围:只适用于低速运动,不适用于高速运动; 只适用于宏观世界,不适用于微观世界。
探究一
探究二
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(2)爱因斯坦的狭义相对论指出, m=
������0
1−������������22
,其中m0为物体静止时
的质量,m是物体速度为v时的质量,c是真空中的光速。
探究一
探究二
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3.速度对物理规律的影响 (1)对于低速运动问题,一般用经典力学规律来处理。(2)对于高 速运动问题,经典力学已不再适用,需要用狭义相对论知识来处理。 4.位移、时间与参考系的关系 经典力学认为位移和时间的测量与参考系无关,相对论认为,同 一过程的位移和时间的测量与参考系有关,在不同的参考系中测量 结果不同。
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探究一
探究二
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1.(多选)关于经典力学的伟大成就,下列论述正确的是 ( )
A.经典力学第一次实现了对自然界认识的理论大综合
B.经典力学第一次预言了宇宙中黑洞的存在
C.经典力学第一次向人们展示了时间的相对性
D.人们借助于经典力学中的研究方法,建立了完整的经典物理学体
系
解析:经典力学把天上物体和地面上物体的运动统一起来,从力学
定律在宏观、低速、弱引力的广阔区域,包括天体力学的研究中,
经受了实践的检验,取得了巨大的成就。
2.狭义相对论阐述了物体在以接近光的速度运动时所遵从的规
律。
3.在经典力学中,物体的质量是不变的,而狭义相对论指出,质量
要随物体运动速度的增大而增大,即 m=
光速的条件下是统一的。
������0
1−������������22
探究二
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典例剖析 例2关于经典力学、狭义相对论和量子力学,下列说法正确的是
() A.狭义相对论和经典力学是相互对立、互不相容的两种理论 B.经典力学包含于相对论之中,经典力学是相对论的特例 C.经典力学只适用于宏观物体的运动,量子力学只适用于微观粒子
的运动 D.不论是宏观物体,还是微观粒子,经典力学和量子力学都是适用的 解析:相对论没有否定经典力学,经典力学是相对论在一定条件下的
A.0.4c B.0.5c C.0.9c D.1.0c 解析:根据光速不变原理,在任何参照系中测量的光速都是c,D正 确。 答案:D
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探究一
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从宏观到微观 从弱引力到强引力
情景导引 (1)19世纪末和20世纪初,物理学深入到微观世界,发现了电子、 质子、中子等微观粒子,它们的运动规律能完全用经典力学解释吗? (2)“黑洞”是爱因斯坦广义相对论中预言的一种特殊天体。它的 密度极大,对周围的物质(包括光)有极强的吸引力,在研究“黑洞”时, 经典力学还适用吗?如图所示为第一张黑洞照片。 要点提示(1)不能。因为这些微观粒子不仅具有粒子性,同时还具 有波动性,它们的运动规律在很多情况下不能用经典力学来说明。 (2)不适用,经典力学适用于弱引力问题,而“黑洞”问题属于强引力 问题,经典力学不再适用。
特殊情形,选项A错误,B正确。经典力学适用于宏观、低速、弱引力 的领域,量子力学适用于任何大小的物体系统,选项C、D错误。
答案:B
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规律方法 理解相对论和量子力学的两点注意 (1)相对论和量子力学不是科学家的主观臆想,是经过实验证实的, 相对论和量子力学所描述的现象是高速世界、微观世界确实存在 的事实。 (2)理解相对论和量子力学需要增强对高速世界、微观世界的感 性认识,跳出已有的对低速、宏观领域的固有思维和认识。
答案:×
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从低速到高速 情景导引
在经典力学和狭义相对论中,物体的质量有何不同?位移和时间 的测量结果在不同参考系中有何区别?
要点提示在经典力学中,物体的质量不随运动状态的改变而改变, 同一过程的位移和时间的测量结果在不同参考系中是相同的;而在 狭义相对论中,质量要随着物体运动速度的增大而增大,同一过程 的位移和时间的测量结果在不同参考系中是不同的。
上证明了自然界的多样性的统一,第一次实现了人类对自然界认识
的理论大综合。在研究方法上,人们把经典力学中行之有效的实验
与数学相结合的方法推广到物理学的各个分支上,相继建立了热学、
声学、光学、电磁学等,形成了完整的经典物理学体系。综上所述,
应选AD。
答案:AD
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2.A、B、C是三个完全相同的时钟,A放在地面上,B、C分别放在两 个火箭上,以速度vb和vc朝同一方向飞行,vb>vc。在地面上的人看来, 关于时钟快慢的说法正确的是 ( ) A.B钟最快,C钟最慢 B.A钟最快,C钟最慢 C.C钟最快,B钟最慢 D.A钟最快,B钟最慢 解析:根据狭义相对论原理的时间延缓效应可知,速度越大,时钟走 得越慢,选项D正确。 答案:D
经典物理学的结论没有区别。当另一个重要常数即“普朗克常
量”(6.63×10-34 J·s)可以忽略不计时,量子力学和经典力学的结论没
有区别。
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正误辨析 (1)相对论和量子力学的出现,说明经典力学已失去意义。( ) 解析:相对论与量子力学是对高速运动与微观世界的解释,经典力 学对宏观物体的低速运动仍然具有意义。
子力学能够很好地描述微观粒子的运动规律。
2.经典力学的适用范围:只适用于低速运动,不适用于高速运动;
只适用于宏观世界,不适用于微观世界。
三、从弱引力到强引力
1.1915年,爱因斯坦创立了广义相对论,这是一种新的时空与引力
的理论。在强引力的情况下,牛顿的引力理论不再适用。
2.当物体的运动速度远小于光速c(3×108 m/s)时,相对论物理学与
答案:×
(2)原子中电子的运动能用经典力学进行解释。( ) 解析:电子属于微观粒子,它的运动规律不能用经典力学解释。
答案:×
(3)牛顿运动定律适用于低速、宏观的研究领域。( ) 答案:√
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(4)相对论与量子力学的出现否定了经典力学。 ( ) 解析:相对论与量子力学的出现,说明人类对自然界的认识更加广泛 和深入,而不表示经典力学已失去了意义,它只是使人们认识到经典 力学有它的适用范围,经典力学是相对论与量子力学的特例。
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典例剖析
例1 一个原来静止的电子,经电场加速后速度为v=6×106 m/s。问
电子的质量增大了还是减小了?改变了百分之几? 解析:根据爱因斯坦的狭义相对论 m= ������0 ,
1-������������22
得加速后的质量增大了,且
m= ������0 =
1-������������22
������0 ≈1.000 2m0,
1-((63××110068))22
所以改变的百分比为������-������0
������0
×100%=0.02%。
答案:增大了0.02%
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变式训练如图所示,强强乘坐速度为0.9c(c为光速)的宇宙飞船追 赶正前方的壮壮,壮壮的飞行速度为0.5c。强强向壮壮发出一束光 进行联络,则壮壮观测到该光束的传播速度为( )
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,两者在速度远小于
4.经典力学认为位移和时间的测量结果都与参考系无关。相对
论认为,同一过程的位移和时间的测量与参考系有关,在不同的参
考系中是不同的。
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二、从宏观到微观
1.电子、质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性,同时还具有波
动性,它们的运动规律在很多情况下不能用经典力学来说明,而量
-1-
核心素养培养目标 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.知道质量与速度的关系,知道高 速运动中物体的质量不再是恒定 的。
核心素养形成脉络
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一、从低速到高速
1.经典力学的基础是牛顿运动定律。牛顿运动定律和万有引力
探究一
探究二
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(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当另一个重要常数即“普朗克常量”可以忽略不计时,量子力学
和经典力学的结论没有区别。
③相对论和量子力学并没有否定经典力学,经典力学是二者在一
定条件下的特殊情形。
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3.经典力学与相对论、量子理论的比较 (1)区别。 狭义相 经典力学适用于低速运动的物体;狭义相对论阐述物体在 对论 以接近光速运动时所遵循的规律 量子力 经典力学适用于宏观世界;量子力学能够正确描述微观粒 学 子的运动规律 广义相 经典力学在弱引力的情况下与实验结果符合得很好;爱因 对论 斯坦的广义相对论能够解释强引力情况下的作用规律
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知识归纳
1.低速与高速的概念:
(1)低速:远小于光速的速度,通常所见物体的运动速度,如行驶的
汽车、发射的导弹、人造地球卫星及宇宙飞船等物体的运动速度
皆为低速。
(2)高速:有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近,
这样的速度称为高速。
2.速度对质量的影响:
(1)在经典力学中,物体的质量不随速度而变。
探究一
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知识归纳 1.微观世界:电子、质子、中子等微观粒子的运动规律在很多情 况下不能用经典力学来说明,而量子力学能够正确地描述微观粒子 的运动规律。 2.经典力学的适用范围:只适用于低速运动,不适用于高速运动; 只适用于宏观世界,不适用于微观世界。
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(2)爱因斯坦的狭义相对论指出, m=
������0
1−������������22
,其中m0为物体静止时
的质量,m是物体速度为v时的质量,c是真空中的光速。
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3.速度对物理规律的影响 (1)对于低速运动问题,一般用经典力学规律来处理。(2)对于高 速运动问题,经典力学已不再适用,需要用狭义相对论知识来处理。 4.位移、时间与参考系的关系 经典力学认为位移和时间的测量与参考系无关,相对论认为,同 一过程的位移和时间的测量与参考系有关,在不同的参考系中测量 结果不同。
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1.(多选)关于经典力学的伟大成就,下列论述正确的是 ( )
A.经典力学第一次实现了对自然界认识的理论大综合
B.经典力学第一次预言了宇宙中黑洞的存在
C.经典力学第一次向人们展示了时间的相对性
D.人们借助于经典力学中的研究方法,建立了完整的经典物理学体
系
解析:经典力学把天上物体和地面上物体的运动统一起来,从力学
定律在宏观、低速、弱引力的广阔区域,包括天体力学的研究中,
经受了实践的检验,取得了巨大的成就。
2.狭义相对论阐述了物体在以接近光的速度运动时所遵从的规
律。
3.在经典力学中,物体的质量是不变的,而狭义相对论指出,质量
要随物体运动速度的增大而增大,即 m=
光速的条件下是统一的。
������0
1−������������22
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典例剖析 例2关于经典力学、狭义相对论和量子力学,下列说法正确的是
() A.狭义相对论和经典力学是相互对立、互不相容的两种理论 B.经典力学包含于相对论之中,经典力学是相对论的特例 C.经典力学只适用于宏观物体的运动,量子力学只适用于微观粒子
的运动 D.不论是宏观物体,还是微观粒子,经典力学和量子力学都是适用的 解析:相对论没有否定经典力学,经典力学是相对论在一定条件下的
A.0.4c B.0.5c C.0.9c D.1.0c 解析:根据光速不变原理,在任何参照系中测量的光速都是c,D正 确。 答案:D
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从宏观到微观 从弱引力到强引力
情景导引 (1)19世纪末和20世纪初,物理学深入到微观世界,发现了电子、 质子、中子等微观粒子,它们的运动规律能完全用经典力学解释吗? (2)“黑洞”是爱因斯坦广义相对论中预言的一种特殊天体。它的 密度极大,对周围的物质(包括光)有极强的吸引力,在研究“黑洞”时, 经典力学还适用吗?如图所示为第一张黑洞照片。 要点提示(1)不能。因为这些微观粒子不仅具有粒子性,同时还具 有波动性,它们的运动规律在很多情况下不能用经典力学来说明。 (2)不适用,经典力学适用于弱引力问题,而“黑洞”问题属于强引力 问题,经典力学不再适用。
特殊情形,选项A错误,B正确。经典力学适用于宏观、低速、弱引力 的领域,量子力学适用于任何大小的物体系统,选项C、D错误。
答案:B
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规律方法 理解相对论和量子力学的两点注意 (1)相对论和量子力学不是科学家的主观臆想,是经过实验证实的, 相对论和量子力学所描述的现象是高速世界、微观世界确实存在 的事实。 (2)理解相对论和量子力学需要增强对高速世界、微观世界的感 性认识,跳出已有的对低速、宏观领域的固有思维和认识。
答案:×
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从低速到高速 情景导引
在经典力学和狭义相对论中,物体的质量有何不同?位移和时间 的测量结果在不同参考系中有何区别?
要点提示在经典力学中,物体的质量不随运动状态的改变而改变, 同一过程的位移和时间的测量结果在不同参考系中是相同的;而在 狭义相对论中,质量要随着物体运动速度的增大而增大,同一过程 的位移和时间的测量结果在不同参考系中是不同的。
上证明了自然界的多样性的统一,第一次实现了人类对自然界认识
的理论大综合。在研究方法上,人们把经典力学中行之有效的实验
与数学相结合的方法推广到物理学的各个分支上,相继建立了热学、
声学、光学、电磁学等,形成了完整的经典物理学体系。综上所述,
应选AD。
答案:AD
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2.A、B、C是三个完全相同的时钟,A放在地面上,B、C分别放在两 个火箭上,以速度vb和vc朝同一方向飞行,vb>vc。在地面上的人看来, 关于时钟快慢的说法正确的是 ( ) A.B钟最快,C钟最慢 B.A钟最快,C钟最慢 C.C钟最快,B钟最慢 D.A钟最快,B钟最慢 解析:根据狭义相对论原理的时间延缓效应可知,速度越大,时钟走 得越慢,选项D正确。 答案:D
经典物理学的结论没有区别。当另一个重要常数即“普朗克常
量”(6.63×10-34 J·s)可以忽略不计时,量子力学和经典力学的结论没
有区别。
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正误辨析 (1)相对论和量子力学的出现,说明经典力学已失去意义。( ) 解析:相对论与量子力学是对高速运动与微观世界的解释,经典力 学对宏观物体的低速运动仍然具有意义。
子力学能够很好地描述微观粒子的运动规律。
2.经典力学的适用范围:只适用于低速运动,不适用于高速运动;
只适用于宏观世界,不适用于微观世界。
三、从弱引力到强引力
1.1915年,爱因斯坦创立了广义相对论,这是一种新的时空与引力
的理论。在强引力的情况下,牛顿的引力理论不再适用。
2.当物体的运动速度远小于光速c(3×108 m/s)时,相对论物理学与
答案:×
(2)原子中电子的运动能用经典力学进行解释。( ) 解析:电子属于微观粒子,它的运动规律不能用经典力学解释。
答案:×
(3)牛顿运动定律适用于低速、宏观的研究领域。( ) 答案:√
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(4)相对论与量子力学的出现否定了经典力学。 ( ) 解析:相对论与量子力学的出现,说明人类对自然界的认识更加广泛 和深入,而不表示经典力学已失去了意义,它只是使人们认识到经典 力学有它的适用范围,经典力学是相对论与量子力学的特例。
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探究二
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典例剖析
例1 一个原来静止的电子,经电场加速后速度为v=6×106 m/s。问
电子的质量增大了还是减小了?改变了百分之几? 解析:根据爱因斯坦的狭义相对论 m= ������0 ,
1-������������22
得加速后的质量增大了,且
m= ������0 =
1-������������22
������0 ≈1.000 2m0,
1-((63××110068))22
所以改变的百分比为������-������0
������0
×100%=0.02%。
答案:增大了0.02%
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变式训练如图所示,强强乘坐速度为0.9c(c为光速)的宇宙飞船追 赶正前方的壮壮,壮壮的飞行速度为0.5c。强强向壮壮发出一束光 进行联络,则壮壮观测到该光束的传播速度为( )
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,两者在速度远小于
4.经典力学认为位移和时间的测量结果都与参考系无关。相对
论认为,同一过程的位移和时间的测量与参考系有关,在不同的参
考系中是不同的。
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二、从宏观到微观
1.电子、质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性,同时还具有波
动性,它们的运动规律在很多情况下不能用经典力学来说明,而量