物理人教必修2导学案：6.3经典力学的局限性.doc

经典力学的局限性（预习案）
【预习目标】
1.查阅资料了解经典力学在科学研究和生产技术中的广泛应用。
2.知道质量与速度的关系，知道高速运动中必须考虑速度对质量的影响。
【预习内容】
1．相对论给出了物体在 状态下所遵循的规律，量子力学给出了 世界所遵循的规律，爱因斯坦引力理论解决了 作用下的相关问题，而经典力学只适用于 ，不适用于 。
2．在经典力学中，物体质量不随 而改变，而在狭义相对论中，质量要随物体 。
【预习自测】
1．20世纪初，著名物理学家爱因斯坦提出了 ，改变了经典力学的一些结论．在经典力学中，物体的质量是 的，而相对论指出质量随着速度变化而 。
2．20世纪初期，建立了 ，它能够正确地描述微观粒子的运动规律。
3．经典力学只适用于解决 问题，不能用来处理 问题。
【我的疑惑】

【知识链接】
（1）狭义相对论
1905年，爱因斯坦发表了他的狭义相对论。
物质在相互作用中作永恒的运动，没有不运动的物质，也没有无物质的运动，由于物质是在相互联系，相互作用中运动的，因此，必须在物质的相互关系中描述运动，而不可能孤立的描述运动。也就是说，运动必须有一个参考物，即必须在某一个参考系下描述运动。
伽利略曾经指出，运动的船与静止的船上的运动不可区分，也就是说，当你在封闭的船舱里，与外界完全隔绝，那么即使你拥有最发达的头脑，最先进的仪器，也无从感知你的船是匀速运动，还是静止。更无从感知速度的大小，因为没有参考。比如，不知道整个宇宙的整体运动状态，因为宇宙是封闭的。爱因斯坦将其引用，作为狭义相对论的第一个基本原理：狭义相对性原理。其内容是：惯性系之间完全等价，不可区分。
　　著名的麦克尔逊--莫雷实验彻底否定了光的以太学说，得出了光与参考系无关的结论。也就是说，无论你站在地上，还是站在飞奔的火车上，测得的光速都是一样的。这就是狭义相对论的第二个基本原理，光速不变原理。
由这两条基本原理可以直接推导出相对论的坐标变换式，速度变换式等所有的狭义相对论内容。比如速度变换，与传统的法则相矛盾，但实践证明是正确的，比如一辆火车速度是10m/s，一个人在车上相对车的速度也是10m/s，地面上的人看到车上的人的速度不是20m/s，而是(20-10-15))m/s左右。在通常情况下，这种相对论效应完全可以忽略，但在接近光速时，这种效应明显增大，比如，火车速度是0.99倍光速，人的速度也是0.99倍光速，那么地面观测者的结论不是1.98倍光速，而是0.999949倍光速。车上的人看到后面的射来的光也没有变慢，对他来说也是光速。因此，从这个意义上说，光速是不可超越的，因为无论在那个参考系，光速都是不变的。速度变换已经被粒子物理学的无数实验证明。正因为光的这一独特性质，因此被选为四维时空的唯一标尺。
（2）广义相对论
1915年，爱因斯坦发表了他的广义相对论。他解释了引力作用和加速度作用没有差别的原因。他还解释了引力是如何和时空弯曲联系起来的，利用数学，爱因斯坦指出物体使周围空间、时间弯曲，在物体具有很大的相对质量（例如一颗恒星）时，这种弯曲可使从它旁边经过的任何其它事物(即使是光线)改变路径。
广义相对论指出，时空曲率将产生引力。当光线经过一些大质量的天体时，它的路线是弯曲的，这源于它沿着大质量物体所形成的时空曲率。因为黑洞是极大的质量的浓缩，它周围的时空非常弯曲，即使是光线也无法逃逸。
（3）虫洞
理论上，虫洞是一个黑洞，它的质量非常大，把时空弯曲进了它自身之中，它的口开向宇宙的另一个空间及时间，或者也许完全进入另一个宇宙空间。也许能够利用虫洞建立一个时间旅行机器，但许多科学家们指出这个机器不可能重返到它自身被创建的时间之前。

探究案
【学习目标】
1. 牛顿运动定律的适用范围。
2. 高速运动的物体，速度和质量之间的关系。
【学习重点】牛顿运动定律的适用范围。
【学习难点】高速运动的物体，速度和质量之间的关系。
【方法指导】自主阅读、合作探究。
【自主探究】
一 、从低速到高速
1． 物体的质量与运动速度有关
在经典力学中，物体的质量是不随运动状态改变的。但是，按照爱因斯坦建立的狭义相对论，质量要随物体运动速度的增大而增大。物体的质量与运动速度的关系是
式中m0是物体 质量，m是物体 时的质量，c是 。
可见，当v＜＜c时，m≈m0；当v趋近于c时，m趋近于无穷大。因此，当物体的速度 ，经典力学完全适用；当物体的速度 ，经典力学就不适用了。

例1． 地球以3×104m/s的速度绕太阳公转时，它的质量增大到静止质量的多少倍？如果物体的速度达到0.8c (c为真空中的光速)，它的质量增大到静止质量的多少倍？

2． 经典力学中速度叠加原理不再成立
一条河流中的水以相对河岸的速度v水岸流动，河中的船以相对于河水的速度v船水顺流而下．在经典力学中，船相对于岸的速度即为v船岸=v船水+v水岸。
经验告诉我们，这简直是天经地义的．但是，仔细一看，这个关系式涉及两个不同的惯性参考系，而速度总是与位移(空间长度)及时间间隔的测量相联系．在牛顿看来，位移和时间的测量与参考系无关，正是在这种时空的观念下，上式才成立．然而，相对论认为，同一过程的位移和时间的测量在不同的参考系中是不同的，因而上式不能成立，经典力学也就不再适用了。
二、从宏观到微观
问题1：同学们阅读教材“从宏观到微观”部分，并思考经典力学是适用于宏观物体还是微观物体？

问题2：相对论和量子力学的出现，是否表示经典力学失去了意义?

三、从弱引力到强引力
问题1：实际的天文观测，行星的运行轨道并不是严格闭合的，它们的近日点在不断地旋进．经典力学的解释令人满意吗?用什么理论来圆满地进行了解释?

问题2：历史上的科学成就与新的科学成就的关系是什么?

总结：牛顿运动定律的适用范围？

【课后作业】
1.认真阅读教材，认识到物理中的结论和规律一般都有其适用范围，认识知识的变化性和无穷性，培养献身于科学的时代精神。
2.请完成教材P53页第1、2题。

训练案
1.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，不适用于与高速运动（速度接近于真空中的光速）
B．狭义相对论只适用于高速运动（速度接近于真空中的光速），不适用于低速运动
C．经典力学既适用于低速运动，也适用与高速运动（速度接近于真空中的光速）
D．狭义相对论既适用于高速运动（速度接近于真空中的光速），也适用于低速运动
2.相对论告诉我们，物体运动时的质量与其静止时的质量相比：（ ）
A.运动时的质量比静止时的质量大 B.运动时的质量比静止时的质量小
C.运动时的质量与静止时的质量相等 D.是两个不同的概念无法比较
3. 经典力学不能适用下列哪些运动（ ）
A.火箭的发射 B.宇宙飞船绕地球的运动
C.“勇气号”宇宙探测器 D.微观粒子的波动性
4.日常生活我们并没发现物体的质量随物体的运动的速度变化而变化，其原因是（ ）
A.运动中物体无法称量质量 B.物体的速度远小于光速，质量变化极小
C.物体的质量太大 D.物体的质量不随速度的变化而变化
5.以下关于物体的质量的说法中正确的是（ ）
A．质量是物体固有的属性，其大小与物体运动的速度无关
B．只有当物体运动的速度远小于光速时，才可以认为质量不变
C．只有当物体运动的速度远小于光速时，物体的质量才增大
D．物体速度大，说明受力大，同时物体的质量也增大
6．相对论给出了物体在 状态下所遵循的规律，量子力学给出了 世界所遵循的规律，爱因斯坦引力理论解决了 作用下的相关问题，而经典力学只适用于 ，不适用于 。
7. 如果真空中的光速为c＝3×108m/s，当一个物体的运动速度为v1＝2.4×108 m/s时，质量为3kg，当它的速度为v2＝1.8×108m/s时，质量为多少？