1、6.经典力学的局限性 知识导图 核心素养物理观念：了解经典力学的发展历程和伟大成就科学思维：(1)知道经典力学的局限性和适用范围(2)知道速度对质量的影响及光速不变原理科学态度与责任：了解科学理论的相对性，体会科学理论是不断发展和完善的知识点一 经典力学1经典力学的成就经典力学的基础是牛顿运动定律，在低速、宏观、弱引力的广阔领域，经典力学取得了巨大的成就研究方法的代表伽利略的“自然数学法”和牛顿的“归纳演绎法”推动了物理、数学和哲学的发展天体力学、材料力学和结构力学等得到了广泛的应用18 世纪 60 年代，力学和热力学的发展及应用，引发了第一次工业革命主要成就动量守恒定律、机械能守恒定律等是航
2、空航天技术的理论基础2.经典力学的局限性20 世纪 20 年代，建立了量子力学，它正确描述了微观粒子的运动规律，并在现代科学技术中发挥了重要作用；爱因斯坦的广义相对论表明，在强引力的作用下，牛顿的引力理论将不再适用；相对论和量子力学都没有否定经典力学，而是认为经典力学是相对论力学在低速情况下的近似经典力学的局限性经典力学只适用于解决低速运动问题，不能用来处理高速运动问题：经典力学只适用于宏观物体，一般不适用于微观粒子；经典力学只适用于解决弱引力问题，不能用来处理强引力问题举例：(1)v0.8c 时，物体的质量约增大到自身静止时质量的 1.7倍，这时经典力学就不再适用了(2)当地球以约 v30
3、km/s 的速度绕太阳公转时，它的质量增大的量十分微小，可以忽略不计，经典力学完全适用知识点二 从低速到高速阅读教材第 4849 页“从低速到高速”部分，回答下列问题1低速与高速的概念(1)通常所见的物体运动皆为低速运动，如行驶的汽车和发射的导弹、人造卫星及宇宙飞船等(2)有些微观粒子在一定条件下的速度可以与光速相接近，这样的速度称为高速2速度对质量的影响在经典力学中，物体的质量是的，而狭义相对论指出，质量要随物体运动速度的增大而，即 mm01v2c2，两者在速度光速的条件下是统一的不变增大远小于相对论和量子力学的出现，说明人类对自然界的认识更加广泛和深入，而不表示经典力学失去了意义，这只是使
4、人们认识到经典力学有它的适用范围知识点三 从宏观到微观，从弱引力到强引力阅读教材第 5051 页“从宏观到微观”和“从弱引力到强引力”部分，回答下列问题1从宏观到微观(1)宏观世界粒子的运动特点粒子具有确定的运动轨迹，根据质点的运动规律，应用牛顿力学可以准确地预测质点在某时刻的位置(2)微观粒子的运动特点就单个粒子来说，运动没有确定的运动轨迹，微观粒子既有粒子性，又有波动性(3)经典力学有它的适用范围只适用于运动，不适用于运动，只适用于世界，不适用于世界低速高速宏观微观2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
5、再(2)当物体的运动速度远小于光速 c(3108 m/s)时，相对论物理学与经典物理学的结论没有当另一个重要常数即“普朗克常量”(6.631034 Js)可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有适用区别区别【活学活用】(1)在经典力学中，物体的质量随物体的运动状态变化而改变()(2)在经典力学中，同一物理过程发生的位移和对应时间的测量结果在不同的参考系中是不同的()(3)在狭义相对论中，物体的质量随物体的速度的增大而增大()(4)在狭义相对论中，同一物理过程发生的位移和对应时间的测量结果在不同的参考系中是不同的()(5)在一切惯性参考系中，测得的真空中的光速 c 是相同的()学习任务一 物
6、体的质量与速度的关系1物体的质量与速度的关系从爱因斯坦的相对论可知：物体的速度越大，它的质量就越大即mm01v2c2.当物体的速度远小于光速时，其质量的变化可以忽略；当物体的速度接近光速时，质量变化将很明显，其质量变化不可忽略2速度对物理规律的影响对于低速运动问题，一般用经典力学规律来处理对于高速运动问题，经典力学已不再适用，需要用相对论知识来处理【例 1】日常生活中我们并没有发现物体的质量随物体速度的变化而变化，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【解析】物体的质量与速度有关，即 mm01v2c2，但日常生
7、活中所接触的物体的速度 v 远小于光速 c，故 m 与 m0 相差极小【答案】B由 mm01v2c2可知，若某物体的运动速度达到光速 c，则它的质量应是无穷大，这显然不符合事实，所以物体的速度不可能达到光速变式训练 1(多选)对于公式 mm01v2c2，下列说法正确的是()A式中的 m0 是物体以速度 v 运动时的质量B当物体的运动速度 v0 时，物体的质量 mm0，即物体的质量改变了，故经典力学不适用，是不正确的C当物体以较小速度运动时，质量变化十分微弱，经典力学理论仍然适用，只有当物体以接近光速运动时，质量变化才明显，故经典力学适用于低速运动，而不适用于高速运动D通常由于物体的运动速度太小
8、，因此质量的变化引不起我们的感觉在分析地球上物体的运动时，不必考虑质量的变化解析：公式 mm01v2c2中，m0 为物体静止的质量，m 是物体速度为 v 时的质量，故 A 错；当 v 接近光速时，经典力学不适用，B 错误；物体速度远小于光速时，质量的变化可以忽略不计，即经典力学适用于低速运动，不适用于高速运动，C 正确；地球上的物体运动速度一般比较小，经典力学适用，D 正确答案：CD一切科学的发展都是人们主动认识世界的过程，而每个人的研究又都是建立在前人的基础上，通过自己的努力去发展和提高科学的成就总是在某些条件下的局部形成，在新的科学成就形成后，它将被包括在其中爱因斯坦的相对论并没有否定牛顿
9、力学的理论，而是把它看成是在一定条件下的特殊情形学习任务二 经典力学、相对论与量子力学的比较1经典力学与相对论、量子力学的比较经典力学相对论、量子力学形成时期物理学形成的初期阶段，受历史发展限制，理论具有一定的局限性形成于物理学充分发展的现代，理论性较科学适用范围低速运动、宏观世界、弱相互作用适用范围更广(高速运动、微观世界、强相互作用下同样适用)速度对质量的影响物体的质量不随其速度的变化而变化物体的质量随速度的增大而增大参考系的选取对位移和时间测量的影响同一过程的位移和时间的测量与参考系无关同一过程的位移和时间的测量与参考系有关且在不同参考系中测量结果不同2.联系(1)当物体的运动速度远小于
10、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【例 2】(多选)关于经典力学、狭义相对论和量子力学，下面说法中正确的是()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在物体高速运动时，物体的运动规律服从狭义相对论理论，在低速运动时，物体的运动服从牛顿定律C经典力学适用于宏观物体的运动，量子力学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】相对论并没有否定经典力学，而是认为经典力学是相对论理论在一定条件下的特殊情况，选项 A 错误；经典力学适用于宏观物体的低速
11、运动，对于微观粒子的高速运动问题经典力学不再适用，但相对论、量子力学适用，故选项 B、C 正确，选项 D 错误【答案】BC变式训练 2 关于经典力学和相对论，下列说法正确的是()A经典力学和相对论是各自独立的学说，互不相容B相对论是在否定了经典力学的基础上建立起来的C相对论和经典力学是两种不同的学说，二者没有联系D经典力学包含于相对论之中，经典力学是相对论的特例解析：当物体的运动速度远小于光速 c(3108 m/s)时，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别，而当接近光速时，经典力学不再适用，相对论不是对经典力学的否定，而只是认为经典力学是相对论在一定条件下的特殊情形所以选项 A、B、C 错误
12、答案：D1.下列说法正确的是()A经典力学适用于任何情况下的任何物体B狭义相对论否定了经典力学C量子力学能够描述微观粒子运动的规律D万有引力定律也适用于强相互作用力解析：经典力学只适用于宏观、低速、弱引力的情况，A 错误；狭义相对论没有否定经典力学，在宏观、低速情况下，相对论的结论与经典力学没有区别，B 错误；量子力学能很好地描述微观粒子运动的规律，C 正确；万有引力定律只适用于弱相互作用力，而不适用于强相互作用力，D 错误答案：C2下列说法正确的是()A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
13、力学并不等于牛顿运动定律，牛顿运动定律只是经典力学的基础；经典力学并非万能，也有其适用范围，并不能解决自然界中的所有问题，没有哪个理论可以解决自然界中的所有问题因此只有搞清牛顿运动定律和经典力学的隶属关系，明确经典力学的适用范围才能正确解决此类问题答案：B3.关于经典力学和量子力学，下列说法中正确的是()A不论是对宏观物体，还是微观粒子，经典力学和量子力学都是适用的B量子力学适用于宏观物体的运动；经典力学适用于微观粒子的运动C经典力学适用于宏观物体的运动；量子力学适用于微观粒子的运动D上述说法都是错误的解析：经典力学适用于低速运动、宏观物体，不适用于高速运动、微观粒子量子力学既适用于宏观物体，
14、也适用于微观物体，故选项 C 正确答案：C4(多选)物理学的发展丰富了人类对物质世界的认识，推动了科学技术的创新和革命，促进了物质生产的繁荣与人类文明的进步下列表述正确的是()A牛顿发现了万有引力定律B牛顿通过实验证实了万有引力定律C相对论的创立表明经典力学已不再适用D爱因斯坦建立了狭义相对论，把物理学推进到高速领域解析：万有引力定律是牛顿发现的，但在实验室里加以验证是卡文迪许进行的，A 对、B 错相对论并没有否定经典力学，经典力学对于低速、宏观运动仍适用，C 错狭义相对论的建立，是人类取得的重大成就，从而把物理学推到更高领域，D 对答案：AD5下列说法正确的是()A在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变，在狭义相对论中，物体的质量也不随运动状态而改变B狭义相对论和经典力学是完全不同相互矛盾的两个理论C物体高速运动时，物体的运动服从狭义相对论，在低速运动时，物体的运动服从牛顿运动定律D以上说法都是错误的解析：在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变，在狭义相对论中，物体的质量随物体运动速度的增大而增大，选项A 错误；狭义相对论没有否定经典力学，经典力学是狭义相对论在一定条件下的特殊情形，选项 B 错误；经典力学适用于低速运动的物体，狭义相对论阐述物体在以接近光速运动时所遵循的规律，选项 C 正确答案：C