1、物理粤教修2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课前自主预习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答案：牛顿2. 经典力学的应用受到物体运动速率的限制，即其只适用于处理 运动的物体不适用于 领域中物质结构和能量不连续的现象答案：低速 微观3. 凡是牛顿运动定律成立的参考系就称为 ，简称 ；而牛顿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 答案：惯性参考系 惯性系 非惯性系 等效的4. 相对论时空观的两个基本假设：第一是 ，
2、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 答案：相对性原理 光速不变原理 相对性 变慢 缩短 增大5. (单选) 牛顿运动定律适用于下列哪种情形（ ）A 研究原子中电子的运动B 研究“神舟”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解析:经典力学适用于宏观、低速等区域，故BCD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。答案: A课堂互动探究图5-1-1知识点1 经典力学的成就与局限性新知探究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，同时也是物理学家、数学家和哲学家
3、，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测者的运动无关，物质间相互作用的传递是瞬时到达的；其二是一切可观测的物理量在原则上可以无限精确地加以测定。重点归纳一、经典力学的发展历程1伽利略之前人们
4、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科学(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重要基础的物理学家有：(1)伽利略：发现了惯性定律、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重要基础的物理学家有：(1)伽利略：发现了惯性定律、落体定律和力学相对性原理，奠定了动力学的基础(2)笛卡
5、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，采用了归纳与演绎、 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(1)19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了牛顿运动定律，形成了分析力学(2)
6、经典力学由单个质点推广到多质点构成的系统：首先建立了刚体力学，随后又出现了弹性力学、塑性力学、流体力学等二、经典力学的伟大成就1经典力学把天上物体和地上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科学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，成为现代高度发达的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420世纪以来，出现了
7、更多的与经典力学相结合的交叉学科三、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成立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（单选）20世纪以来，人们
8、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人们应当不断的扩展认识，在更广阔的领域内掌握不同事物的本质与规律解析：选A.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，所以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
9、新的科学在一定条件下的特殊情形答案：A触类旁通1. (单选) 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所有问题D经典力学可以解决自然界中所有问题解析：经典力学包括的内容分为力、热、电、光、原五大部分经典力学是以牛顿定律为基础的答案：B 知识点2 经典时空观与相对论时空观新知探究图5-1-2阿尔伯特爱因斯坦(Albert Einstein)，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。同时也是一位著名的思想家和哲学家。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
10、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。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（Special Relativity）和广义相对论（General Relativity）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中（非惯性系），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。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
11、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。狭义相对论提出于1905年，广义相对论提出于1915年（爱因斯坦在1915年末完成广义相对论的创建工作，在1916年初正式发表相关论文）。重点归纳一、经典时空观1惯性系与非惯性系定义：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概述：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)概述：绝对的真实的数学时间,就其本质而言，是永远均匀地流逝，与任何外
12、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 同时的绝对性 时间间隔的绝对性 空间距离的绝对性空间是绝对静止不动的(即绝对空间)，时间是绝对不变的(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是三维欧几里得空间，时间是一维的，空间和时间彼此独立二、相对论时空观1狭义相对论的两个假设(1)在不同的惯性参考系中，一切物理规律都相同相对性原理(2)不管在哪个惯性系中，测得的真空中的光速都相同光速不变原理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
13、论(1)“同时”的相对性；对于光速不变的原理的证明，首先对“同时”这个概念进行了研究：在一个惯性系中同时发生两个事件，在另一个惯性系中可能是不同时的，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，效果越明显即运动的时钟变慢在运动参考系中的时间节奏变缓慢了.(一切物理过程、化学过程乃至观察者自己的生命节奏均变慢了)日常生活中的时间延缓效应可以忽略，在运动速度接近光速时,则变得特别重要(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，而在垂直于运动方向上，杆的长度没有变化. (4)物体质量随速度的增加而增大物体运动时
14、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(单选) 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)狭义相对论的相对性原理：一切彼此做匀速直线运动的惯性参考系，对于描写运动的一切规律来说都是等价的；(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.（单选）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()A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
15、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：日常生活中见到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选项正确答案：B方法技巧易错易混实验透视易错易混忽略经典力学与相对论的适用范围经典力学的适用范围是低速宏观的物体；相对论的适用范围是高速运动的物体，这个速度接近光的速度【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物体的速度越大，物体的质量越大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，
16、不知道选项C、D到底哪一个正确正解：只有在参考系的速度与光速相接近时，相对论才是成立的，当物体的速度远远小于光速时，尽管速度增加，物体的长度、质量以及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(单选) 对时间、空间的理解，下列说法正确的是( )A时间均匀流逝，与外界无关B空间从不运动，永远不变，与外界任何事物无关C一个事件的发生所用的时间，在不同参考系里测量是不一样的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，
17、C是相对论时空观的观点答案：C随堂练习一、单项选择题1某人坐在匀速行驶或静止的汽车中，下列描述正确的是( C )A当他以初速度v0竖直向上抛出一小球，观察到小球仍落到抛出点上这就说明汽车在做匀速运动B当他观察到车顶上的雨滴做自由落体运动，则说明汽车做匀速运动C当他观察到公路旁的大树做匀速运动，则说明汽车做匀速运动D无论选取车内或车外的任何物体作参考系，都无法判断汽车是静止还是匀速运动解析：由伽利略相对性原理，选汽车内任何物体为参考物，均无法判断汽车做匀速运动或静止，只有选汽车以外的参考物才可以区分汽车匀速运动或静止2尺缩效应是指( B )A与尺子一起运动的观察者发现沿运动方向的尺子比静止时要短
18、B地面上静止的观察者发现沿运动方向的尺子比静止时要短C运动和静止的观察者均发现尺子比静止时短D静止的人用来测量运动物体长度时尺子比正常时要短3光在真空中的光速为c，一光束以很高的速度在真空中向西运动，某时刻发生一次闪光，经过1 s时间，该次闪光向东传播的距离是( C )A大于c B小于cC等于c D无法确定解析：由光速不变原理可知选项C对二、双项选择题4以下说法正确的是( BC )A经典力学理论运用范围广，大到天体，小到微观粒子均适用B经典力学理论的成立具有一定的局限性C在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变D相对论与量子力学否定了经典力学理论解析：经典力学具有一定的局限性，只适用于宏观的
19、低速物体，在经典物理中，质量是不随运动状态的变化而变化，在相对论中，物体质量随速度的增大而增大5牛顿运动定律适用于下列哪些情况( AC )A人造地球卫星绕地球运动 B研究氢原子的运动C大气的流动，地壳的变动 D研究原子中电子的运动6许多科学家在物理学发展过程中作出了卓越的贡献，下列描述中正确的是( AC )A卡文迪许用扭秤测定万有引力常量B奥斯特发现磁生电现象C开普勒发现行星运动的规律D伽利略通过斜坡实验提出了惯性定律解析：奥斯特实验中发现了电生磁现象，伽利略实验总结出了力不是维持物体运动的原因，牛顿在此基础上，通过归纳总结提出了牛顿第一定律也叫惯性定律课后巩固提升一、单项选择题1甲、乙、丙三
20、人各乘一个热气球，甲看到楼房匀速上升，乙看到甲匀速上升，丙看到甲匀速下降，那么，从地面上看，下列各种可能性情况错误的是( A )A甲、乙匀速下降，v甲v乙，丙停在空中B甲、乙匀速下降，v甲v乙，丙停在空中C甲、乙匀速下降，v甲v乙，丙匀速上升D甲、乙、丙均匀速下降，且v丙v甲L2，而光速是不变的，故光源到后壁的距离大于到前壁的距离，所以在车上人观察到闪光先到达前壁5一根杆沿着车厢运动的方向固定在火车上，和车一起运动在火车上的人看来，杆是静止的，测得杆长为L，地面上的人认为车是运动的，测得杆长为L，则下列说法中正确的是( B )A地面上的人与车上的人测得杆长相等，即LLB地面上的人与车上的人测得
21、杆长不相等，即LLC地面上的人与车上的人测得杆长不相等，即LLD测得的长度无法比较解析：运动物长度变短6地面上A、B两个事件同时发生如图511所示，对于坐在火箭中沿两个事件发生地点A、B连线飞行的人来说，哪个事件先发生( B )图511AA事件 BB事件CA、B事件同时发生 D无法确定解析：以地面为参考系，A、B两事件同时发生，即如在A、B连线的中点放一时钟，将同时接收到来自A、B的信号，设想该时钟以与火箭相同的速度飞行，则先接收到来自B的信号，后接收到来自A的信号，即以火箭(或火箭上的人)为参考系，B事件先发生二、双项选择题7下列哪些观点是正确的( BD )A在经典力学中，物体的质量是随物体
22、运动状态的改变而改变的B以牛顿运动定律为基础的经典力学理论具有局限性它只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观物体，不适用于微观物体C相对论与量子力学的出现否定了经典力学理论D伽利略的“自然数学化”的方法和牛顿的“归纳演绎法”是经典力学方法的典型8为经典物理学的建立作出重要贡献的科学家除了我们熟知的牛顿、伽利略和哥白尼外，还有( AB )A开普勒 B笛卡儿 C列宁 D爱因斯坦9运用相对论时空观，关于质量和长度，下列说法中正确的是( BD )A物体的质量与位置、运动状态无任何关系，是物质本身属性B物体的质量与位置、运动状态有关，只是在速度较低的情况下，变化忽略不计C物体的长度与运动状态无
23、关，是物质本身的属性D物体的长度与运动状态有关，只是在速度较低的情况下，变化忽略不计解析：由相对论时空观，物体速度越快，质量越大，长度越短10下列说法中正确的是( BC )A伽利略相对性原理表明，对于两个做匀速直线运动的惯性系来说，我们可以简单地判断，惯性系处于绝对静止或者是绝对运动状态B伽利略相对性原理表明，对于两个做匀速直线运动的惯性系来说，我们不可能判断哪个惯性系处于绝对静止或绝对运动状态C伽利略相对性原理实质上指出了在惯性运动的范围内不存在绝对空间和绝对运动D伽利略相对性原理实际上指出了在惯性运动范围内存在绝对空间和绝对运动11关于参考系，下列说法正确的是( AC )A要描述一个物体的
24、运动，必须选择一个参考系B用相对论观点描述一个物体运动不需要参考系C凡是牛顿运动定律成立的参考系，都是惯性参考系D所有相对惯性系做匀加速直线运动或匀速直线运动的参考系都是惯性参考系12在匀速上升的升降机的顶板上，有一个螺帽自然脱落，下列对螺帽的运动情况的描述，正确的是( AD )A相对于升降机螺帽做自由落体运动B相对于升降机螺帽做竖直上抛运动C相对于地面螺帽做自由落体运动D相对于地面螺帽做竖直上抛运动13关于经典力学的绝对时空观，下列说法正确的是( CD )A时间和空间是相互联系和影响的B同时发生的事件在不同参考系中不同时C在任何参考系中测量的时间间隔和空间距离都是相同的D物体的质量是恒定不变的解析：经典力学的时空观具有以下结论，时间绝对性、空间绝对性、时间间隔绝对性和质量不变
