【連載】物理：人教版-高中-必修2-經(jīng)典力學(xué)的局限性 教學(xué)設(shè)計(jì) 教案

新課導(dǎo)入

自從17世紀(jì)以來，以牛頓定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)不斷發(fā)展，取得了巨大的成就，經(jīng)典力學(xué)在科學(xué)研究和生產(chǎn)技術(shù)中有了廣泛的應(yīng)用，從而證明了牛頓運(yùn)動(dòng)定律的正確性．

但是，經(jīng)典力學(xué)也不是萬能的，像其他科學(xué)一樣，它也有一定的適用范圍，有自己的局限性．那么經(jīng)典力學(xué)在什么范圍內(nèi)適用呢？有怎樣的局限性呢？這節(jié)課我們就來了解這方面的知識(shí)．

一、經(jīng)典力學(xué)及其局限性

1.基本知識(shí)

（1）從低速到高速

①經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動(dòng)定律，牛頓運(yùn)動(dòng)定律和萬有引力定律在宏觀、低速、弱引力的廣闊區(qū)域，包括天體力學(xué)的研究中，經(jīng)受了實(shí)踐的檢驗(yàn)，取得了巨大的成就．

②狹義相對(duì)論闡述物體以接近光的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)所遵從的規(guī)律．

③在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量是不變的，而狹義相對(duì)論指出，質(zhì)量要隨物體運(yùn)動(dòng)速度的增大而增大，即，兩者在速度遠(yuǎn)小于光速的條件下是統(tǒng)一的．

（2）從宏觀到微觀

①19世紀(jì)末20世紀(jì)初，物理學(xué)研究深入到微觀世界，發(fā)現(xiàn)了電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子，而且發(fā)現(xiàn)它們不僅具有粒子性，同時(shí)還具有波動(dòng)性.20世紀(jì)20年代，量子力學(xué)建立，它能夠正確地描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性，并在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮了重要作用．

②經(jīng)典力學(xué)的適用范圍，只適用于低速運(yùn)動(dòng)，不適用于高速運(yùn)動(dòng)；只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界．

（3）從弱引力到強(qiáng)引力

①1915年，愛因斯坦創(chuàng)立了廣義相對(duì)論，這是一種新的時(shí)空與引力的理論．在強(qiáng)引力的情況下，牛頓引力理論不再適用．

②當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速c(3×108 m/s)時(shí)，相對(duì)論物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別．

2．思考判斷

（1）洲際導(dǎo)彈的速度有時(shí)可達(dá)到6 000 m/s，此速度在相對(duì)論中屬于高速．(×)

（2）質(zhì)量是物體的固有屬性，任何時(shí)候都不會(huì)變．(×)

（3）對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的物體，它的質(zhì)量隨著速度的增加而變大．(√)

探究交流

（1）牛頓第二定律屬經(jīng)典力學(xué)理論，它在高速世界還適用嗎？

（2）相對(duì)論、量子力學(xué)否定了經(jīng)典力學(xué)嗎？

【提示】

（1）在高速世界中，物體的質(zhì)量隨著速度的增加而變大，物體的加速度不一定與它所受的外力成正比，牛頓第二定律不再適用．

（2）相對(duì)論、量子力學(xué)沒有否定經(jīng)典力學(xué)，經(jīng)典力學(xué)是相對(duì)論、量子力學(xué)在一定條件下的特例.

二、速度對(duì)質(zhì)量的影響

【問題導(dǎo)思】　

1．低速、高速是如何界定的？

2．物體在高速狀態(tài)下，質(zhì)量與速度是什么關(guān)系？

3．速度對(duì)物理規(guī)律有什么影響？

1．低速與高速的概念

（1）低速：遠(yuǎn)小于光速的速度為低速，通常所見物體的運(yùn)動(dòng)，如行駛的汽車、發(fā)射的導(dǎo)彈、人造地球衛(wèi)星及宇宙飛船等物體的運(yùn)動(dòng)皆為低速運(yùn)動(dòng)．

（2）高速：有些微觀粒子在一定條件下其速度可以與光速相接近，這樣的速度稱為高速．

2．速度對(duì)質(zhì)量的影響

（1）在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量不隨速度而變．根據(jù)牛頓第二定律F＝ma知，物體在力F作用下做勻變速運(yùn)動(dòng)，只要時(shí)間足夠長，物體的運(yùn)動(dòng)速度就可以增加到甚至超過光速c.

（2）愛因斯坦的狹義相對(duì)論指出，物體的質(zhì)量隨速度的增大而增大，即

其中m0為物體靜止時(shí)的質(zhì)量，m是物體速度為v時(shí)的質(zhì)量，c是真空中的光速．在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量的測量是與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)密切相關(guān)的．

3．速度對(duì)物理規(guī)律的影響

對(duì)于低速運(yùn)動(dòng)問題，一般用經(jīng)典力學(xué)規(guī)律來處理．對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)問題，經(jīng)典力學(xué)已不再適用，需要用相對(duì)論知識(shí)來處理．

1．狹義相對(duì)論中，物體在靜止時(shí)質(zhì)量最小，隨著運(yùn)動(dòng)速度的增加，它的質(zhì)量也在不斷變大，對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)物體，牛頓定律已不再適用．

2．根據(jù)相對(duì)論的質(zhì)速關(guān)系，若某物體的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到光速c，它的質(zhì)量應(yīng)是無窮大，這顯然不符合事實(shí)，光速c是所有物體的最大速度．

例：一個(gè)原來靜止的電子，經(jīng)電壓加速后，獲得的速度v＝6×106 m/s.關(guān)于電子的質(zhì)量的變化，下列說法正確的是(　　)

A．不變　　　　　　　B．減少

C．增大了0.02%   D．增大了0.2%

【審題指導(dǎo)】　電子的速度6×106 m/s已接近光速，由愛因斯坦狹義相對(duì)論可知，電子的質(zhì)量將有所增加，越接近光速越顯著．

【答案】　C

誤區(qū)警示

物體的質(zhì)量與速度的關(guān)系

從愛因斯坦的相對(duì)論可知：物體的速度越大，它的質(zhì)量就越大．當(dāng)物體的速度遠(yuǎn)小于光速時(shí)，其質(zhì)量的變化可以忽略；當(dāng)物體的速度接近光速時(shí)，質(zhì)量變化將很明顯，其質(zhì)量變化不可忽略．

三、經(jīng)典力學(xué)與相對(duì)論、量子力學(xué)的比較

【問題導(dǎo)思】　

1．經(jīng)典力學(xué)與量子力學(xué)的適用范圍一樣嗎？

2．在經(jīng)典力學(xué)與相對(duì)論中，速度對(duì)質(zhì)量有什么影響？

3．經(jīng)典力學(xué)與相對(duì)論、量子力學(xué)有什么聯(lián)系？

例：以下說法正確的是(　　)

A．經(jīng)典力學(xué)理論普遍適用，大到天體，小到微觀粒子均適用

B．經(jīng)典力學(xué)理論的成立具有一定的局限性

C．在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變而改變

D．相對(duì)論與量子力學(xué)否定了經(jīng)典力學(xué)理論

【答案】　BC

四、光速不變原理的應(yīng)用

例：設(shè)某人在以速度0.5c飛行的飛船上打開一個(gè)光源，則下列說法正確的是(　　)

A．飛船正前方地面上的觀察者看到這一光速為1.5c

B．飛船正后方地面上的觀察者看到這一光速為0.5c

C．在垂直飛船前進(jìn)方向地面上的觀察者看到這一光速是0.5c

D．在地面上任何地方的觀察者看到的光速都是c

【答案】　D

規(guī)律總結(jié)

1．光速不變原理：愛因斯坦的狹義相對(duì)論指出，在一切慣性參考系中，測量到的真空中的光速c都一樣，即光在所有的慣性參考系中的傳播速度均是光速．

2．速度合成的關(guān)系式v船岸＝v船水＋v水岸只適用于低速運(yùn)動(dòng)的慣性參考系，對(duì)于接近光速的高速運(yùn)動(dòng)物體，該關(guān)系式已不再適用，此時(shí)應(yīng)根據(jù)光速不變原理去解決問題．

本節(jié)學(xué)習(xí)了經(jīng)典力學(xué)的局限性：

（1）從低速到高速：在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量m是不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的，而狹義相對(duì)論指出，質(zhì)量要隨著物體的運(yùn)動(dòng)速度的增大而增大。即

（2）從宏觀到微觀：相對(duì)論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，并不說明經(jīng)典力學(xué)失去了意義，只說明它有一定的適用范圍：只適用于低速運(yùn)動(dòng)，不適用于高速運(yùn)動(dòng)；只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界。

（3）從弱引力到強(qiáng)引力：相對(duì)論物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別．相對(duì)論與量子力學(xué)都沒有否定過去的科學(xué)，而只是認(rèn)為科學(xué)在一定條件下有其特殊性，經(jīng)典力學(xué)只適用于弱引力，不適用于強(qiáng)引力。

第六節(jié)   經(jīng)典力學(xué)的局限性

1、從低速到高速    經(jīng)典力學(xué)只適用于低速運(yùn)動(dòng)

2、從宏觀到微觀    經(jīng)典力學(xué)只適用于宏觀物體

3、從弱引力到強(qiáng)引力    萬有引力定律只適用于弱引力