【連載】物理：人教版-高中-必修2-經(jīng)典力學的局限性 教學設計 教案

新課導入

自從17世紀以來，以牛頓定律為基礎的經(jīng)典力學不斷發(fā)展，取得了巨大的成就，經(jīng)典力學在科學研究和生產(chǎn)技術中有了廣泛的應用，從而證明了牛頓運動定律的正確性．

但是，經(jīng)典力學也不是萬能的，像其他科學一樣，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．

一、經(jīng)典力學及其局限性

1.基本知識

（1）從低速到高速

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

②狹義相對論闡述物體以接近光的速度運動時所遵從的規(guī)律．

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

（2）從宏觀到微觀

①19世紀末20世紀初，物理學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，同時還具有波動性.20世紀20年代，量子力學建立，它能夠正確地描述微觀粒子運動的規(guī)律性，并在現(xiàn)代科學技術中發(fā)揮了重要作用．

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

（3）從弱引力到強引力

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

②當物體的運動速度遠小于光速c(3×108 m/s)時，相對論物理學與經(jīng)典物理學的結(jié)論沒有區(qū)別．

2．思考判斷

（1）洲際導彈的速度有時可達到6 000 m/s，此速度在相對論中屬于高速．(×)

（2）質(zhì)量是物體的固有屬性，任何時候都不會變．(×)

（3）對于高速運動的物體，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)典力學理論，它在高速世界還適用嗎？

（2）相對論、量子力學否定了經(jīng)典力學嗎？

【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）相對論、量子力學沒有否定經(jīng)典力學，經(jīng)典力學是相對論、量子力學在一定條件下的特例.

二、速度對質(zhì)量的影響

【問題導思】　

1．低速、高速是如何界定的？

2．物體在高速狀態(tài)下，質(zhì)量與速度是什么關系？

3．速度對物理規(guī)律有什么影響？

1．低速與高速的概念

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

（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．速度對質(zhì)量的影響

（1）在經(jīng)典力學中，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作用下做勻變速運動，只要時間足夠長，物體的運動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為物體靜止時的質(zhì)量，m是物體速度為v時的質(zhì)量，c是真空中的光速．在高速運動時，質(zhì)量的測量是與運動狀態(tài)密切相關的．

3．速度對物理規(guī)律的影響

對于低速運動問題，一般用經(jīng)典力學規(guī)律來處理．對于高速運動問題，經(jīng)典力學已不再適用，需要用相對論知識來處理．

1．狹義相對論中，物體在靜止時質(zhì)量最小，隨著運動速度的增加，它的質(zhì)量也在不斷變大，對于高速運動物體，牛頓定律已不再適用．

2．根據(jù)相對論的質(zhì)速關系，若某物體的運動速度達到光速c，它的質(zhì)量應是無窮大，這顯然不符合事實，光速c是所有物體的最大速度．

例：一個原來靜止的電子，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】　電子的速度6×106 m/s已接近光速，由愛因斯坦狹義相對論可知，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)量與速度的關系

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

三、經(jīng)典力學與相對論、量子力學的比較

【問題導思】　

1．經(jīng)典力學與量子力學的適用范圍一樣嗎？

2．在經(jīng)典力學與相對論中，速度對質(zhì)量有什么影響？

3．經(jīng)典力學與相對論、量子力學有什么聯(lián)系？

例：以下說法正確的是(　　)

A．經(jīng)典力學理論普遍適用，大到天體，小到微觀粒子均適用

B．經(jīng)典力學理論的成立具有一定的局限性

C．在經(jīng)典力學中，物體的質(zhì)量不隨運動狀態(tài)的改變而改變

D．相對論與量子力學否定了經(jīng)典力學理論

【答案】　BC

四、光速不變原理的應用

例：設某人在以速度0.5c飛行的飛船上打開一個光源，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．速度合成的關系式v船岸＝v船水＋v水岸只適用于低速運動的慣性參考系，對于接近光速的高速運動物體，該關系式已不再適用，此時應根據(jù)光速不變原理去解決問題．

本節(jié)學習了經(jīng)典力學的局限性：

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

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

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

第六節(jié)   經(jīng)典力學的局限性

1、從低速到高速    經(jīng)典力學只適用于低速運動

2、從宏觀到微觀    經(jīng)典力學只適用于宏觀物體

3、從弱引力到強引力    萬有引力定律只適用于弱引力