1、13.1 牛顿力学的局限性学习目标 核心凝炼1.了解牛顿力学的发展历程及其成就。2.知道牛顿力学的局限性和适用范围。3.知道速度对质量的影响及速度的相对性。1个范围牛顿力学的适用范围3种关系 低速与高速；宏观与微观；弱引力与强引力, 一、从低速到高速速度远小于光速 接近光速运动物理理论 经典力学 相对论质量与速度的关系物体的质量是不随运动状态改变的物体的质量随着物体运动速度的增大而增大， mm01 v2c2位移、时间与参考系的关系位移的测量、时间的测量都与参考系无关同一过程的位移和时间的测量在不同参考系中是不同的二、从宏观到微观1.微观世界：电子、质子、中子等微观粒子的运动规律在很多情况下不能
2、用经典力学来说明，而量子力学能够正确地描述微观粒子的运动规律。2.经典力学的适用范围：只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界。三、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，牛顿的引力理论不再适用。22.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。当另一个重要常数即“普朗克常量”(6.6310 34 Js)可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别。理解概念判断下列说法是否正确。(1)洲际导弹的速度有时可达到 6 000 m/s，这一速度属于相对
3、论中的高速。()(2)质量是物体的固有属性，任何时候都不会变。()(3)对于高速物体，它的质量随着速度的增加而变大。()(4)经典力学不适用于高速运动的物体，但适用于微观世界。()(5)对于宏观物体的低速运动问题，相对论、量子力学与经典力学是一致的。()从低速到高速观察探究地球的第一宇宙速度是 7.9 km/s；设在美国伊利诺伊州费米实验室的圆形粒子加速器可以把电子加速到 0.999 999 999 987 倍光速的速度。(1)地球的第一宇宙速度在狭义相对论中属于低速还是高速？被加速器加速后的电子的速度呢？(2)加速后电子的质量比电子的静止质量增大了还是减小了？答案 (1)地球第一宇宙速度在狭
4、义相对论中属于低速，被加速器加速后的电子速度属于高速。(2)加速后电子的质量增大了。探究归纳 1.低速与高速的概念(1)低速：远小于光速的速度为低速，通常所见物体的运动，如行驶的汽车、发射的导弹、人造地球卫星及宇宙飞船等物体的运动皆为低速运动。(2)高速：有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近，这样的速度称为高速。32.速度对质量的影响(1)在经典力学中，物体的质量不随速度而变。根据牛顿第二定律 F ma知，物体在力 F作用下做匀变速运动，只要时间足够长，物体的运动速度就可以增加到甚至超过光速 c。(2)爱因斯坦的狭义相对论指出，物体的质量随速度的增大而增大，即 m ，其中 m0m01
5、 v2c2为物体静止时的质量， m是物体速度为 v时的质量， c是真空中的光速。在高速运动时，质量的测量是与运动状态密切相关的。3.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，需要用狭义相对论知识来处理。试题案例例 1 如果真空中的光速 c310 8 m/s，当一个物体的运动速度 v12.4108 m/s时，质量为 3 kg，当它的速度为 v21.810 8 m/s时，质量为多少？【思路点拨】 (1)物体的运动速度接近光速，物体的质量随物体运动速度的变化而变化。(2)m13 kg 是物体运动速度为 v1时的质量，而不是物体的静止质量。
6、解析 由 m 得 ，代入数据解得 ，所以m01 v2c2 m1m2 m1m2 43m2 3 kg2.25 kg。34答案 2.25 kg针对训练 1 根据爱因斯坦的狭义相对论，质量要随着物体运动速度的增大而增大，即m 。请讨论：m01 v2c2(1)如果你使一个物体加速、加速、再加速，它的速度会增加到等于光速甚至大于光速吗？为什么？(2)光有静止质量吗？如果有，情况将会怎样？解析 (1)由 m 知：当 v c时， m应是无穷大。随着质量的不断增大，产生加速度m01 v2c2的力会随着不断增大，使加速越来越困难。因此一个物体不管怎样加速，它的速度不会等于甚至超过光速。4(2)光没有静止质量。若光
7、有静止质量，当光传播时速度为 c，由 m ，它传播时的m01 v2c2质量会无穷大，光照射到物体上，如同一质量无穷大的物体以光速砸到被照物体上，后果不堪设想。答案 见解析从宏观到微观 从弱引力到强引力观察探究如图所示， “黑洞”是爱因斯坦广义相对论中预言的一种特殊天体。它的密度极大，对周围的物质(包括光)有极强的吸引力，在研究“黑洞”时，经典力学还适用吗？答案 不适用，经典力学适用于弱引力问题，而“黑洞”问题属于强引力问题，经典力学不再适用。探究归纳 经典力学与相对论、量子理论的比较1.区别狭义相对论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量子力学 经典力
8、学适用于宏观世界；量子力学能够正确描述微观粒子的运动规律2.联系(1)当物体的运动速度远小于光速时，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。(3)相对论和量子力学并没有否定经典力学，经典力学是二者在一定条件下的特殊情形。试题案例例 2 (多选)关于牛顿物理学与狭义相对论，下列说法正确的是( )A.狭义相对论研究的是物体在低速运动时所遵循的规律B.狭义相对论研究的是物体在高速运动时所遵循的规律5C.牛顿物理学研究的是物体在低速运动时所遵循的规律D.牛顿物理学研究的是物体在高速运动时所遵循的规律解析 牛顿物理学
9、的运动规律适用于低速、宏观物体，而爱因斯坦的狭义相对论适用于高速、微观世界。答案 BC针对训练 2 (多选)关于经典力学、相对论与量子论的说法正确的是 ( )A.当物体的速度接近光速时，经典力学就不适用了B.相对论和量子力学的出现，使经典力学失去了意义C.量子力学能够描述微观粒子运动的规律性D.万有引力定律也适用于强相互作用力解析 经典力学只适用于低速宏观的物体，故 A正确；相对论和量子力学的出现，并没有否定经典力学，只是说经典力学有一定的适用范围，故 B错误；量子力学描述了微观粒子运动的规律性，故 C正确；万有引力定律只适用于弱相互作用力，而对于强相互作用力是不适用的，故 D错误。答案 AC
10、1.(物理学史)人类在探索自然规律的进程中总结了许多科学方法，如分析归纳法、演绎法、等效替代法、控制变量法、理想实验法等。在下列研究中，运用理想实验法进行研究的是( )A.牛顿发现了万有引力定律B.伽利略得出力不是维持物体运动的原因C.爱因斯坦提出相对论D.普朗克提出量子论解析 “牛顿发现了万有引力定律、爱因斯坦提出相对论、普朗克提出量子论”都是可以通过科学实验验证的，所以 A、C、D 错误；“伽利略得出力不是维持物体运动的原因”则无法通过科学实验验证，只有运用理想实验法来推导，B 正确。答案 B2.(经典力学的局限性)牛顿力学的适用范围是( )A.适用于宏观物体的低速(与光速相比)运动B.适
11、用于微观粒子的运动6C.适用于宏观物体的高速(与光速相比)运动D.适用于受到强引力作用的物体解析 牛顿力学属于经典力学，它只适用于低速、宏观物体的运动以及弱引力作用时的情况。故 A正确，B、C、D 错误。答案 A3.(经典力学的局限性)(多选)以下说法正确的是( )A.经典力学理论普遍适用，大到天体，小到微观粒子均适用B.经典力学理论具有一定的局限性C.在经典力学中，物体的质量不随运动状态改变而改变D.相对论和量子力学否定了经典力学理论解析 经典力学理论具有一定的局限性，它只适用于低速、宏观物体的运动，选项 A错误，B正确；在经典力学中，物体的质量不随运动状态的改变而改变，即物体的质量和物体运
12、动的速度无关，选项 C正确；相对论和量子力学并没有否定过去的科学，而是认为经典力学理论是在一定条件下的特殊情形，选项 D错误。答案 BC4.(相对论的质速关系)某物体在低速(接近 0)情况下质量为 m0，在速度为 v的高速(接近光速)情况下质量为 m，则由狭义相对论，物体速度 v为( )A. c B. cm0mC.(1 )c D. cm0m解析 根据 m 可得 v c，B 项正确。m01 v2c2答案 B合格性检测1.(多选)牛顿定律适用于下列哪些情况( )A.研究原子中电子的运动B.研究“嫦娥三号”的高速发射C.研究地球绕太阳的运动D.研究飞机从北京飞往纽约的航线7解析 牛顿力学属于经典力学
13、的研究范畴，适用于宏观、低速运动的物体，并注意到低速和高速的标准是相对于光速，可判定牛顿定律适用于 B、C、D 中描述的运动，而 A不适用。答案 BCD2.经典力学只适用于“宏观世界” ，这里的“宏观世界”是指( )A.行星、恒星、星系等巨大的物质领域B.地球表面上的物质世界C.人眼能看到的物质世界D.不涉及分子、原子、电子等微观粒子的物质世界解析 前三个选项说的当然都属于“宏观世界” ，但都很片面，没有全面描述，选项 D正确。答案 D3.(多选)下列服从经典力学规律的是( )A.自行车、汽车、火车、飞机等交通工具的运动B.发射导弹、人造卫星、宇宙飞船C.物体运动的速率接近于真空中的光速D.地
14、壳的变动解析 经典力学适用于宏观、低速运动的物体，所以 A、B、D 正确；当物体的运动速率接近于光速时，经典力学就不适用了，故 C错误。答案 ABD4.下列说法中正确的是( )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的问题D.经典力学可以解决自然界中所有的问题解析 经典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所有的问题，没有哪个理论可以解决自然界中所有的问题。所以选项 B正确。答案 B5.(多选)经典力学能适用于下列哪些运动( )8A.火箭的发射B.宇宙飞船绕地球的运动
15、C.“勇气号”宇宙探测器的运动D.微观粒子的运动解析 经典力学只适用于低速运动，不适用于高速运动，只适用于宏观世界，不适用于微观世界，所以不能适用于微观粒子的运动。答案 ABC6.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，无法比较解析 根据狭义相对论的质速关系 m 知，物体运动时的质量比静止时的质量m01 （ vc） 2大，A 正确，B、C、D 错误。答案 A7.(多选)关于经典力学、狭义相对论和量子力学，下列说法中正确的是( )A.狭义相对论和经典力学是相互
16、对立的、互不相容的两种理论B.在物体高速运动时，物体的运动规律遵循狭义相对论，在低速运动时，物体的运动规律遵循牛顿运动定律C.经典力学适用于宏观物体的低速运动，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 经典力学只适用于宏观物体的低速运动，相对论和量子力学并没有全盘否定经典力学理论。在弱引力作用下，低速运动的宏观世界中，两种理论是一致的。故 B、C 正确，A、D 错误。答案 BC8.日常生活中我们并没有发现物体的质量随物体运动的速度变化而变化，其原因是( )A.运动中的物体无法称量其质量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
17、9D.物体的质量不随速度的变化而变化解析 根据狭义相对论， m ，在宏观物体的运动中，物体的运动速度 v远小于光速m01 v2c2c，所以质量变化不大，我们难以感受到它的变化。答案 B等级性检测9.(多选)下列说法中正确的是( )A.根据牛顿万有引力定律，当星球质量不变，半径变为原来的一半时，表面上的引力将变为原来的 4倍B.按照广义相对论，当星球质量不变，半径变为原来的一半时，表面上的引力将大于原来的 4倍C.当天体的实际半径远大于引力半径时，根据爱因斯坦的引力理论和牛顿理论计算出的力差别很大D.当天体的实际半径接近引力半径时，根据爱因斯坦的引力理论和牛顿理论计算出的力差别不大解析 爱因斯坦
18、引力理论表明，当星球质量不变，半径变为原来的一半时，其表面上的引力将大于原来的 4倍。天体半径越小，根据爱因斯坦引力理论和牛顿理论计算出的力的差别越大。答案 AB10.通过一个加速装置对电子加一很大的恒力，使电子从静止开始加速，则对这个加速过程，下列描述正确的是( )A.根据牛顿第二定律，电子将不断做匀加速直线运动B.电子先做加速运动，后以光速做匀速直线运动C.电子开始先近似于匀加速运动，后来质量增大，牛顿运动定律不再适用D.电子是微观粒子，整个加速过程根本就不能用牛顿运动定律解释解析 电子在加速装置中由静止开始加速，开始阶段速度较低，远低于光速，此时牛顿运动定律基本适用，可以认为在它被加速的最初阶段，它做匀加速运动。随着电子的速度越来越大，接近光速时，相对论效应越来越大，质量加大，它不再做匀加速直线运动，牛顿运动定律不再适用。答案 C1011.一个原来静止的电子，经电压加速后，获得的速度 v610 6 m/s。关于电子的质量的变化，下列说法正确的是( )A.不变 B.减少C.增大了 0.02% D.增大了 0.2%解析 根据爱因斯坦的狭义相对论 m 得出运动后的质量增大了。m01 v2c2m 1.000 2 m0m01 v2c2m01 621062321082所以改变的百分比为 100%0.02%。C 正确。m m0m0答案 C
