上海市高三物理二轮复习讲义第七单元牛顿力学的局限性与相对论初步

第七单元牛顿力学的局限性与相对论初步目录TOC\o"13"\h\u第1讲牛顿力学的局限性与相对论初步 1课标要求:1.知道牛顿定律的局限性,体会人类对自然界的探索是不断深入的。2.初步了解相对论时空观。3.关注宇宙起源和演化的研究进展。知识结构第1讲牛顿力学的局限性与相对论初步内容梳理【概念规律】一、牛顿力学的局限性1.牛顿力学的局限性以下三种情况,牛顿力学不再适用:(1)物体以接近光速运动时;(2)描述微观粒子(如电子、质子、中子等)的运动时;(3)描述强引力场天体(如中子星、黑洞等)的运动时。2.牛顿力学的适用范围__________、低速、__________。二、相对论的时空观(一)狭义相对论1.狭义相对论中的两条原理(1)相对性原理:物理规律包括电磁规律,在所有惯性系中都具有__________的形式。(2)光速不变原理:真空中的光速在所有惯性系中都是相同的,与光源和观测者的速度无关。2.两条原理引发的结论(1)同时的相对性：根据爱因斯坦的假设,如果两个事件在一个参考系中是同时的,但在另一个参考系中不一定是同时的。(2)时间延缓效应(__________效应)如果一列车沿直线轨道以匀速v向右运动,列车上的人观察到列车上的物体完成某个动作的时间间隔为Δt',而地面上的人观察到该物体完成这个动作的时间间隔为Δt,则有Δt=即在惯性系中,运动的钟比静止的钟要走得慢。(3)长度收缩效应(__________效应)如果一杆以速度v沿杆向右运动,与杆相对静止的人测得杆长是L0,地面上的人测得杆长是L,则有L=L01−(4)质量膨胀效应一物体静止时的质量为m0,运动时的质量为m,则有m(5)爱因斯坦质能方程:E=(二)广义相对论1.广义相对论中的两条原理(1)广义相对性原理:物理规律在任何参考系中都具有相同的形式。(2)等效原理:一个均匀引力场与一个做匀加速运动的参考系等价。2.广义相对论的应用准确地解释了水星公转轨道的近日点进动,光经过太阳等大质量天体时的偏折,引力场中的谱线红移和时钟变慢以及引力波的辐射等。三、宇宙的起源与演化1.宇宙的起源美国天文学家哈勃通过对大量星系的观测发现,银河系以外的绝大部分星系都在远离我们,即星系都在退行,并且离我们越远的星系,其退行速度就越__________。随后,物理学家伽莫夫等人提出了大爆炸宇宙学,即我们的宇宙起源于约138亿年前的大爆炸。2.宇宙的演化3.恒星的演化恒星演化为分诞生期、存在期和死亡期。(1)恒星的寿命①一颗恒星的寿命取决于它的质量,质量越大,寿命越__________。②太阳的寿命大约为100亿年,太阳正值“壮年”。③当恒星变为红色的巨星或超巨星时,就意味着这颗恒星将要度过它光辉的一生了。(2)恒星的演化小质量的恒星:星云→原恒星→主星序→红巨星→行星状星云→__________星大质量的恒星:星云→原恒星→主星序→超红巨星→超新星→__________星或黑洞4.暗物质为了解释星系及星系团的形成和稳定,物理学家提出宇宙空间中还应存在一种望远镜无法观测到的暗物质,暗物质的总质量要远远大于宇宙中所有可见物质的质量总和。5.暗能量为了解释宇宙的加速膨胀,物理学家引入了充满整个宇宙并具有负压性质的暗能量。根据对宇宙微波背景辐射的精确测量可以得知,暗能量约占整个宇宙的68%,暗物质约占27%,而普通的可见物质只占5%左右。答案:一、宏观弱引力场二、相同钟慢尺缩三、大短白矮中子【问题情境举隅】牛顿力学的局限性现代大型高能粒子加速器可以把粒子的速度加速到与光速极为接近的程度,但无法超过光速;卢瑟福基于牛顿力学,提出了原子核式结构模型,对原子物理的发展作出了极为重要的贡献;牛顿力学在解释中子星、黑洞等强引力场天体的运动时,碰到了困难。相对论的时空观高速运动的飞船中时间走得慢,导致双生子佯谬问题;高速运动的物体,沿运动方向的长度会缩短;水星绕太阳每公转一周,近日点会出现偏离,与广义相对论的计算结果相符;恒星的光线经过大质量天体附近时发生偏折,形成爱因斯坦环。宇宙的起源与演化科学家认为宇宙起源于138亿年前的大爆炸,大爆炸之后形成了时间和空间;宇宙在大爆炸后,经过很长时间的演化,逐渐产生了基本粒子、恒星、星系等;恒星从诞生开始,经历较长时间的存在期,最终到死亡期,变成白矮星、中子星或黑洞。关键点拨牛顿力学的局限性【例题1】质量m=1.67×10−27kg的质子在高能粒子加速器中被加速到动能为Ek=1.6×课堂笔记:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。【点拨1】牛顿力学的局限性:牛顿运动定律只适用于宏观、低速、弱引力场，而不适用于微观、高速、强引力场的情况。相对论的时空观【例题2】在一个高速旋转的巨大转盘上放置三个完全相同的时钟,a放在转轴处,b放在中间,c放在边缘处,如图所示。对于地面上的观察者,根据相对论判断三个时钟的快慢情况,则 ()A.a钟最快,b、c钟一样慢 B.a钟最慢,C.a钟最快,c钟最慢 D.a钟最慢,c钟最快课堂笔记:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。【点拨2】在相对论下,会引发钟慢效应、尺缩效应和质量膨胀效应。过关演练【经典过关】1.研究下列问题时,能用牛顿运动定律分析研究的是 ()A.绕原子核做圆周运动的电子的运动 B.月球绕地球所做的圆周运动C.两个黑洞的碰撞合并过程 D.高能加速器中电子的运动2.若一列火车以接近光速的速度在高速行驶,车上的人用望远镜来观察地面上的一只排球,如图所示,其观察的结果是 ()A.像一只乒乓球(体积变小) B.像一只篮球(体积变大)C.像一只橄榄球(竖直放置) D.像一只橄榄球(水平放置)【综合演练】宇宙空间存在大量的气体、尘埃等物质,在引力作用下,这些气体和尘埃聚集收缩成密度较大的原始星云,最后进一步收缩形成原恒星。原恒星在引力作用下进一步收缩,形成一个密度极大的核心,温度越来越高。当核心温度达到107K时,点燃热核反应并辐射能量,于是新的恒星诞生了。1.小李同学借助天文台的天文望远镜观测新产生的一颗小质量恒星A101,并拍下了该恒星的照片,则照片上的恒星是它__________的样子(选填“现在”“过去”或“将来”)，当这颗恒星步入死亡期时,它最终会变成一颗__________星。2.小李在观测恒星A101时,也看到了该恒星附近的其他恒星,根据大爆炸理论,他现在看到的恒星间的距离比原先要更__________,由于宇宙在加速膨胀因此宇宙的半径也在发生变化,则下列图像中能