2024年新教材高中物理第五章牛顿力学的局限性与相对论初步学案粤教版必修2

PAGE7-牛顿力学的成就与局限性其次节相对论时空观第三节宇宙起源和演化学习目标STSE情境导学1.了解经典力学的发展历程和宏大成就.2.知道经典力学的局限性和适用范围.3.了解经典时空观及其基本推论.4.了解狭义相对论的理论基础与相对论时空观的几个推论.5.了解宇宙的起源和演化空间距离的相对性——尺缩效应学问点一牛顿力学的成就与局限性1.肯定时空观.（1）惯性参考系与非惯性参考系.在牛顿力学体系中，假如牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系就被称为惯性参考系，全部相对于惯性参考系静止或做匀速直线运动的参考系都是惯性参考系.而牛顿运动定律不成立的参考系则称为非惯性参考系.（2）伽利略相对性原理.在全部的惯性参考系中，力学规律都具有相同的形式，这一结论被称为伽利略相对性原理.（3）牛顿的肯定时空观.肯定的、真实的和数学的时间，由其特性确定自身匀称地消逝着，而与一切外界事物无关.肯定空间的自身特性与任何外界事物无关，它到处匀称，永不移动.2.牛顿力学的成就.（1）牛顿力学把宇宙中的天体和地面上的物体的运动统一起来，从力学上证明白自然界多样性的统一，实现了人类对自然界相识的第一次理论大综合.（2）牛顿力学在科学技术发展和社会经济建设中始终起着重要的作用，推动着航空、航天、舰船、车辆、机械、土木、水利和能源等各行各业不断进步，促进着社会不断发展.3.牛顿力学的局限性和适用范围.牛顿力学只适用于低速（远小于光速）、宏观（人类可感知尺度）、弱引力场（如地球旁边）和计量精度要求不高（如全球定位系统须要用相对论进行修正）的状况.超出以上范围，牛顿力学将不再适用，而须要用到相对论、量子力学等理论.学问点二相对论时空观1.狭义相对论的基本假设.（1）相对性原理：在全部的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的.（2）光速不变原理：在全部的惯性参考系中，测得的真空中的光速都相同.2.时空相对性.（1）同时性的相对性.在一个惯性参考系中同时发生的两个事务，在另一个惯性参考系看来是不同时的，这被称为同时性的相对性.（2）时间延缓.①内容：在运动参考系里的人认为一切正常，并不感到自己四周的事务变得呆滞.这就是时间间隔的相对性，也称为“时间延缓”“时间膨胀”或“钟慢效应”.②公式：Δt′＝Δteq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))\s\up12(2)).因为eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))\s\up12(2))<1，所以总有Δt>Δt′.（3）长度收缩.①内容.当物体相对于观测者运动时，在运动的方向上，观测者测量到该物体的长度要缩短，而垂直于运动方向的长度不会发生变更.这就是空间距离的相对性，也称为“长度收缩”或“尺缩效应”.②公式l′＝leq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))\s\up12(2)).由于eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))\s\up12(2))<1，所以总有l′<l.3.时空弯曲.（1）光线弯曲.在大尺度的宇观时空中存在很多大质量天体，如大恒星、球状星团、星系和星系团等，光线经过这些大质量天体旁边时发生偏转，这说明整个空间不再是平直的，而变成弯曲的了.（2）时间弯曲.广义相对论还告知我们，引力场的存在使得空间不同位置的时间进程也存在差别，也可以说时间发生了弯曲.学问点三宇宙起源和演化1.古代宇宙模型.（1）在古代中国，“盖天说”认为“天圆如张盖，地方如棋局”.（2）古希腊亚里士多德相识到地球是一个球体，其理论经托勒密等学者的进一步发展形成了“地心说”，成为中世纪在欧洲占统治地位的宇宙观.（3）1543年哥白尼提出“日心说”，把宇宙的中心从地球挪向了太阳，这是人类宇宙观念的一大飞跃.2.近现代宇宙模型.（1）1917年，爱因斯坦将广义相对论应用到整个宇宙，建立了现代宇宙学的第一个宇宙模型：由弯曲空间构成，没有边界、没有中心，但在整体上是有限的、静态的宇宙.（2）1922年，苏联科学家费里德曼提出了动态的宇宙模型，认为宇宙中的物质从宇观大尺度来说其分布是匀称的，从各个方向看都是一样的，并且随着时间的变更，宇宙在不断膨胀.（3）1980年，美国科学家固斯进一步提出暴胀理论，并指出早期宇宙的空间以指数倍的形式膨胀，暴胀过程发生在宇宙大爆炸之后的10－36s至10－32s之间.在暴胀结束后，宇宙接着膨胀，但是膨胀速度则慢得多.3.宇宙学的新进展.20世纪后半叶至今，宇宙学探讨领域取得了很多骄人的成就.特殊是科学家们观测到的宇宙微波背景辐射，被誉为20世纪60年头的四大发觉之一.该发觉荣获1978年诺贝尔物理学奖.小试身手1.关于经典力学的适用范围和局限性，下列说法正确的是（）A.经典力学过时了，应当被量子力学所取代B.由于超音速飞机的速度太大，其运动不能用经典力学来说明C.人造卫星的运动不适合用经典力学来描述D.当物体速度接近光速时，其运动规律不适合用经典力学来描述解析：经典力学在低速宏观物理过程中适用，量子力学不行替代，A错误；超音速飞机的速度远低于光速，其运动能用经典力学来说明，B错误；人造卫星的运动速度远低于光速，适合用经典力学来描述，C错误；当物体速度接近光速时，其运动规律不适合用经典力学来描述，D正确.答案：D2.（多选）下列选项中属于狭义相对论的基本假设的是（）A.爱因斯坦相对性原理B.经典力学的时空观C.光速不变原理D.同时的肯定性原理解析：狭义相对论的动身点是以下两条基本假设：第一是爱因斯坦相对性原理，在不同的惯性系中，一切物理规律都是相同的；其次是光速不变原理，不管是哪个惯性系中，测得真空中的光速都相同.答案：AC探究一经典力学与相对论比较经典力学与相对论、量子力学的比较.项目经典力学相对论、量子力学形成时期物理学形成的初期阶段，受历史发展限制，理论较肤浅、片面形成于物理学充分发展的现代，理论较完善、科学适用范围低速运动、宏观世界，弱引力作用任何状况都适用速度对质量的影响物体的质量不随其速度的变更而变更物体的质量随其速度的增加而变大速度的合成时间与空间互不相干，关系式v船岸＝v船水＋v水岸成立速度与位移、时间的测量有关，v船岸＝v船水＋v水岸不成立引力规律牛顿的万有引力定律认为物体间的引力符合“平方反比”规律爱因斯坦引力理论认为物体间的引力不完全符合“平方反比”规律联系（1）以下两种状况，相对论与经典力学的结论没有区分：①物体的速度远小于光速c（3×108m/s）时；②“普朗克常量”（6.63×10－34J·s）可以忽视不计时.（2）相对论和量子力学都没有否定经典力学，经典力学是相对论、量子力学的特殊状况【典例1】关于经典力学，下列说法中正确的是（）A.相对论与量子力学否定了经典力学理论B.经典力学可以解决自然界中全部的问题C.经典力学适用于微观领域质子、电子的运动D.经典力学适用于放射的导弹、人造卫星、宇宙飞船的运动解析：相对论与量子力学并没有否定经典力学，而是在其基础上发展起来的，有各自成立范围，A错误；经典力学只能解决宏观低速物体，对于微观高速物体不再适用，B、C错误；经典力学适用于宏观低速物体，适用于放射的导弹、人造卫星、宇宙飞船的运动，D正确.答案：D1.下列运动中经典力学不适用的是（）A.火箭的放射B.速度接近光速的物体的运动C.“墨子号”在太空的运动D.宇宙飞船绕地球的运动解析：经典力学适用于宏观、低速物体的运动，而不适用于微观、高速物体的运动，故选B.答案：B2.下列说法正确的是（）A.在经典力学中，物体的质量不随运动状态而变更；在狭义相对论中，物体的质量也不随运动状态而变更B.狭义相对论和经典力学是完全不同、相互冲突的两个理论C.在高速运动时，物体的运动听从狭义相对论；在低速运动时，物体的运动听从牛顿运动定律D.以上说法都是错误的解析：在经典力学中，物体的质量不随运动状态而变更；在狭义相对论中，物体的质量随物体运动速度的增大而增大，选项A错误.狭义相对论没有否定经典力学，经典力学是狭义相对论在肯定条件下的特殊情形，选项B错误.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，选项C正确，选项D错误.答案：C探究二对相对论中“两个基本原理”和“相对论效应”的理解两个基本原理.（1）相对性原理：全部物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式，表明在任何惯性系中探讨某个物体的某一运动过程，其运动规律的形式不变.（2）光速不变原理：在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速c都一样，表明白经典时空观与相对论时空观的不同，比较如下：时空观经典时空观相对论时空观运动状况同一运动对不同参考系描述结果不同，即速度不同光在一切惯性参考系中传向各个方向的速度不变时间与空间的关系时间匀称消逝，空间不变更，与运动状况及外部条件无关时间、空间都随运动状况而变更几个结论①同时的肯定性；②时间间隔的肯定性；③空间距离的肯定性；④物体的质量恒定不变①同时的相对性；②运动的时钟变慢；③运动的尺子缩短；④物体的质量随速度的增大而增大【典例2】例如有一对孪生兄弟A和B，其中B乘坐速度为v＝0.9c的火箭飞往大角星（牧夫座α），而后又飞回地球.依据A在地球上的观测，大角星离地球有40万光年远，这次B来回飞行经验时间为80.8年.假如B在离开地球时，他们的年龄都为20岁，试问当B回到地球时，他们的年龄各有多大？解析：设B在飞船惯性系中经验时间为t′，依据钟慢效应得：t＝eq\f(t′,\r(1－\f(v2,c2)))，即80.8＝eq\f(t′,\r(1－0.92))，解得t′≈35.2年.所以B回到地球时的年龄为20＋35.2＝55.2（岁）.此时A的年龄为20＋80.8＝100.8（岁）.答案：此时A的年龄为100.8岁，B的年龄为55.2岁3.（多选）在地面旁边有一高速飞过的火箭，关于地面上的人和火箭中的人视察到的现象，以下说法正确的是（）A.地面上的人视察到火箭变短了，火箭上的时间进程变快了B.地面上的人视察到火箭变短了，火箭上的时间进程变慢了C.火箭上的人视察到地面上的物体的长度和时间进程均无变更D.火箭上的人看到地面上的物体长度变小，时间进程变慢了解析：依据“尺缩效应”“动钟变慢”原理，地面上的人视察到火箭变短了，火箭