2024年新教材高中物理第五章牛頓力學的局限性與相對論初步學案粵教版必修2

PAGE7-牛頓力學的成就與局限性其次節(jié)相對論時空觀第三節(jié)宇宙起源和演化學習目標STSE情境導學1.了解經典力學的發(fā)展歷程和宏大成就.2.知道經典力學的局限性和適用范圍.3.了解經典時空觀及其基本推論.4.了解狹義相對論的理論基礎與相對論時空觀的幾個推論.5.了解宇宙的起源和演化空間距離的相對性——尺縮效應學問點一牛頓力學的成就與局限性1.肯定時空觀.（1）慣性參考系與非慣性參考系.在牛頓力學體系中，假如牛頓運動定律在某個參考系中成立，這個參考系就被稱為慣性參考系，全部相對于慣性參考系靜止或做勻速直線運動的參考系都是慣性參考系.而牛頓運動定律不成立的參考系則稱為非慣性參考系.（2）伽利略相對性原理.在全部的慣性參考系中，力學規(guī)律都具有相同的形式，這一結論被稱為伽利略相對性原理.（3）牛頓的肯定時空觀.肯定的、真實的和數學的時間，由其特性確定自身勻稱地消逝著，而與一切外界事物無關.肯定空間的自身特性與任何外界事物無關，它到處勻稱，永不移動.2.牛頓力學的成就.（1）牛頓力學把宇宙中的天體和地面上的物體的運動統(tǒng)一起來，從力學上證明白自然界多樣性的統(tǒng)一，實現了人類對自然界相識的第一次理論大綜合.（2）牛頓力學在科學技術發(fā)展和社會經濟建設中始終起著重要的作用，推動著航空、航天、艦船、車輛、機械、土木、水利和能源等各行各業(yè)不斷進步，促進著社會不斷發(fā)展.3.牛頓力學的局限性和適用范圍.牛頓力學只適用于低速（遠小于光速）、宏觀（人類可感知尺度）、弱引力場（如地球旁邊）和計量精度要求不高（如全球定位系統(tǒng)須要用相對論進行修正）的狀況.超出以上范圍，牛頓力學將不再適用，而須要用到相對論、量子力學等理論.學問點二相對論時空觀1.狹義相對論的基本假設.（1）相對性原理：在全部的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的.（2）光速不變原理：在全部的慣性參考系中，測得的真空中的光速都相同.2.時空相對性.（1）同時性的相對性.在一個慣性參考系中同時發(fā)生的兩個事務，在另一個慣性參考系看來是不同時的，這被稱為同時性的相對性.（2）時間延緩.①內容：在運動參考系里的人認為一切正常，并不感到自己四周的事務變得呆滯.這就是時間間隔的相對性，也稱為“時間延緩”“時間膨脹”或“鐘慢效應”.②公式：Δt′＝Δteq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))\s\up12(2)).因為eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))\s\up12(2))<1，所以總有Δt>Δt′.（3）長度收縮.①內容.當物體相對于觀測者運動時，在運動的方向上，觀測者測量到該物體的長度要縮短，而垂直于運動方向的長度不會發(fā)生變更.這就是空間距離的相對性，也稱為“長度收縮”或“尺縮效應”.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，所以總有l(wèi)′<l.3.時空彎曲.（1）光線彎曲.在大尺度的宇觀時空中存在很多大質量天體，如大恒星、球狀星團、星系和星系團等，光線經過這些大質量天體旁邊時發(fā)生偏轉，這說明整個空間不再是平直的，而變成彎曲的了.（2）時間彎曲.廣義相對論還告知我們，引力場的存在使得空間不同位置的時間進程也存在差別，也可以說時間發(fā)生了彎曲.學問點三宇宙起源和演化1.古代宇宙模型.（1）在古代中國，“蓋天說”認為“天圓如張蓋，地方如棋局”.（2）古希臘亞里士多德相識到地球是一個球體，其理論經托勒密等學者的進一步發(fā)展形成了“地心說”，成為中世紀在歐洲占統(tǒng)治地位的宇宙觀.（3）1543年哥白尼提出“日心說”，把宇宙的中心從地球挪向了太陽，這是人類宇宙觀念的一大飛躍.2.近現代宇宙模型.（1）1917年，愛因斯坦將廣義相對論應用到整個宇宙，建立了現代宇宙學的第一個宇宙模型：由彎曲空間構成，沒有邊界、沒有中心，但在整體上是有限的、靜態(tài)的宇宙.（2）1922年，蘇聯科學家費里德曼提出了動態(tài)的宇宙模型，認為宇宙中的物質從宇觀大尺度來說其分布是勻稱的，從各個方向看都是一樣的，并且隨著時間的變更，宇宙在不斷膨脹.（3）1980年，美國科學家固斯進一步提出暴脹理論，并指出早期宇宙的空間以指數倍的形式膨脹，暴脹過程發(fā)生在宇宙大爆炸之后的10－36s至10－32s之間.在暴脹結束后，宇宙接著膨脹，但是膨脹速度則慢得多.3.宇宙學的新進展.20世紀后半葉至今，宇宙學探討領域取得了很多驕人的成就.特殊是科學家們觀測到的宇宙微波背景輻射，被譽為20世紀60年頭的四大發(fā)覺之一.該發(fā)覺榮獲1978年諾貝爾物理學獎.小試身手1.關于經典力學的適用范圍和局限性，下列說法正確的是（）A.經典力學過時了，應當被量子力學所取代B.由于超音速飛機的速度太大，其運動不能用經典力學來說明C.人造衛(wèi)星的運動不適合用經典力學來描述D.當物體速度接近光速時，其運動規(guī)律不適合用經典力學來描述解析：經典力學在低速宏觀物理過程中適用，量子力學不行替代，A錯誤；超音速飛機的速度遠低于光速，其運動能用經典力學來說明，B錯誤；人造衛(wèi)星的運動速度遠低于光速，適合用經典力學來描述，C錯誤；當物體速度接近光速時，其運動規(guī)律不適合用經典力學來描述，D正確.答案：D2.（多選）下列選項中屬于狹義相對論的基本假設的是（）A.愛因斯坦相對性原理B.經典力學的時空觀C.光速不變原理D.同時的肯定性原理解析：狹義相對論的動身點是以下兩條基本假設：第一是愛因斯坦相對性原理，在不同的慣性系中，一切物理規(guī)律都是相同的；其次是光速不變原理，不管是哪個慣性系中，測得真空中的光速都相同.答案：AC探究一經典力學與相對論比較經典力學與相對論、量子力學的比較.項目經典力學相對論、量子力學形成時期物理學形成的初期階段，受歷史發(fā)展限制，理論較膚淺、片面形成于物理學充分發(fā)展的現代，理論較完善、科學適用范圍低速運動、宏觀世界，弱引力作用任何狀況都適用速度對質量的影響物體的質量不隨其速度的變更而變更物體的質量隨其速度的增加而變大速度的合成時間與空間互不相干，關系式v船岸＝v船水＋v水岸成立速度與位移、時間的測量有關，v船岸＝v船水＋v水岸不成立引力規(guī)律牛頓的萬有引力定律認為物體間的引力符合“平方反比”規(guī)律愛因斯坦引力理論認為物體間的引力不完全符合“平方反比”規(guī)律聯系（1）以下兩種狀況，相對論與經典力學的結論沒有區(qū)分：①物體的速度遠小于光速c（3×108m/s）時；②“普朗克常量”（6.63×10－34J·s）可以忽視不計時.（2）相對論和量子力學都沒有否定經典力學，經典力學是相對論、量子力學的特殊狀況【典例1】關于經典力學，下列說法中正確的是（）A.相對論與量子力學否定了經典力學理論B.經典力學可以解決自然界中全部的問題C.經典力學適用于微觀領域質子、電子的運動D.經典力學適用于放射的導彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船的運動解析：相對論與量子力學并沒有否定經典力學，而是在其基礎上發(fā)展起來的，有各自成立范圍，A錯誤；經典力學只能解決宏觀低速物體，對于微觀高速物體不再適用，B、C錯誤；經典力學適用于宏觀低速物體，適用于放射的導彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船的運動，D正確.答案：D1.下列運動中經典力學不適用的是（）A.火箭的放射B.速度接近光速的物體的運動C.“墨子號”在太空的運動D.宇宙飛船繞地球的運動解析：經典力學適用于宏觀、低速物體的運動，而不適用于微觀、高速物體的運動，故選B.答案：B2.下列說法正確的是（）A.在經典力學中，物體的質量不隨運動狀態(tài)而變更；在狹義相對論中，物體的質量也不隨運動狀態(tài)而變更B.狹義相對論和經典力學是完全不同、相互沖突的兩個理論C.在高速運動時，物體的運動聽從狹義相對論；在低速運動時，物體的運動聽從牛頓運動定律D.以上說法都是錯誤的解析：在經典力學中，物體的質量不隨運動狀態(tài)而變更；在狹義相對論中，物體的質量隨物體運動速度的增大而增大，選項A錯誤.狹義相對論沒有否定經典力學，經典力學是狹義相對論在肯定條件下的特殊情形，選項B錯誤.經典力學適用于低速運動的物體，狹義相對論闡述物體在以接近光速運動時所遵循的規(guī)律，選項C正確，選項D錯誤.答案：C探究二對相對論中“兩個基本原理”和“相對論效應”的理解兩個基本原理.（1）相對性原理：全部物理規(guī)律在一切慣性參考系中都具有相同的形式，表明在任何慣性系中探討某個物體的某一運動過程，其運動規(guī)律的形式不變.（2）光速不變原理：在一切慣性參考系中，測量到的真空中的光速c都一樣，表明白經典時空觀與相對論時空觀的不同，比較如下：時空觀經典時空觀相對論時空觀運動狀況同一運動對不同參考系描述結果不同，即速度不同光在一切慣性參考系中傳向各個方向的速度不變時間與空間的關系時間勻稱消逝，空間不變更，與運動狀況及外部條件無關時間、空間都隨運動狀況而變更幾個結論①同時的肯定性；②時間間隔的肯定性；③空間距離的肯定性；④物體的質量恒定不變①同時的相對性；②運動的時鐘變慢；③運動的尺子縮短；④物體的質量隨速度的增大而增大【典例2】例如有一對孿生兄弟A和B，其中B乘坐速度為v＝0.9c的火箭飛往大角星（牧夫座α），而后又飛回地球.依據A在地球上的觀測，大角星離地球有40萬光年遠，這次B來回飛行經驗時間為80.8年.假如B在離開地球時，他們的年齡都為20歲，試問當B回到地球時，他們的年齡各有多大？解析：設B在飛船慣性系中經驗時間為t′，依據鐘慢效應得：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回到地球時的年齡為20＋35.2＝55.2（歲）.此時A的年齡為20＋80.8＝100.8（歲）.答案：此時A的年齡為100.8歲，B的年齡為55.2歲3.（多選）在地面旁邊有一高速飛過的火箭，關于地面上的人和火箭中的人視察到的現象，以下說法正確的是（）A.地面上的人視察到火箭變短了，火箭上的時間進程變快了B.地面上的人視察到火箭變短了，火箭上的時間進程變慢了C.火箭上的人視察到地面上的物體的長度和時間進程均無變更D.火箭上的人看到地面上的物體長度變小，時間進程變慢了解析：依據“尺縮效應”“動鐘變慢”原理，地面上的人視察到火箭變短了，火箭