2024年新教材高中物理第五章牛頓力學(xué)的局限性與相對(duì)論初步學(xué)案粵教版必修2

PAGE7-牛頓力學(xué)的成就與局限性其次節(jié)相對(duì)論時(shí)空觀第三節(jié)宇宙起源和演化學(xué)習(xí)目標(biāo)STSE情境導(dǎo)學(xué)1.了解經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展歷程和宏大成就.2.知道經(jīng)典力學(xué)的局限性和適用范圍.3.了解經(jīng)典時(shí)空觀及其基本推論.4.了解狹義相對(duì)論的理論基礎(chǔ)與相對(duì)論時(shí)空觀的幾個(gè)推論.5.了解宇宙的起源和演化空間距離的相對(duì)性——尺縮效應(yīng)學(xué)問(wèn)點(diǎn)一牛頓力學(xué)的成就與局限性1.肯定時(shí)空觀.（1）慣性參考系與非慣性參考系.在牛頓力學(xué)體系中，假如牛頓運(yùn)動(dòng)定律在某個(gè)參考系中成立，這個(gè)參考系就被稱為慣性參考系，全部相對(duì)于慣性參考系靜止或做勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系都是慣性參考系.而牛頓運(yùn)動(dòng)定律不成立的參考系則稱為非慣性參考系.（2）伽利略相對(duì)性原理.在全部的慣性參考系中，力學(xué)規(guī)律都具有相同的形式，這一結(jié)論被稱為伽利略相對(duì)性原理.（3）牛頓的肯定時(shí)空觀.肯定的、真實(shí)的和數(shù)學(xué)的時(shí)間，由其特性確定自身勻稱地消逝著，而與一切外界事物無(wú)關(guān).肯定空間的自身特性與任何外界事物無(wú)關(guān)，它到處勻稱，永不移動(dòng).2.牛頓力學(xué)的成就.（1）牛頓力學(xué)把宇宙中的天體和地面上的物體的運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一起來(lái)，從力學(xué)上證明白自然界多樣性的統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)了人類對(duì)自然界相識(shí)的第一次理論大綜合.（2）牛頓力學(xué)在科學(xué)技術(shù)發(fā)展和社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)中始終起著重要的作用，推動(dòng)著航空、航天、艦船、車輛、機(jī)械、土木、水利和能源等各行各業(yè)不斷進(jìn)步，促進(jìn)著社會(huì)不斷發(fā)展.3.牛頓力學(xué)的局限性和適用范圍.牛頓力學(xué)只適用于低速（遠(yuǎn)小于光速）、宏觀（人類可感知尺度）、弱引力場(chǎng)（如地球旁邊）和計(jì)量精度要求不高（如全球定位系統(tǒng)須要用相對(duì)論進(jìn)行修正）的狀況.超出以上范圍，牛頓力學(xué)將不再適用，而須要用到相對(duì)論、量子力學(xué)等理論.學(xué)問(wèn)點(diǎn)二相對(duì)論時(shí)空觀1.狹義相對(duì)論的基本假設(shè).（1）相對(duì)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?cè)恚涸谌康膽T性參考系中，測(cè)得的真空中的光速都相同.2.時(shí)空相對(duì)性.（1）同時(shí)性的相對(duì)性.在一個(gè)慣性參考系中同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事務(wù)，在另一個(gè)慣性參考系看來(lái)是不同時(shí)的，這被稱為同時(shí)性的相對(duì)性.（2）時(shí)間延緩.①內(nèi)容：在運(yùn)動(dòng)參考系里的人認(rèn)為一切正常，并不感到自己四周的事務(wù)變得呆滯.這就是時(shí)間間隔的相對(duì)性，也稱為“時(shí)間延緩”“時(shí)間膨脹”或“鐘慢效應(yīng)”.②公式：Δt′＝Δteq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))\s\up12(2)).因?yàn)閑q\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))\s\up12(2))<1，所以總有Δt>Δt′.（3）長(zhǎng)度收縮.①內(nèi)容.當(dāng)物體相對(duì)于觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)時(shí)，在運(yùn)動(dòng)的方向上，觀測(cè)者測(cè)量到該物體的長(zhǎng)度要縮短，而垂直于運(yùn)動(dòng)方向的長(zhǎng)度不會(huì)發(fā)生變更.這就是空間距離的相對(duì)性，也稱為“長(zhǎng)度收縮”或“尺縮效應(yīng)”.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(shí)空彎曲.（1）光線彎曲.在大尺度的宇觀時(shí)空中存在很多大質(zhì)量天體，如大恒星、球狀星團(tuán)、星系和星系團(tuán)等，光線經(jīng)過(guò)這些大質(zhì)量天體旁邊時(shí)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這說(shuō)明整個(gè)空間不再是平直的，而變成彎曲的了.（2）時(shí)間彎曲.廣義相對(duì)論還告知我們，引力場(chǎng)的存在使得空間不同位置的時(shí)間進(jìn)程也存在差別，也可以說(shuō)時(shí)間發(fā)生了彎曲.學(xué)問(wèn)點(diǎn)三宇宙起源和演化1.古代宇宙模型.（1）在古代中國(guó)，“蓋天說(shuō)”認(rèn)為“天圓如張蓋，地方如棋局”.（2）古希臘亞里士多德相識(shí)到地球是一個(gè)球體，其理論經(jīng)托勒密等學(xué)者的進(jìn)一步發(fā)展形成了“地心說(shuō)”，成為中世紀(jì)在歐洲占統(tǒng)治地位的宇宙觀.（3）1543年哥白尼提出“日心說(shuō)”，把宇宙的中心從地球挪向了太陽(yáng)，這是人類宇宙觀念的一大飛躍.2.近現(xiàn)代宇宙模型.（1）1917年，愛(ài)因斯坦將廣義相對(duì)論應(yīng)用到整個(gè)宇宙，建立了現(xiàn)代宇宙學(xué)的第一個(gè)宇宙模型：由彎曲空間構(gòu)成，沒(méi)有邊界、沒(méi)有中心，但在整體上是有限的、靜態(tài)的宇宙.（2）1922年，蘇聯(lián)科學(xué)家費(fèi)里德曼提出了動(dòng)態(tài)的宇宙模型，認(rèn)為宇宙中的物質(zhì)從宇觀大尺度來(lái)說(shuō)其分布是勻稱的，從各個(gè)方向看都是一樣的，并且隨著時(shí)間的變更，宇宙在不斷膨脹.（3）1980年，美國(guó)科學(xué)家固斯進(jìn)一步提出暴脹理論，并指出早期宇宙的空間以指數(shù)倍的形式膨脹，暴脹過(guò)程發(fā)生在宇宙大爆炸之后的10－36s至10－32s之間.在暴脹結(jié)束后，宇宙接著膨脹，但是膨脹速度則慢得多.3.宇宙學(xué)的新進(jìn)展.20世紀(jì)后半葉至今，宇宙學(xué)探討領(lǐng)域取得了很多驕人的成就.特殊是科學(xué)家們觀測(cè)到的宇宙微波背景輻射，被譽(yù)為20世紀(jì)60年頭的四大發(fā)覺(jué)之一.該發(fā)覺(jué)榮獲1978年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).小試身手1.關(guān)于經(jīng)典力學(xué)的適用范圍和局限性，下列說(shuō)法正確的是（）A.經(jīng)典力學(xué)過(guò)時(shí)了，應(yīng)當(dāng)被量子力學(xué)所取代B.由于超音速飛機(jī)的速度太大，其運(yùn)動(dòng)不能用經(jīng)典力學(xué)來(lái)說(shuō)明C.人造衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)不適合用經(jīng)典力學(xué)來(lái)描述D.當(dāng)物體速度接近光速時(shí)，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律不適合用經(jīng)典力學(xué)來(lái)描述解析：經(jīng)典力學(xué)在低速宏觀物理過(guò)程中適用，量子力學(xué)不行替代，A錯(cuò)誤；超音速飛機(jī)的速度遠(yuǎn)低于光速，其運(yùn)動(dòng)能用經(jīng)典力學(xué)來(lái)說(shuō)明，B錯(cuò)誤；人造衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)低于光速，適合用經(jīng)典力學(xué)來(lái)描述，C錯(cuò)誤；當(dāng)物體速度接近光速時(shí)，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律不適合用經(jīng)典力學(xué)來(lái)描述，D正確.答案：D2.（多選）下列選項(xiàng)中屬于狹義相對(duì)論的基本假設(shè)的是（）A.愛(ài)因斯坦相對(duì)性原理B.經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀C.光速不變?cè)鞤.同時(shí)的肯定性原理解析：狹義相對(duì)論的動(dòng)身點(diǎn)是以下兩條基本假設(shè)：第一是愛(ài)因斯坦相對(duì)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?cè)?，不管是哪個(gè)慣性系中，測(cè)得真空中的光速都相同.答案：AC探究一經(jīng)典力學(xué)與相對(duì)論比較經(jīng)典力學(xué)與相對(duì)論、量子力學(xué)的比較.項(xiàng)目經(jīng)典力學(xué)相對(duì)論、量子力學(xué)形成時(shí)期物理學(xué)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(xué)充分發(fā)展的現(xiàn)代，理論較完善、科學(xué)適用范圍低速運(yùn)動(dòng)、宏觀世界，弱引力作用任何狀況都適用速度對(duì)質(zhì)量的影響物體的質(zhì)量不隨其速度的變更而變更物體的質(zhì)量隨其速度的增加而變大速度的合成時(shí)間與空間互不相干，關(guān)系式v船岸＝v船水＋v水岸成立速度與位移、時(shí)間的測(cè)量有關(guān)，v船岸＝v船水＋v水岸不成立引力規(guī)律牛頓的萬(wàn)有引力定律認(rèn)為物體間的引力符合“平方反比”規(guī)律愛(ài)因斯坦引力理論認(rèn)為物體間的引力不完全符合“平方反比”規(guī)律聯(lián)系（1）以下兩種狀況，相對(duì)論與經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論沒(méi)有區(qū)分：①物體的速度遠(yuǎn)小于光速c（3×108m/s）時(shí)；②“普朗克常量”（6.63×10－34J·s）可以忽視不計(jì)時(shí).（2）相對(duì)論和量子力學(xué)都沒(méi)有否定經(jīng)典力學(xué)，經(jīng)典力學(xué)是相對(duì)論、量子力學(xué)的特殊狀況【典例1】關(guān)于經(jīng)典力學(xué)，下列說(shuō)法中正確的是（）A.相對(duì)論與量子力學(xué)否定了經(jīng)典力學(xué)理論B.經(jīng)典力學(xué)可以解決自然界中全部的問(wèn)題C.經(jīng)典力學(xué)適用于微觀領(lǐng)域質(zhì)子、電子的運(yùn)動(dòng)D.經(jīng)典力學(xué)適用于放射的導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船的運(yùn)動(dòng)解析：相對(duì)論與量子力學(xué)并沒(méi)有否定經(jīng)典力學(xué)，而是在其基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，有各自成立范圍，A錯(cuò)誤；經(jīng)典力學(xué)只能解決宏觀低速物體，對(duì)于微觀高速物體不再適用，B、C錯(cuò)誤；經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀低速物體，適用于放射的導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船的運(yùn)動(dòng)，D正確.答案：D1.下列運(yùn)動(dòng)中經(jīng)典力學(xué)不適用的是（）A.火箭的放射B.速度接近光速的物體的運(yùn)動(dòng)C.“墨子號(hào)”在太空的運(yùn)動(dòng)D.宇宙飛船繞地球的運(yùn)動(dòng)解析：經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀、低速物體的運(yùn)動(dòng)，而不適用于微觀、高速物體的運(yùn)動(dòng)，故選B.答案：B2.下列說(shuō)法正確的是（）A.在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而變更；在狹義相對(duì)論中，物體的質(zhì)量也不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而變更B.狹義相對(duì)論和經(jīng)典力學(xué)是完全不同、相互沖突的兩個(gè)理論C.在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體的運(yùn)動(dòng)聽(tīng)從狹義相對(duì)論；在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體的運(yùn)動(dòng)聽(tīng)從牛頓運(yùn)動(dòng)定律D.以上說(shuō)法都是錯(cuò)誤的解析：在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而變更；在狹義相對(duì)論中，物體的質(zhì)量隨物體運(yùn)動(dòng)速度的增大而增大，選項(xiàng)A錯(cuò)誤.狹義相對(duì)論沒(méi)有否定經(jīng)典力學(xué)，經(jīng)典力學(xué)是狹義相對(duì)論在肯定條件下的特殊情形，選項(xiàng)B錯(cuò)誤.經(jīng)典力學(xué)適用于低速運(yùn)動(dòng)的物體，狹義相對(duì)論闡述物體在以接近光速運(yùn)動(dòng)時(shí)所遵循的規(guī)律，選項(xiàng)C正確，選項(xiàng)D錯(cuò)誤.答案：C探究二對(duì)相對(duì)論中“兩個(gè)基本原理”和“相對(duì)論效應(yīng)”的理解兩個(gè)基本原理.（1）相對(duì)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(gè)物體的某一運(yùn)動(dòng)過(guò)程，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的形式不變.（2）光速不變?cè)恚涸谝磺袘T性參考系中，測(cè)量到的真空中的光速c都一樣，表明白經(jīng)典時(shí)空觀與相對(duì)論時(shí)空觀的不同，比較如下：時(shí)空觀經(jīng)典時(shí)空觀相對(duì)論時(shí)空觀運(yùn)動(dòng)狀況同一運(yùn)動(dòng)對(duì)不同參考系描述結(jié)果不同，即速度不同光在一切慣性參考系中傳向各個(gè)方向的速度不變時(shí)間與空間的關(guān)系時(shí)間勻稱消逝，空間不變更，與運(yùn)動(dòng)狀況及外部條件無(wú)關(guān)時(shí)間、空間都隨運(yùn)動(dòng)狀況而變更幾個(gè)結(jié)論①同時(shí)的肯定性；②時(shí)間間隔的肯定性；③空間距離的肯定性；④物體的質(zhì)量恒定不變①同時(shí)的相對(duì)性；②運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘變慢；③運(yùn)動(dòng)的尺子縮短；④物體的質(zhì)量隨速度的增大而增大【典例2】例如有一對(duì)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(jù)A在地球上的觀測(cè)，大角星離地球有40萬(wàn)光年遠(yuǎn)，這次B來(lái)回飛行經(jīng)驗(yàn)時(shí)間為80.8年.假如B在離開地球時(shí)，他們的年齡都為20歲，試問(wèn)當(dāng)B回到地球時(shí)，他們的年齡各有多大？解析：設(shè)B在飛船慣性系中經(jīng)驗(yàn)時(shí)間為t′，依據(jù)鐘慢效應(yīng)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(shí)的年齡為20＋35.2＝55.2（歲）.此時(shí)A的年齡為20＋80.8＝100.8（歲）.答案：此時(shí)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(guò)的火箭，關(guān)于地面上的人和火箭中的人視察到的現(xiàn)象，以下說(shuō)法正確的是（）A.地面上的人視察到火箭變短了，火箭上的時(shí)間進(jìn)程變快了B.地面上的人視察到火箭變短了，火箭上的時(shí)間進(jìn)程變慢了C.火箭上的人視察到地面上的物體的長(zhǎng)度和時(shí)間進(jìn)程均無(wú)變更D.火箭上的人看到地面上的物體長(zhǎng)度變小，時(shí)間進(jìn)程變慢了解析：依據(jù)“尺縮效應(yīng)”“動(dòng)鐘變慢”原理，地面上的人視察到火箭變短了，火箭