上海市高三物理二輪復習講義第七單元牛頓力學的局限性與相對論初步

第七單元牛頓力學的局限性與相對論初步目錄TOC\o"13"\h\u第1講牛頓力學的局限性與相對論初步 1課標要求:1.知道牛頓定律的局限性,體會人類對自然界的探索是不斷深入的。2.初步了解相對論時空觀。3.關注宇宙起源和演化的研究進展。知識結構第1講牛頓力學的局限性與相對論初步內容梳理【概念規(guī)律】一、牛頓力學的局限性1.牛頓力學的局限性以下三種情況,牛頓力學不再適用:(1)物體以接近光速運動時;(2)描述微觀粒子(如電子、質子、中子等)的運動時;(3)描述強引力場天體(如中子星、黑洞等)的運動時。2.牛頓力學的適用范圍__________、低速、__________。二、相對論的時空觀(一)狹義相對論1.狹義相對論中的兩條原理(1)相對性原理:物理規(guī)律包括電磁規(guī)律,在所有慣性系中都具有__________的形式。(2)光速不變原理:真空中的光速在所有慣性系中都是相同的,與光源和觀測者的速度無關。2.兩條原理引發(fā)的結論(1)同時的相對性：根據(jù)愛因斯坦的假設,如果兩個事件在一個參考系中是同時的,但在另一個參考系中不一定是同時的。(2)時間延緩效應(__________效應)如果一列車沿直線軌道以勻速v向右運動,列車上的人觀察到列車上的物體完成某個動作的時間間隔為Δt',而地面上的人觀察到該物體完成這個動作的時間間隔為Δt,則有Δt=即在慣性系中,運動的鐘比靜止的鐘要走得慢。(3)長度收縮效應(__________效應)如果一桿以速度v沿桿向右運動,與桿相對靜止的人測得桿長是L0,地面上的人測得桿長是L,則有L=L01?(4)質量膨脹效應一物體靜止時的質量為m0,運動時的質量為m,則有m(5)愛因斯坦質能方程:E=(二)廣義相對論1.廣義相對論中的兩條原理(1)廣義相對性原理:物理規(guī)律在任何參考系中都具有相同的形式。(2)等效原理:一個均勻引力場與一個做勻加速運動的參考系等價。2.廣義相對論的應用準確地解釋了水星公轉軌道的近日點進動,光經(jīng)過太陽等大質量天體時的偏折,引力場中的譜線紅移和時鐘變慢以及引力波的輻射等。三、宇宙的起源與演化1.宇宙的起源美國天文學家哈勃通過對大量星系的觀測發(fā)現(xiàn),銀河系以外的絕大部分星系都在遠離我們,即星系都在退行,并且離我們越遠的星系,其退行速度就越__________。隨后,物理學家伽莫夫等人提出了大爆炸宇宙學,即我們的宇宙起源于約138億年前的大爆炸。2.宇宙的演化3.恒星的演化恒星演化為分誕生期、存在期和死亡期。(1)恒星的壽命①一顆恒星的壽命取決于它的質量,質量越大,壽命越__________。②太陽的壽命大約為100億年,太陽正值“壯年”。③當恒星變?yōu)榧t色的巨星或超巨星時,就意味著這顆恒星將要度過它光輝的一生了。(2)恒星的演化小質量的恒星:星云→原恒星→主星序→紅巨星→行星狀星云→__________星大質量的恒星:星云→原恒星→主星序→超紅巨星→超新星→__________星或黑洞4.暗物質為了解釋星系及星系團的形成和穩(wěn)定,物理學家提出宇宙空間中還應存在一種望遠鏡無法觀測到的暗物質,暗物質的總質量要遠遠大于宇宙中所有可見物質的質量總和。5.暗能量為了解釋宇宙的加速膨脹,物理學家引入了充滿整個宇宙并具有負壓性質的暗能量。根據(jù)對宇宙微波背景輻射的精確測量可以得知,暗能量約占整個宇宙的68%,暗物質約占27%,而普通的可見物質只占5%左右。答案:一、宏觀弱引力場二、相同鐘慢尺縮三、大短白矮中子【問題情境舉隅】牛頓力學的局限性現(xiàn)代大型高能粒子加速器可以把粒子的速度加速到與光速極為接近的程度,但無法超過光速;盧瑟福基于牛頓力學,提出了原子核式結構模型,對原子物理的發(fā)展作出了極為重要的貢獻;牛頓力學在解釋中子星、黑洞等強引力場天體的運動時,碰到了困難。相對論的時空觀高速運動的飛船中時間走得慢,導致雙生子佯謬問題;高速運動的物體,沿運動方向的長度會縮短;水星繞太陽每公轉一周,近日點會出現(xiàn)偏離,與廣義相對論的計算結果相符;恒星的光線經(jīng)過大質量天體附近時發(fā)生偏折,形成愛因斯坦環(huán)。宇宙的起源與演化科學家認為宇宙起源于138億年前的大爆炸,大爆炸之后形成了時間和空間;宇宙在大爆炸后,經(jīng)過很長時間的演化,逐漸產(chǎn)生了基本粒子、恒星、星系等;恒星從誕生開始,經(jīng)歷較長時間的存在期,最終到死亡期,變成白矮星、中子星或黑洞。關鍵點撥牛頓力學的局限性【例題1】質量m=1.67×10?27kg的質子在高能粒子加速器中被加速到動能為Ek=1.6×課堂筆記:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________?！军c撥1】牛頓力學的局限性:牛頓運動定律只適用于宏觀、低速、弱引力場，而不適用于微觀、高速、強引力場的情況。相對論的時空觀【例題2】在一個高速旋轉的巨大轉盤上放置三個完全相同的時鐘,a放在轉軸處,b放在中間,c放在邊緣處,如圖所示。對于地面上的觀察者,根據(jù)相對論判斷三個時鐘的快慢情況,則 ()A.a鐘最快,b、c鐘一樣慢 B.a鐘最慢,C.a鐘最快,c鐘最慢 D.a鐘最慢,c鐘最快課堂筆記:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________?！军c撥2】在相對論下,會引發(fā)鐘慢效應、尺縮效應和質量膨脹效應。過關演練【經(jīng)典過關】1.研究下列問題時,能用牛頓運動定律分析研究的是 ()A.繞原子核做圓周運動的電子的運動 B.月球繞地球所做的圓周運動C.兩個黑洞的碰撞合并過程 D.高能加速器中電子的運動2.若一列火車以接近光速的速度在高速行駛,車上的人用望遠鏡來觀察地面上的一只排球,如圖所示,其觀察的結果是 ()A.像一只乒乓球(體積變小) B.像一只籃球(體積變大)C.像一只橄欖球(豎直放置) D.像一只橄欖球(水平放置)【綜合演練】宇宙空間存在大量的氣體、塵埃等物質,在引力作用下,這些氣體和塵埃聚集收縮成密度較大的原始星云,最后進一步收縮形成原恒星。原恒星在引力作用下進一步收縮,形成一個密度極大的核心,溫度越來越高。當核心溫度達到107K時,點燃熱核反應并輻射能量,于是新的恒星誕生了。1.小李同學借助天文臺的天文望遠鏡觀測新產(chǎn)生的一顆小質量恒星A101,并拍下了該恒星的照片,則照片上的恒星是它__________的樣子(選填“現(xiàn)在”“過去”或“將來”)，當這顆恒星步入死亡期時,它最終會變成一顆__________星。2.小李在觀測恒星A101時,也看到了該恒星附近的其他恒星,根據(jù)大爆炸理論,他現(xiàn)在看到的恒星間的距離比原先要更__________,由于宇宙在加速膨脹因此宇宙的半徑也在發(fā)生變化,則下列圖像中能