2024-2025學(xué)年新教材高中物理第5章牛頓力學(xué)的局限性與相對(duì)論初步第1節(jié)牛頓力學(xué)的成就與局限性第2節(jié)相對(duì)論時(shí)空觀第3節(jié)宇宙起源和演化學(xué)案粵教版必修第二冊(cè)

PAGE6-第一節(jié)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)：1.[物理觀念]了解牛頓力學(xué)的局限性和適用范圍。2.[物理觀念]了解狹義相對(duì)論的基本假設(shè)。3.[物理觀念]了解近現(xiàn)代宇宙模型。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：牛頓運(yùn)動(dòng)定律成立的參考系。(2)非慣性參考系：牛頓運(yùn)動(dòng)定律不成立的參考系。(3)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。(4)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關(guān)，肯定空間的自身特性與任何外界事物無關(guān)，它到處勻稱，永不移動(dòng)。2．牛頓力學(xué)的成就牛頓力學(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，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。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)量精度要求不高的狀況。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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)慣性參考系看來是不同時(shí)的。(2)時(shí)間延緩：①公式：Δt′＝Δteq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up12(2))，因?yàn)閑q\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up12(2))＜1，所以總有Δt＞Δt′。②意義：在站臺(tái)上將觀測(cè)到火車上的時(shí)間進(jìn)程變慢了，而在運(yùn)動(dòng)參考系里的人認(rèn)為一切正常，這就是時(shí)間間隔的相對(duì)性，也稱為“時(shí)間延緩”。(3)長度收縮①公式：l′＝leq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up12(2))，由于eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up12(2))＜1，所以總有l(wèi)′＜l。②意義：物體相對(duì)于視察者運(yùn)動(dòng)時(shí)，在運(yùn)動(dòng)的方向上，觀測(cè)者測(cè)量到該物體的長度要縮短，而垂直于運(yùn)動(dòng)方向的長度不會(huì)發(fā)生改變，這就是空間距離的相對(duì)性，也稱為“長度收縮”。3．時(shí)空彎曲：依據(jù)廣義相對(duì)論，物體的引力場(chǎng)會(huì)使光線彎曲，引力場(chǎng)越強(qiáng)，光線彎曲越厲害。三、宇宙起源和演化1．古代宇宙模型：主要有“地心說”和“日心說”。2．近現(xiàn)代宇宙模型(1)愛因斯坦的第一宇宙模型：由彎曲空間構(gòu)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)大爆炸理論是目前描述宇宙起源和演化最好的理論。1．思索推斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)在經(jīng)典力學(xué)中，時(shí)間、長度和質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)沒有關(guān)系。 (√)(2)相對(duì)論，完全否定了經(jīng)典力學(xué)的理論。 (×)(3)時(shí)鐘延緩效應(yīng)是低速的時(shí)鐘比高速的時(shí)鐘走的慢。 (×)(4)汽車運(yùn)動(dòng)時(shí)沒發(fā)覺長度改變，故狹義相對(duì)論是錯(cuò)誤的。 (×)2．(多選)20世紀(jì)以來，人們發(fā)覺了一些新的事實(shí)，而經(jīng)典力學(xué)卻無法說明。經(jīng)典力學(xué)只適用于解決物體的低速運(yùn)動(dòng)問題，不能用來處理高速運(yùn)動(dòng)問題；只適用于宏觀物體，一般不適用于微觀粒子。這說明()A．隨著相識(shí)的發(fā)展，經(jīng)典力學(xué)已成了過時(shí)的理論B．人們對(duì)客觀事物的詳細(xì)相識(shí)，在廣度上是有局限性的C．經(jīng)典力學(xué)與相對(duì)論是相互沖突的一對(duì)理論D．人們應(yīng)當(dāng)不斷地?cái)U(kuò)展相識(shí)，在更廣袤的領(lǐng)域內(nèi)駕馭不同事物的本質(zhì)與規(guī)律BD[人們對(duì)客觀世界的相識(shí)，要受到所處的時(shí)代的客觀條件和科學(xué)水平的制約，所以形成的看法也都具有肯定的局限性，人們只有不斷地?cái)U(kuò)展自己的相識(shí)，才能駕馭更廣袤領(lǐng)域內(nèi)的不同事物的本質(zhì)與規(guī)律；新的科學(xué)的誕生，并不意味著對(duì)原來科學(xué)的全盤否定，只能認(rèn)為過去的科學(xué)是新的科學(xué)在肯定條件下的特別情形。所以A、C錯(cuò)，B、D對(duì)。]3.如圖所示，沿平直鐵路途有間距相等的三座鐵塔A、B和C。假想有一列車沿AC方向以接近光速行駛，當(dāng)鐵塔B發(fā)出一個(gè)閃光，列車上的視察者測(cè)得A、C兩鐵塔被照亮的依次是()A．同時(shí)被照亮 B．A先被照亮C．C先被照亮 D．無法推斷C[列車上的視察者看到的是由B發(fā)出后經(jīng)過A和C反射的光，由于列車在這段時(shí)間內(nèi)向C運(yùn)動(dòng)，靠近C而遠(yuǎn)離A，所以C的反射光先到達(dá)列車上的視察者，視察者看到C先被照亮，故只有C正確。]經(jīng)典力學(xué)的成就與局限性1.經(jīng)典力學(xué)的巨大成就(1)從地面上物體的運(yùn)動(dòng)到天體的運(yùn)動(dòng)。(2)從大氣的流淌到地殼的變動(dòng)。(3)從攔河筑壩、修建橋梁到設(shè)計(jì)各種機(jī)械。(4)從自行車到汽車、火車、飛機(jī)等現(xiàn)代交通工具的運(yùn)動(dòng)。(5)從投出籃球到放射導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船……全部這些都聽從經(jīng)典力學(xué)的規(guī)律。2．牛頓運(yùn)動(dòng)定律的適用范圍宏觀：能用通常方法測(cè)量與視察的物體。低速：遠(yuǎn)小于光速的速度。弱引力：物體的半徑遠(yuǎn)小于引力半徑時(shí)物體之間存在的作用力?！纠?】(多選)牛頓運(yùn)動(dòng)定律能適用于下列哪些狀況()A．探討原子中電子的運(yùn)動(dòng)B．探討“神舟五號(hào)”的高速放射C．探討地球繞太陽的運(yùn)動(dòng)D．探討飛機(jī)從深圳飛往北京的航線BCD[牛頓力學(xué)適用于宏觀、低速運(yùn)動(dòng)的物體，要留意低速和高速的標(biāo)準(zhǔn)是相對(duì)于光速而言的，則可判定牛頓運(yùn)動(dòng)定律適用于B、C、D中描述的運(yùn)動(dòng)。探討原子中電子的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入了微觀世界，牛頓運(yùn)動(dòng)定律不再適用，所以A不適用。]eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])1．(多選)牛頓的經(jīng)典力學(xué)能很好地說明下列哪些現(xiàn)象()A．高速馬路上行駛的汽車B．空氣中下落的雨滴C．原子核外電子繞核的轉(zhuǎn)動(dòng)D．空氣中漂移的肥皂泡ABD[經(jīng)典力學(xué)只適用于低速運(yùn)動(dòng)，不適用于高速運(yùn)動(dòng)；只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界。高速馬路上行駛的汽車、空氣中下落的雨滴、空氣中漂移的肥皂泡都屬于宏觀、低速范疇，經(jīng)典力學(xué)適用；原子核外電子繞核的轉(zhuǎn)動(dòng)屬于微觀現(xiàn)象，經(jīng)典力學(xué)不適用。]狹義相對(duì)論的主要結(jié)論1.時(shí)間延緩效應(yīng)在相對(duì)論時(shí)空觀中，運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘與靜止時(shí)鐘的關(guān)系：Δt＝eq\f(Δt′,\r(1－\f(v2,c2)))，由上式可以看出v<c，Δt>Δt′，因此假如某時(shí)鐘所顯示的某個(gè)物理過程經(jīng)驗(yàn)的時(shí)間間隔小，我們稱該時(shí)鐘走得慢，所以我們說運(yùn)動(dòng)的鐘比靜止的鐘走得慢。這種效應(yīng)被稱為時(shí)間延緩。2．長度收縮效應(yīng)依據(jù)狹義相對(duì)論時(shí)空觀，空間也與運(yùn)動(dòng)親密相關(guān)，即對(duì)某物體空間廣延性的觀測(cè)，與觀測(cè)者和該物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)有關(guān)。觀測(cè)長度l′與靜止長度l之間的關(guān)系：l′＝leq\r(1－\f(v2,c2))，由于v<c，所以l′<l。這種長度觀測(cè)效應(yīng)被稱為長度收縮?！纠?】半人馬星座α星是離太陽系最近的恒星，它距地球?yàn)?.3×1016m。設(shè)有一宇宙飛船自地球來回于半人馬星座(1)若宇宙飛船的速率為0.999c(2)如以飛船上時(shí)鐘計(jì)算，來回一次的時(shí)間又為多少？[解析](1)由于題中恒星與地球的距離s和宇宙飛船的速度v均是地球上的視察者測(cè)量的，故飛船來回一次，地球時(shí)鐘所測(cè)時(shí)間間隔Δt＝eq\f(2s,v)＝2.87×108s。(2)可從相對(duì)論的時(shí)間延緩效應(yīng)考慮。把飛船離開地球和回到地球視為兩個(gè)事務(wù)，明顯飛船上的鐘測(cè)出兩事務(wù)的時(shí)間間隔Δt′是固定的，地球上所測(cè)的時(shí)間間隔Δt與Δt′之間滿意時(shí)間延緩效應(yīng)的關(guān)系式。以飛船上的時(shí)鐘計(jì)算，飛船來回一次的時(shí)間間隔為Δt′＝Δteq\r(1－\f(v2,c2))＝1.28×107s。[答案](1)2.87×108s(2)1.28×107s時(shí)間延緩效應(yīng)和長度收縮效應(yīng)的應(yīng)用方法1．(1)“鐘慢效應(yīng)”或“動(dòng)鐘變慢”是在兩個(gè)不同慣性系中進(jìn)行時(shí)間比較的一種效應(yīng)，不要認(rèn)為是時(shí)鐘的結(jié)構(gòu)或精度因運(yùn)動(dòng)而發(fā)生了改變，而是在不同參考系中對(duì)時(shí)間的觀測(cè)效應(yīng)。(2)運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘變慢完全是相對(duì)的，在兩個(gè)慣性參考系中的觀測(cè)者都將發(fā)覺對(duì)方的鐘變慢了。2．(1)長度收縮效應(yīng)是狹義相對(duì)論時(shí)空觀的一種體現(xiàn)，即在不同慣性系中的觀測(cè)者對(duì)同一物體的同一個(gè)空間廣延性進(jìn)行觀測(cè)，測(cè)得的結(jié)果不同。(2)這種沿著運(yùn)動(dòng)方向的長度的改變是相對(duì)的；另外垂直于速度方向的長度不變。eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])2．一支靜止時(shí)長l的火箭以v的速度從視察者的身邊飛過。(1)火箭上的人測(cè)得火箭的長度應(yīng)為多少？(2)視察者測(cè)得火箭的長度應(yīng)為多少？(3)假如火箭的速度為光速的二分之一，視察者測(cè)得火箭的長度應(yīng)為多少？[解析](1)火箭上的人測(cè)得的火箭長度與火箭靜止時(shí)測(cè)得的長度相同，即為l。(2)火箭外面的視察者看火箭時(shí)，有相對(duì)速度v，測(cè)量長度將變短，由相對(duì)論長度收縮效應(yīng)公式知l′＝leq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up12(2))，其中c為真空中的光速。(3)將v＝eq\f(c,2)代入長度收縮效應(yīng)公式得l′＝eq\f(\r(3),2)l。[答案](1)l(2)leq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up12(2))(3)eq\f(\r(3),2)l1．物理觀念：肯定時(shí)空觀、牛頓力學(xué)的局限性和適用范圍。2．科學(xué)思維：時(shí)間延緩和長度收縮。3．物理觀念：時(shí)空彎曲。1．(多選)關(guān)于牛頓力學(xué)的宏大成就，下列論述正確的是()A．牛頓力學(xué)第一次實(shí)現(xiàn)了對(duì)自然界相識(shí)的理論大綜合B．牛頓力學(xué)第一次預(yù)言了宇宙中黑洞的存在C．牛頓力學(xué)第一次向人們展示了時(shí)間的相對(duì)性D．人們借助于牛頓力學(xué)中的探討方法，建立了完整的經(jīng)典物理學(xué)體系A(chǔ)D[牛頓力學(xué)把天上物體和地面上物體的運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一了起來，第一次實(shí)現(xiàn)了人類對(duì)自然界相識(shí)的理論大綜合。在探討方法上，人們把牛頓力學(xué)中行之有效的試驗(yàn)與數(shù)學(xué)相結(jié)合的方法推廣到物理學(xué)的各個(gè)分支上，相繼建立了熱學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)等，形成了完整的經(jīng)典物理學(xué)體系。綜上所述，應(yīng)選AD。]2．(多選)下列說法中哪些屬于經(jīng)典時(shí)空觀的觀點(diǎn)()A．世界的過去、現(xiàn)在和將來都只有量的改變，而不會(huì)發(fā)生質(zhì)的改變B．時(shí)間和空間不依靠人們的意識(shí)而存在C．時(shí)間和空間是肯定的D．時(shí)間和空間是緊密聯(lián)系、不行分割的ABC[經(jīng)典時(shí)空觀認(rèn)為時(shí)間和空間都是與外界事物無關(guān)的、肯定的，選項(xiàng)A、B、C屬于經(jīng)典時(shí)空觀；選項(xiàng)D屬于相對(duì)論時(shí)空觀。]3．如圖所示，強(qiáng)強(qiáng)乘坐速度為0.9c(c為光速)的宇宙飛船追逐正前方的壯壯，壯壯的飛行速度為0.5A．0.4c B．C．0.9c D．D[由狹義相對(duì)論的光速不變?cè)碇?，真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的，可知D正確，A、B、C錯(cuò)誤。]4．慣性系S中有一邊長為l的正方形，從相對(duì)S系沿x方向以接近光速勻速飛行的飛行器上測(cè)得該正方形的圖像是()ABCDC[依據(jù)相對(duì)論的尺縮效應(yīng)，可知沿速度方向(即x方向)的長度變短了，而垂直于速度方向(即y方向)的長度不變，故C正確。]5．地面上長100km