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第一节 牛顿力学的成就与局限性
第五章 牛顿力学的局限性与相对论初步
1.了解惯性参考系和非惯性参考系，知道什么是绝对时空观。
2.了解牛顿力学的成就与局限性。
素养目标
知识点一 绝对时空观 牛顿力学的成就
情境导入 如图所示，在匀速直线前进的车厢顶部，有一个白色小球和一个黑色小球同时开始自由落下。甲同学相对于车厢保持静止，而乙同学相对于地面保持静止，则：
(1)白球相对于甲同学做的是什么运动？
提示：自由落体运动
(2)白球相对于乙同学做的是什么运动？
提示：平抛运动
(3)白球相对于黑球做的是什么运动？
提示：静止
自主学习
(4)在上述三种参考系中，白球的运动都能够应用牛顿运动定律来描述吗？
提示：前两种参考系中能应用牛顿运动定律进行描述，最后一种参考系中不能应用牛顿运动定律描述。
教材梳理 (阅读教材P119—P121完成下列填空)
1．绝对时空观
(1)惯性参考系：在牛顿力学体系中，如果______________在某个参考系中成立，这个参考系就被称为惯性参考系，所有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。
(2)非惯性参考系：牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性参考系。
(3)伽利略相对性原理：在所有的惯性参考系中，力学规律都具有____________。
(4)绝对时空观：时间和空间__________、__________，且不受物质或运动的影响。
牛顿运动定律
相同的形式
彼此独立
互不关联
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，从力学上证明了自然界多样性的统一，实现了人类对自然界认识的________理论大综合。
(2)首次告诉人们以现象观察和__________为基础是自然科学理论的基本特征。
(3)建立了以实验和数学相结合的研究方法。
(4)推动了其他学科的发展，与其他基础科学相结合产生了一些交叉性的分支学科。
第一次
实验研究
师生互动 如图所示，乙同学相对地面静止，汽车加速前进时，乙同学相对甲同学加速度还为零吗？牛顿运动定律还成立吗？
提示：乙同学相对甲同学加速度不为零，牛顿运动定律不成立。
课堂探究
下列说法正确的是
A．牛顿运动定律就是牛顿力学
B．牛顿力学的基础是牛顿运动定律
C．牛顿运动定律可以解决自然界中所有的问题
D．牛顿力学推动舰船、车辆、机械、土木和能源等各行各业的进步，但对航空航天业无能为力
√
例1
牛顿运动定律并不等于牛顿力学，牛顿力学通常指以牛顿运动定律为核心的矢量力学，牛顿力学并非万能，也有其适用范围，并不能解决自然界中所有的问题，没有哪个理论可以解决自然界中所有问题，A、C错误，B正确；导弹、卫星、飞船和飞机的运动都遵循牛顿运动定律，D错误。
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知识点二 牛顿力学的局限性和适用范围
情境导入 对于运动速度为104 m/s数量级的人造卫星，
用牛顿力学研究它们的运动规律，所得结果与实际情况
基本一致。当质子被加速到2.9×108 m/s时，牛顿力学的
计算结果与实验结果的偏差可达到15倍。牛顿力学对高
速运动的粒子还适用吗？它有怎样的局限性？
提示：不适用，牛顿力学适用于宏观低速运动的物体，不适用于高速微观的粒子。
自主学习
教材梳理 (阅读教材P121～P122完成下列填空)
1．牛顿力学的局限性
(1)牛顿力学的应用受到物体运动__________的限制。当物体运动的速率接近于真空中的光速时，牛顿力学不再适用。
(2)牛顿运动定律不适用于______领域物质结构和能量不连续的现象。
(3)牛顿运动定律和万有引力定律对于受到________作用的物体的运动也不适用。
速度大小
微观
强引力
2．牛顿力学的适用范围：适用于______(远小于光速)、______(人类可感知尺度)、__________(如地球附近)和计量精度要求不高(如全球定位系统需要用相对论进行修正)的情况。
3．超出牛顿力学的适用范围时，相对论可以描述物体的运动规律，量子力学可以描述微观粒子的运动规律。但相对论和量子力学并未否定牛顿力学，只认为牛顿力学是在一定条件下的特殊情形。
低速
宏观
弱引力场
师生互动 任务1.洲际导弹的速度可达到6 000 m/s，在这种高速运动状态下，牛顿力学是否还适用？
提示：适用
任务2.对于质子、电子的运动情况，牛顿力学是否还适用？
提示：不适用
课堂探究
(2024·茂名市第一中学高一校考期末)下列物理现象，用牛顿力学无法解释的是
A．高速运动的μ子寿命变长
B．人造卫星绕地球做匀速圆周运动
C．汽车转弯时发生的侧滑现象
D．随瀑布自由下落的物体不受浮力作用
例2
√
高速运动的μ子寿命变长涉及到高速微观领域，牛顿力学对于高速微观领域不适用，牛顿力学无法解释，与题意相符；B、C、D项用牛顿力学可以解释，与题意不符。故选A。
(多选)下列不遵循牛顿力学规律的是
A．自行车、汽车、火车和飞机等交通工具的运动
B．发射导弹、人造卫星和宇宙飞船
C．物体运动的速率接近于真空中的光速
D．能量的不连续现象
例3
√
√
牛顿力学只适用于宏观、低速运动的物体，所以A、B正确，C错误；能量的不连续现象不适用于牛顿力学规律，所以D错误。
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随堂演练 对点落实
1．(多选)以下说法正确的是
A．经典物理学家认为如果两个事件在一个参考系中是同时的，在另一个参考系中也是同时的
B．对于宏观物体的低速运动问题，量子力学与牛顿力学的结论是一致的
C．牛顿力学不仅适用于宏观物体的低速运动，也适用于微观粒子的高速运动
D．相对论与量子力学否定了牛顿力学理论
√
√
2．(多选)关于牛顿力学的成就，下列说法中正确的是
A．牛顿力学把天体的运动与地上物体的运动统一起来，是人类对自然界认识的第一次大综合，是人类认识史上的一次重大飞跃
B．18世纪60年代，力学与热学的发展及其与生产的结合引发了第一次工业革命
C．火箭、人造地球卫星、航天飞机、宇宙飞船、行星探测器等航天器的发射，都是牛顿力学规律的应用范例
D．牛顿力学是解决高速运动的物理理论
√
√
√
3.牛顿力学规律有其局限性。物体以下列哪个速度运动时，牛顿力学规律不适用
A．2.5×10-5 m/s
B．2.5×102 m/s
C．3.5×103 m/s
D．2.5×108 m/s
√
4．(多选)牛顿力学有一定的适用范围和局限性，下列适用于牛顿力学描述的运动是
A．子弹的飞行
B．飞船绕地球的运行
C．列车的运行
D．粒子接近光速的运动
√
√
√
牛顿力学的适用范围是宏观物体的低速运动。子弹的飞行、飞船绕地球的运行和列车的运行都是宏观物体的低速运动，牛顿力学适用；而粒子接近光速的运动属于微观物体的高速运动，牛顿力学不适用。故选A、B、C。
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【素养目标】 1.了解惯性参考系和非惯性参考系，知道什么是绝对时空观。 2.了解牛顿力学的成就与局限性。
知识点一 绝对时空观 牛顿力学的成就
【情境导入】 如图所示，在匀速直线前进的车厢顶部，有一个白色小球和一个黑色小球同时开始自由落下。甲同学相对于车厢保持静止，而乙同学相对于地面保持静止，则：
(1)白球相对于甲同学做的是什么运动？
(2)白球相对于乙同学做的是什么运动？
(3)白球相对于黑球做的是什么运动？
(4)在上述三种参考系中，白球的运动都能够应用牛顿运动定律来描述吗？
提示：(1)自由落体运动 (2)平抛运动 (3)静止 (4)前两种参考系中能应用牛顿运动定律进行描述，最后一种参考系中不能应用牛顿运动定律描述。
【教材梳理】 (阅读教材P119—P121完成下列填空)
1．绝对时空观
(1)惯性参考系：在牛顿力学体系中，如果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，所有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。
(2)非惯性参考系：牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性参考系。
(3)伽利略相对性原理：在所有的惯性参考系中，力学规律都具有相同的形式。
(4)绝对时空观：时间和空间彼此独立、互不关联，且不受物质或运动的影响。
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，从力学上证明了自然界多样性的统一，实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合。
(2)首次告诉人们以现象观察和实验研究为基础是自然科学理论的基本特征。
(3)建立了以实验和数学相结合的研究方法。
(4)推动了其他学科的发展，与其他基础科学相结合产生了一些交叉性的分支学科。
【师生互动】 如图所示，乙同学相对地面静止，汽车加速前进时，乙同学相对甲同学加速度还为零吗？牛顿运动定律还成立吗？
提示：乙同学相对甲同学加速度不为零，牛顿运动定律不成立。
下列说法正确的是( )
A．牛顿运动定律就是牛顿力学
B．牛顿力学的基础是牛顿运动定律
C．牛顿运动定律可以解决自然界中所有的问题
D．牛顿力学推动舰船、车辆、机械、土木和能源等各行各业的进步，但对航空航天业无能为力
答案：B
解析：牛顿运动定律并不等于牛顿力学，牛顿力学通常指以牛顿运动定律为核心的矢量力学，牛顿力学并非万能，也有其适用范围，并不能解决自然界中所有的问题，没有哪个理论可以解决自然界中所有问题，A、C错误，B正确；导弹、卫星、飞船和飞机的运动都遵循牛顿运动定律，D错误。
知识点二 牛顿力学的局限性和适用范围
【情境导入】 对于运动速度为104 m/s数量级的人造卫星，用牛顿力学研究它们的运动规律，所得结果与实际情况基本一致。当质子被加速到2.9×108 m/s时，牛顿力学的计算结果与实验结果的偏差可达到15倍。牛顿力学对高速运动的粒子还适用吗？它有怎样的局限性？
提示：不适用，牛顿力学适用于宏观低速运动的物体，不适用于高速微观的粒子。
【教材梳理】 (阅读教材P121～P122完成下列填空)
1．牛顿力学的局限性
(1)牛顿力学的应用受到物体运动速度大小的限制。当物体运动的速率接近于真空中的光速时，牛顿力学不再适用。
(2)牛顿运动定律不适用于微观领域物质结构和能量不连续的现象。
(3)牛顿运动定律和万有引力定律对于受到强引力作用的物体的运动也不适用。
2．牛顿力学的适用范围：适用于低速(远小于光速)、宏观(人类可感知尺度)、弱引力场(如地球附近)和计量精度要求不高(如全球定位系统需要用相对论进行修正)的情况。
3．超出牛顿力学的适用范围时，相对论可以描述物体的运动规律，量子力学可以描述微观粒子的运动规律。但相对论和量子力学并未否定牛顿力学，只认为牛顿力学是在一定条件下的特殊情形。
【师生互动】 任务1. 洲际导弹的速度可达到6 000 m/s，在这种高速运动状态下，牛顿力学是否还适用？
任务2. 对于质子、电子的运动情况，牛顿力学是否还适用？
提示：任务1. 适用 任务2. 不适用
(2024·茂名市第一中学高一校考期末)下列物理现象，用牛顿力学无法解释的是( )
A．高速运动的μ子寿命变长
B．人造卫星绕地球做匀速圆周运动
C．汽车转弯时发生的侧滑现象
D．随瀑布自由下落的物体不受浮力作用
答案：A
解析：高速运动的μ子寿命变长涉及到高速微观领域，牛顿力学对于高速微观领域不适用，牛顿力学无法解释，与题意相符；B、C、D项用牛顿力学可以解释，与题意不符。故选A。
(多选)下列不遵循牛顿力学规律的是( )
A．自行车、汽车、火车和飞机等交通工具的运动
B．发射导弹、人造卫星和宇宙飞船
C．物体运动的速率接近于真空中的光速
D．能量的不连续现象
答案：CD
解析：牛顿力学只适用于宏观、低速运动的物体，所以A、B正确，C错误；能量的不连续现象不适用于牛顿力学规律，所以D错误。
1．(多选)以下说法正确的是( )
A．经典物理学家认为如果两个事件在一个参考系中是同时的，在另一个参考系中也是同时的
B．对于宏观物体的低速运动问题，量子力学与牛顿力学的结论是一致的
C．牛顿力学不仅适用于宏观物体的低速运动，也适用于微观粒子的高速运动
D．相对论与量子力学否定了牛顿力学理论
答案：AB
2．(多选)关于牛顿力学的成就，下列说法中正确的是( )
A．牛顿力学把天体的运动与地上物体的运动统一起来，是人类对自然界认识的第一次大综合，是人类认识史上的一次重大飞跃
B．18世纪60年代，力学与热学的发展及其与生产的结合引发了第一次工业革命
C．火箭、人造地球卫星、航天飞机、宇宙飞船、行星探测器等航天器的发射，都是牛顿力学规律的应用范例
D．牛顿力学是解决高速运动的物理理论
答案：ABC
3. 牛顿力学规律有其局限性。物体以下列哪个速度运动时，牛顿力学规律不适用( )
A．2.5×10-5 m/s B．2.5×102 m/s
C．3.5×103 m/s D．2.5×108 m/s
答案：D
4．(多选)牛顿力学有一定的适用范围和局限性，下列适用于牛顿力学描述的运动是( )
A．子弹的飞行
B．飞船绕地球的运行
C．列车的运行
D．粒子接近光速的运动
答案：ABC
解析：牛顿力学的适用范围是宏观物体的低速运动。子弹的飞行、飞船绕地球的运行和列车的运行都是宏观物体的低速运动，牛顿力学适用；而粒子接近光速的运动属于微观物体的高速运动，牛顿力学不适用。故选A、B、C。
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