第五章 牛顿力学的局限性与相对论初步
第一节 牛顿力学的成就与局限性
第二节 相对论时空观
第三节 宇宙起源和演化
学习任务一 牛顿力学的成就与局限性
[教材链接] 阅读教材,完成下列填空:
一、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.
2.非惯性参考系:牛顿运动定律不成立的参考系.
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:时间和空间彼此 、互不 ,且不受物质或运动的影响.
二、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.人们认识到了以现象观察和实验研究为基础的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.
三、牛顿力学的局限性和适用范围
1.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 时,牛顿力学就不再适用了.
(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.
2.适用范围:牛顿力学只适用于 (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.
例1 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、能源各行各业的进步,但对航空业无能为力
[反思感悟]
变式1 (多选)关于经典力学的成就,下列说法正确的是 ( )
A.经典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综合,是人类认识史上的一次重大飞跃
B.经典力学第一次向人们展示了时间的相对性
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.经典力学是最早形成的物理理论,对后来的理论有重要影响
例2 [2024·深圳中学月考] 下列运动中不能用经典力学规律描述的是( )
A.子弹的飞行
B.和谐号从深圳向广州飞驰
C.人造卫星绕地球运动
D.接近光速的粒子的运动
[反思感悟]
变式2 下列关于经典力学的说法正确的是 ( )
A.经典力学适用于宏观、低速(远小于光速)运动的物体
B.经典力学适用于微观、高速(接近光速)运动的粒子
C.相对论和量子力学的出现,表明经典力学已被完全否定了
D.经典力学在理论和实践上取得了巨大的成功,从地面到天体的运动都服从经典力学的规律,因此任何情况下都适用
【要点总结】
1.牛顿力学通常指以牛顿运动定律为核心的矢量力学.牛顿力学属于经典力学范畴,是以质点作为研究对象,着眼于力的作用关系,在处理质点系统问题时,强调分别考虑各个质点所受的力,然后来推断整个质点系统的运动状态;牛顿力学认为质量和能量各自独立存在,且各自守恒.牛顿力学和天文学相结合,建立了天体力学;牛顿力学和工程实际相结合,建立了各种应用力学,如流体力学、材料力学、结构力学等.所有宏观物体的运动问题,都服从牛顿力学的规律.
2.牛顿力学有自身的局限性,它不适用于高速运动,也不适用于微观领域和能量不连续的现象.在高速运动中,相对论可以描述其运动规律,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.
学习任务二 相对论时空观
[教材链接] 阅读教材,完成下列填空:
一、狭义相对论的基本假设
1.相对性原理:在所有的惯性参考系中,一切物理规律都是 .
2.光速不变原理:在所有的惯性参考系中,测得的真空中的光速都 .
二、时空相对性
1.同时性的相对性:在一个惯性参考系中同时发生的两个事件,在另一个惯性参考系看来是 .
2.时间延缓
(1)经典的时空观:某两个事件,在不同的惯性系中观察,它们的时间间隔总是 的.
(2)狭义相对论认为“动钟变慢”:时间间隔的相对性公式为Δt'=Δt.
3.长度收缩
(1)经典的时空观:一条杆的长度不会因为观察者是否与杆做 而不同.
(2)狭义相对论认为“动尺变短”:狭义相对论中的长度公式为l'=l,但在垂直于杆的运动方向上,杆的长度 .
三、时空弯曲
1.根据广义相对论,物体的引力场会使光线弯曲,引力场越强,光线弯曲越厉害.
2.广义相对论还告诉我们,引力场的存在使得空间不同位置的时间进程也存在差别,也可以说时间发生了弯曲.
3.在万有引力起主导作用的宏观世界中,弯曲时空也反过来决定物质的运动.
例3 (多选)一枚火箭静止于地面时长为30 m,两个完全相同的时钟分别放在火箭内和地面上.火箭以速度v飞行,光速为c,下列判断正确的是 ( )
A.若v=0.5c,则火箭上的观察者测得火箭的长度仍为30 m
B.若v=0.5c,则地面上的观察者测得火箭的长度仍为30 m
C.若v=0.5c,则火箭上的观察者认为地面上的时钟走得快
D.若v=0.5c,则地面上的观察者认为火箭上的时钟走得慢
[反思感悟]
变式3 (多选)[2024·中山一中月考] 用相对论的观点判断,下列说法中正确的是 ( )
A.时间和空间都是绝对的,在任何参照系中一个事件发生的时间和一个物体的长度总不会改变
B.在地面上的人看来,以10 km/s的速度运动的飞船中的时针会变快,但飞船中的宇航员却看到时钟可能是准确的
C.在地面上的人看来,以10 km/s的速度运动的飞船在运动方向上会变窄,而飞船中的宇航员却感觉地面上的人看起来比飞船中的人瘦一些
D.当物体运动的速度v远小于c时,“长度收缩”和“时间延缓”效应忽略不计
学习任务三 宇宙起源和演化
[教材链接] 阅读教材,完成下列填空:
一、古代宇宙模型
1.中国的古代:“盖天说”认为“天圆如张盖,地方如棋局”.
2.地心说:亚里士多德认识到地球是一个球体,其理论经托勒密等学者发展形成了“ ”.
3.日心说:1543年,哥白尼提出了“ ”,把宇宙的中心从地球挪向太阳,是人类宇宙观念的一大飞跃.
二、近现代宇宙模型
1.广义相对论宇宙模型
由弯曲空间构成,没有 、没有 ,但在整体上是 、 宇宙.
2.动态的宇宙模型
(1)宇宙中的物质从宇观大尺度来说其分布是 的,从各个方向看都是 的.随着时间的变化,宇宙在不断 .
(2) 通过观测发现遥远的星系在彼此远离,说明宇宙正在膨胀,这为动态宇宙模型的观点提供了有力的证据.
3.两种对立的理论:
(1)稳恒态宇宙模型:随着宇宙膨胀,新的物质会不断产生,使宇宙总密度不变,从而令宇宙在任何时候看上去都基本不变化.
(2)大爆炸理论:宇宙起源于约138亿年前一个体积无限 、密度无限 、温度无限 、时空曲率无限 的奇点.宇宙“爆炸”之后不断 ,导致温度和密度迅速 .随着温度降低,逐步形成电子、质子、中子、原子核、原子和分子,并复合成为气体.气体逐渐凝聚成星云,星云进一步形成各种各样的 和 ,最终形成我们如今所看到的宇宙.
三、宇宙学的新进展
科学家们观测到的宇宙 ,被誉为20世纪60年代的四大发现之一,该发现荣获1978年诺贝尔物理学奖.
天文学家在研究宇宙减速因子时意外发现宇宙在 膨胀,宇宙主要由 和 组成,该发现荣获2011年诺贝尔物理学奖.
2016年激光干涉引力波天文台科学合作组织宣布探测到 ,更是打开了宇宙研究的新窗口.
2017年,中国暗物质粒子探测卫星“ ”获得高精度的高能电子宇宙线能谱,为暗物质研究提供了新的观测资料.
1.(牛顿力学和相对论、量子力学的意义)下列说法正确的是 ( )
A.牛顿力学能够说明微观粒子的规律性
B.牛顿力学适用于宏观物体的低速运动问题,不适用于高速运动的物体
C.相对论与量子力学的出现,说明牛顿力学已失去意义
D.对于宏观物体的高速运动问题,牛顿力学仍适用
2.(长度收缩效应)假设地面上有一火车以接近光速的速度运行,其内站立着一个中等身材的人,站在路旁的人观察车里的人,观察的结果是 ( )
A.这个人矮且胖
B.这个人瘦且高
C.这个人矮但不胖
D.这个人瘦但不高
3.(时间延缓效应)[2024·惠州一中月考] 话说有兄弟两个,哥哥乘坐宇宙飞船以接近光速的速度离开地球去遨游太空,经过一段时间返回地球,哥哥惊奇地发现弟弟比自己要苍老许多,则该现象的科学解释是( )
A.哥哥在太空中发生了基因突变,停止生长了
B.弟弟思念哥哥而加速生长了
C.由相对论可知,物体速度越大,在其上时间进程就越慢,生理过程也越慢
D.这是神话,科学无法解释
4.(相对论观点的应用)(多选)用相对论的观点判断下列说法正确的是 ( )
A.时间和空间都是绝对的,在任何参考系中一个事件发生所用的时间和一个物体的长度总不会改变
B.在地面上的人看来,以3 km/s的速度升空的火箭中的时钟会变快,但是火箭中的宇航员看到的时钟可能是准确的
C.在地面上的人看来,以3 km/s的速度升空的火箭在运动方向上会变短,而火箭中的宇航员却感觉到地面上的人看起来比火箭中相同高度的人矮一些
D.当物体运动的速度v c时,“时间膨胀”和“长度收缩”效果可忽略不计第五章 牛顿力学的局限性与相对论初步
第一节 牛顿力学的成就与局限性
第二节 相对论时空观
第三节 宇宙起源和演化
[教材链接] 一、3.相同的形式 4.独立 关联
三、1.(1)光速 (2)微观 (3)强引力
2.低速 宏观 弱引力场
例1 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、飞船的运动都遵循牛顿运动规律,D错误.
变式1 ACD 经典力学把天体的运动与地上物体的运动统一起来,是人类认识史上的一次重大飞跃,时间的相对性是相对论的观点,故A正确,B错误;航天器的发射与运行是牛顿力学规律的应用范例,故C正确;同样D也正确.
例2 D [解析] 子弹的飞行、和谐号的运动及人造卫星绕地球的运动都属于宏观、低速范畴,经典力学能适用,经典力学不适用于接近光速的粒子的运动,故D正确.
变式2 A [解析] 经典力学是狭义相对论在低速(v c)条件下的近似,即只要速度远小于光速,经过数学变换狭义相对论的公式就全部变化为经典力学的公式,故A正确,B、D错误;相对论与量子力学并没有否定经典力学,故C错误.
[教材链接] 一、1.相同的 2.相同
二、1.不同时的 2.(1)相同 3.(1)相对运动 (2)不变
例3 AD [解析] 一枚静止时长为30 m的火箭以0.5c的速度飞行,根据相对论时空观可知,火箭上的观察者测得火箭的长度为30 m,故A正确;根据长度收缩效应知l=l0,地面上的观察者测得火箭的长度为l=26 m,故B错误;根据时间延缓效应,运动的钟比静止的钟走得慢,而且运动速度越大,钟走得越慢,同时运动是相对的,火箭相对于地面上的人是运动的,地面上的人相对于火箭也是运动的,所以若v=0.5c,则火箭上的观察者认为地面上的时钟走得慢,同时地面上的观察者认为火箭上的时钟走得慢,故C错误,D正确.
变式3 CD [解析] 时间和空间都是相对的,没有绝对准确的时间和空间,A错误;由Δt=知,在地面上看运动的时钟会变慢,B错误;由l'=l可知两处的人都感觉l'[教材链接] 一、2.地心说 3.日心说
二、1.边界 中心 有限的 静态的
2.(1)均匀 一样 膨胀 (2)哈勃
3.(2)小 大 高 大 膨胀 下降 恒星 星系
三、微波背景辐射 加速 暗物质 暗能量 引力波 悟空
随堂巩固
1.B [解析] 牛顿力学适用于宏观、低速物体,新的学说的出现是对其的一种完善和拓展,牛顿力学并没有失去其存在的意义,故B正确,A、C、D错误.
2.D [解析] 取路旁的人为惯性参考系,车上的人相对于路旁的人高速运动,根据长度收缩效应可知,人在运动方向上将变窄,即变瘦,但在垂直于运动的方向上没有发生变化,故D正确.
3.C [解析] 根据相对论的时间延缓效应可知,当飞船速度接近光速时,时间会变慢,时间延缓效应对生命过程、化学反应等也是成立的,飞船运行的速度越大,时间延缓效应越明显,故C正确.
4.CD [解析] 经典力学理论认为时间和空间都是绝对的,在任何参考系中一个事件发生所用的时间和一个物体的长度总不会改变,而相对论的观点认为时间和空间都是相对的,在不同的参考系中一个事件发生所用的时间和一个物体的长度会发生改变,故A错误;根据时间间隔的相对性可得t=,即存在时间延缓效应,因此地面上的人看到火箭中的时钟会变慢,但是火箭中的宇航员看到的时钟是准确的,故B错误;根据长度的相对性可得l=l0,即在运动方向上长度缩短,所以在地面上的人看来,以3 km/s的速度运动的火箭在运动方向上会变短,而火箭中的宇航员感到地面上的人看起来比火箭中相同高度的人矮一些,故C正确;对低速宏观物体来说,若v c,则t≈t0,l≈l0,可知“时间膨胀”和“长度收缩”效果可忽略不计,故D正确.第五章 牛顿力学的局限性与相对论初步
第一节 牛顿力学的成就与局限性
第二节 相对论时空观
第三节 宇宙起源和演化
1.BD [解析] 经典力学只适用于宏观、低速运动的物体,对于微观、高速运动的物体不适用,选项A错误,B正确;在经典力学中,物体的长度不随运动状态而改变,在狭义相对论中,物体的长度随速度的增大而减小,选项C错误;相对论与量子力学并没有否定经典力学,而认为经典力学是在一定条件下的特殊情形,选项D正确.
2.C [解析] 经典力学适用于宏观、低速运动的物体,故经典力学不适用的是宇宙粒子以接近光速飞行,故C正确,A、B、D错误.
3.AB [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.
4.AD [解析] 万有引力定律是牛顿发现的,但在实验室里测出引力常量的是卡文迪许,选项A正确,B错误.相对论并没有否定经典力学,经典力学对于低速运动的宏观物体仍适用,选项C错误.狭义相对论的建立,是人类取得的重大成就,把物理学推进到更高领域,选项D正确.
5.B [解析] 相对论给出了物体在高速运动时所遵循的规律,经典物理学为它在低速运动时的特例,在自己的适用范围内还将继续发挥作用,选项A、C、D错误,B正确.
6.D [解析] 爱因斯坦提出的狭义相对论的两条基本假设是相对性原理与光速不变原理,其他内容均建立在这两点的基础之上,故D正确.
7.D [解析] 时间延缓效应与相对运动的方向无关,静止参考系的时间是固有时间,v为相对运动速度,Δt为观察系中经历的时间,Δτ为被观察的参考系中所经历的时间,也即固有时间.根据时间延缓效应公式 Δt=> Δτ可知,在相对某参考系运动的参考系看来,原参考系中的时间变长了,物理过程就变慢了.
8.BD [解析] 飞船相对地球高速运动,所以地球上的人观测到飞船上的时钟较慢;地球相对飞船高速运动,所以飞船上的人观测到地球上的时钟较慢,A、C错误,B、D正确.
9.BD [解析] 对乙来说,他看到自己手中的尺子是静止的,长度为l0,甲观察到乙手中的尺子是运动的,看到的长度相当于公式中的l,由l=l0得l10.A [解析] 一张正方形宣传画,边长为5 m,平行地贴于铁路旁边的墙上,一超高速列车以0.6c的速度接近此宣传画,根据l=l0=5× m=4 m,宣传画变成长度4 m、高5 m的长方形,故A正确.
11.D [解析] 由狭义相对论的基本假设:光速不变原理,真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的,故D正确.
12.A [解析] 根据公式Δt=可知,相对于观察者的速度越大,其时间进程越慢,对于火箭c上的观察者来说,va'>vb'>vc'=0,知a时钟走得最慢,故选A.
13.A [解析] 观察者B以0.8倍光速沿平行于y轴的方向运动,根据狭义相对论的长度收缩效应可知,B观察到的钟沿y轴方向的直径将减小,而沿z轴方向的直径不变,钟的面积比地面上静止的观察者A观察到的面积要小,即S>S',故A正确.
14.C [解析] 根据爱因斯坦的相对论,可知飞行器中的飞行员认为教室中的时钟变慢,教室的长度变短,即长度小于9 m,选项A、B错误;光向前、向后传播的速度相等,相对飞行员教室向前运动,光向后壁传播的路程短些,到达后壁的时刻早些,选项C正确;根据光速不变原理,可知不论光源与观察者之间做怎样的相对运动,光速都是一样的,选项D错误.第五章 牛顿力学的局限性与相对论初步
第一节 牛顿力学的成就与局限性
第二节 相对论时空观
第三节 宇宙起源和演化建议用时:40分钟
1.(多选)下列说法正确的是 ( )
A.经典力学适用于任何领域
B.经典力学只适用于宏观、低速运动的物体,对于微观、高速运动的物体不适用
C.在经典力学中,物体的长度不随运动状态而改变,在狭义相对论中,物体的长度随速度的增大而增大
D.相对论与量子力学并没有否定经典力学,而认为经典力学是在一定条件下的特殊情形
2.下列情境中,经典力学不适用的是 ( )
A.研究地球绕太阳的运动
B.轮船在大海上航行
C.宇宙粒子以接近光速运动
D.研究飞机从北京飞往纽约的航线
3.(多选)下列遵循牛顿力学规律的是 ( )
A.自行车、汽车、火车、飞机等交通工具的运动
B.发射导弹、人造卫星、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
4.(多选)物理学的发展丰富了人类对物质世界的认识,推动了科学技术的创新和革命,促进了物质生产的繁荣与人类文明的进步,下列表述正确的是 ( )
A.牛顿发现了万有引力定律
B.牛顿通过实验测出了引力常量
C.相对论的创立表明经典力学已不再适用
D.爱因斯坦建立了狭义相对论,把物理学推进到更高领域
5.对于时空观的认识,下列说法正确的是 ( )
A.相对论给出了物体在低速运动时所遵循的规律
B.相对论具有普遍性,经典物理学为物体在低速运动时的特例
C.相对论的出现使经典物理学在自己的适用范围内不再继续发挥作用
D.经典物理学建立在实验的基础上,它的结论又受到无数次实验的检验,因此在任何情况下都适用
6.1905年爱因斯坦提出了狭义相对论,狭义相对论的出发点是以两条基本假设为前提的,这两条基本假设是 ( )
A.同时的绝对性与同时的相对性
B.运动的时钟变慢与运动的尺子缩短
C.时间间隔的绝对性与空间距离的绝对性
D.狭义相对性原理与光速不变原理
7.有两个惯性参考系1和2,彼此相对做匀速直线运动,下列叙述正确的是 ( )
A.在参考系1看来,2中的所有物理过程都变快了;在参考系2看来,1中的所有物理过程都变慢了
B.在参考系1看来,2中的所有物理过程都变快了;在参考系2看来,1中的所有物理过程也变快了
C.在参考系1看来,2中的所有物理过程都变慢了;在参考系2看来,1中的所有物理过程都变快了
D.在参考系1看来,2中的所有物理过程都变慢了;在参考系2看来,1中的所有物理过程也变慢了
8.(多选)接近光速飞行的飞船和地球上各有一只相同的铯原子钟,飞船和地球上的人观测这两只钟的快慢,下列说法正确的是 ( )
A.飞船上的人观测到飞船上的钟较快
B.飞船上的人观测到地球上的钟较慢
C.地球上的人观测到地球上的钟较快
D.地球上的人观测到飞船上的钟较慢
9.(多选)甲在接近光速的火车上看乙手中沿火车前进方向放置的尺子,同时乙在地面上看甲手中沿火车前进方向放置的尺子,则下列说法正确的是 ( )
A.甲看到乙手中的尺子长度比乙看到自己手中的尺子长度大
B.甲看到乙手中的尺子长度比乙看到自己手中的尺子长度小
C.乙看到甲手中的尺子长度比甲看到自己手中的尺子长度大
D.乙看到甲手中的尺子长度比甲看到自己手中的尺子长度小
10.一张正方形宣传画,边长为5 m ,平行贴于铁路旁的广告牌上,如图所示,假设一高速列车以速度0.6c驶过,在司机看来,宣传画是 ( )
A.长4 m、高5 m的长方形
B.长6.25 m、高5 m的长方形
C.4 m×4 m的正方形
D.长5 m、高4 m的长方形
11.如图所示,强强乘速度为0.9c(c为真空中的光速)的宇宙飞船追赶正前方的壮壮,壮壮的飞行速度为0.5c,强强向壮壮发出一束光进行联络,则壮壮观测到该光束的传播速度为 ( )
A.0.4c B.0.5c
C.0.9c D.1.0c
12.如图所示,a、b、c为三个完全相同的时钟,a放在水平地面上,b、c分别放在以速度vb、vc向同一方向飞行的两枚火箭上,且vbA.a B.b
C.c D.无法确定
13.[2024·广州一中月考] 如图所示,竖直墙上挂着一面时钟,地面上的静止的观察者A观察到钟的面积为S,另一观察者B以0.8c的速度沿平行于y轴的方向运动,观察到钟的面积为S'.则S和S'的大小关系是( )
A.S>S' B.S=S'
C.S14.[2024·广东实验中学月考] 如图所示,一同学在教室上课,教室的长度为9 m,教室中间位置有一光源.有一飞行器从前向后高速通过教室外侧,已知光速为c,飞行器中的飞行员认为 ( )
A.教室中的时钟变快
B.教室的长度大于9 m
C.从光源发出的光先到达教室后壁
D.光源发出的光,向后的速度小于c(共48张PPT)
第一节 牛顿力学的成就与局限性 第二节 相对论时空观 第三节 宇宙起源和演化
学习任务一 牛顿力学的成就与局限性
学习任务二 相对论时空观
学习任务三 宇宙起源和演化
随堂巩固
备用习题
练习册
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学习任务一 牛顿力学的成就与局限性
［教材链接］ 阅读教材，完成下列填空：
一、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.
2.非惯性参考系：牛顿运动定律不成立的参考系.
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：时间和空间彼此______、互不______，且不受物质或运动的影响.
相同的形式
独立
关联
二、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.人们认识到了以现象观察和实验研究为基础的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.
三、牛顿力学的局限性和适用范围
1.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______时，牛顿力学就不再适用了.
(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.
光速
微观
强引力
2.适用范围：牛顿力学只适用于______(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.
低速
宏观
弱引力场
例1 下列说法正确的是( )
B
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、能源各行各业的进步，但对航空业无能为力
[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、飞船的运动都遵循牛顿运动规律，D错误.
变式1 (多选)关于经典力学的成就，下列说法正确的是( )
ACD
A.经典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综合，是人类认识史上的一次重大飞跃
B.经典力学第一次向人们展示了时间的相对性
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.经典力学是最早形成的物理理论，对后来的理论有重要影响
[解析] 经典力学把天体的运动与地上物体的运动统一起来，是人类认识史上的一次重大飞跃，时间的相对性是相对论的观点，故A正确，B错误；航天器的发射与运行是牛顿力学规律的应用范例，故C正确；同样D也正确.
例2 [2024·深圳中学月考] 下列运动中不能用经典力学规律描述的是( )
D
A.子弹的飞行 B.和谐号从深圳向广州飞驰
C.人造卫星绕地球运动 D.接近光速的粒子的运动
[解析] 子弹的飞行、和谐号的运动及人造卫星绕地球的运动都属于宏观、低速范畴，经典力学能适用，经典力学不适用于接近光速的粒子的运动，故D正确.
变式2 下列关于经典力学的说法正确的是( )
A
A.经典力学适用于宏观、低速(远小于光速)运动的物体
B.经典力学适用于微观、高速(接近光速)运动的粒子
C.相对论和量子力学的出现，表明经典力学已被完全否定了
D.经典力学在理论和实践上取得了巨大的成功，从地面到天体的运动都服从经典力学的规律，因此任何情况下都适用
[解析] 经典力学是狭义相对论在低速条件下的近似，即只要速度远小于光速，经过数学变换狭义相对论的公式就全部变化为经典力学的公式，故A正确，B、D错误；相对论与量子力学并没有否定经典力学，故C错误.
【要点总结】
1.牛顿力学通常指以牛顿运动定律为核心的矢量力学.牛顿力学属于经典力学范畴，是以质点作为研究对象，着眼于力的作用关系，在处理质点系统问题时，强调分别考虑各个质点所受的力，然后来推断整个质点系统的运动状态；牛顿力学认为质量和能量各自独立存在，且各自守恒.牛顿力学和天文学相结合，建立了天体力学；牛顿力学和工程实际相结合，建立了各种应用力学，如流体力学、材料力学、结构力学等.所有宏观物体的运动问题，都服从牛顿力学的规律.
2.牛顿力学有自身的局限性，它不适用于高速运动，也不适用于微观领域和能量不连续的现象.在高速运动中，相对论可以描述其运动规律，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.
学习任务二 相对论时空观
［教材链接］ 阅读教材，完成下列填空：
一、狭义相对论的基本假设
1.相对性原理：在所有的惯性参考系中，一切物理规律都是________.
2.光速不变原理：在所有的惯性参考系中，测得的真空中的光速都______.
相同的
相同
二、时空相对性
1.同时性的相对性：在一个惯性参考系中同时发生的两个事件，在另一个惯性参考系看来是__________.
2.时间延缓
(1)经典的时空观：某两个事件，在不同的惯性系中观察，它们的时间间隔总是______的.
(2)狭义相对论认为“动钟变慢”：时间间隔的相对性公式为.
不同时的
相同
3.长度收缩
(1) 经典的时空观：一条杆的长度不会因为观察者是否与杆做__________而不同.
(2) 狭义相对论认为“动尺变短”：狭义相对论中的长度公式为，但在垂直于杆的运动方向上，杆的长度______.
相对运动
不变
三、时空弯曲
1.根据广义相对论，物体的引力场会使光线弯曲，引力场越强，光线弯曲越厉害.
2.广义相对论还告诉我们，引力场的存在使得空间不同位置的时间进程也存在差别，也可以说时间发生了弯曲.
3.在万有引力起主导作用的宏观世界中，弯曲时空也反过来决定物质的运动.
例3 (多选)一枚火箭静止于地面时长为，两个完全相同的时钟分别放在火箭内和地面上.火箭以速度飞行，光速为，下列判断正确的是( )
AD
A.若，则火箭上的观察者测得火箭的长度仍为
B.若，则地面上的观察者测得火箭的长度仍为
C.若，则火箭上的观察者认为地面上的时钟走得快
D.若，则地面上的观察者认为火箭上的时钟走得慢
[解析] 一枚静止时长为的火箭以的速度飞行，根据相对论时空观可知，火箭上的观察者测得火箭的长度为，故A正确；根据长度收缩效应知，地面上的观察者测得火箭的长度为，故B错误；根据时间延缓效应，运动的钟比静止的钟走得慢，而且运动速度越大，钟走得越慢，同时运动是相对的，火箭相对于地面上的人是运动的，地面上的人相对于火箭也是运动的，所以若，则火箭上的观察者认为地面上的时钟走得慢，同时地面上的观察者认为火箭上的时钟走得慢，故C错误，D正确.
变式3 (多选)[2024·中山一中月考] 用相对论的观点判断，下列说法中正确的是( )
CD
A.时间和空间都是绝对的，在任何参照系中一个事件发生的时间和一个物体的长度总不会改变
B.在地面上的人看来，以的速度运动的飞船中的时针会变快，但飞船中的宇航员却看到时钟可能是准确的
C.在地面上的人看来，以的速度运动的飞船在运动方向上会变窄，而飞船中的宇航员却感觉地面上的人看起来比飞船中的人瘦一些
D.当物体运动的速度远小于时，“长度收缩”和“时间延缓”效应忽略不计
[解析] 时间和空间都是相对的，没有绝对准确的时间和空间，A错误；由知，
在地面上看运动的时钟会变慢，B错误；由可知两处的人都感觉，C正确；由时间延缓效应和长度收缩效应公式可知，当远小于时，时间延缓效应和长度收缩效应都可以忽略不计，D正确.
学习任务三 宇宙起源和演化
［教材链接］ 阅读教材，完成下列填空：
一、古代宇宙模型
1.中国的古代：“盖天说”认为“天圆如张盖，地方如棋局”.
2.地心说：亚里士多德认识到地球是一个球体，其理论经托勒密等学者发展形成了“_________”.
3.日心说：1543年，哥白尼提出了“________”，把宇宙的中心从地球挪向太阳，是人类宇宙观念的一大飞跃.
地心说
日心说
二、近现代宇宙模型
1.广义相对论宇宙模型
由弯曲空间构成，没有______、没有______，但在整体上是________、________宇宙.
边界
中心
有限的
静态的
2.动态的宇宙模型
(1) 宇宙中的物质从宇观大尺度来说其分布是______的，从各个方向看都是______的.随着时间的变化，宇宙在不断______.
(2) ______通过观测发现遥远的星系在彼此远离，说明宇宙正在膨胀，这为动态宇宙模型的观点提供了有力的证据.
均匀
一样
膨胀
哈勃
3.两种对立的理论：
(1)稳恒态宇宙模型：随着宇宙膨胀，新的物质会不断产生，使宇宙总密度不变，从而令宇宙在任何时候看上去都基本不变化.
(2)大爆炸理论：宇宙起源于约138亿年前一个体积无限____、密度无限____、温度无限____、时空曲率无限____的奇点.宇宙“爆炸”之后不断______，导致温度和密度迅速______.随着温度降低，逐步形成电子、质子、中子、原子核、原子和分子，并复合成为气体.气体逐渐凝聚成星云，星云进一步形成各种各样的______和______，最终形成我们如今所看到的宇宙.
小
大
高
大
膨胀
下降
恒星
星系
三、宇宙学的新进展
科学家们观测到的宇宙______________，被誉为20世纪60年代的四大发现之一，该发现荣获1978年诺贝尔物理学奖.
天文学家在研究宇宙减速因子时意外发现宇宙在______膨胀，宇宙主要由________和________组成，该发现荣获2011年诺贝尔物理学奖.
2016年激光干涉引力波天文台科学合作组织宣布探测到________，更是打开了宇宙研究的新窗口.
2017年，中国暗物质粒子探测卫星“______”获得高精度的高能电子宇宙线能谱，为暗物质研究提供了新的观测资料.
微波背景辐射
加速
暗物质
暗能量
引力波
悟空
1.经典力学只适用于“宏观世界”，这里的“宏观世界”是指( )
D
A.行星、恒星、星系等巨大的物质领域
B.地球表面上的物质世界
C.人眼能看到的物质世界
D.不涉及分子、原子、电子等微观粒子的物质世界
[解析] A、B、C三个选项说的都属于“宏观世界”，但都很片面，没有全面描述.
2.如图所示，竖直墙上挂着一面时钟，地面上的静止的观察者观察到钟的面积为，另一观察者以的速度沿平行于轴方向运动，观察到钟的面积为.则和的大小关系是( )
A
A. B. C. D.无法判断
[解析] 根据长度收缩效应可知，对沿平行于轴方向运动的观察者来说，竖直墙上挂着的时钟相对观察者运动，则沿轴方向上的长度变小，所以此观察者观察到钟的面积要小于地面上静止的观察者观察到钟的面积，即，选项A正确.
3.如图所示，“黑洞”是爱因斯坦广义相对论中预言的一种特殊天体，它的密度极大，对周围的物质(包括光)有极强的吸引力.在研究“黑洞”时，经典力学还适用吗？如何研究“黑洞”问题？
[答案] 不适用.经典力学适用于弱引力问题，而“黑洞”问题属于强引力问题，经典力学不再适用，可以利用爱因斯坦的广义相对论研究“黑洞”问题.
4.“世界物理年”决议的作出与爱因斯坦的相对论时空观有关.根据爱因斯坦的理论，一把米尺，在它与观察者有不同相对速度(沿尺长方向)的情况下，米尺长度是不同的，它们之间的关系如图所示.由此可知，当米尺和观察者的相对速度达到为光速时，米尺的
0.6
远小于光速
长度大约为____.在日常生活中，我们无法观察到米尺长度变化的现象，是因为观察者相对于米尺的运动速度____________.
5.情境：明明同学站在一条长木杆的中央附近，并且看到木杆落在地上时是两头同时落地，所以明明同学认为这木杆是平着落到了地上，而此时飞飞同学正以接近光速的速度从木杆前面掠过，如图所示，则飞飞看到哪一端先落地？
[答案] 两端同时落地
[解析] 站在一条长木杆的中央附近的明明同学看到木杆落在地上时是两头同时落地；飞飞同学正以接近光速的速度从木杆前面掠过，飞飞同学以自己为参考系，认为杆以接近光速的速度向左运动的同时在下落，根据狭义相对论的长度收缩效应可知，杆的长度变短了，但高度不变，杆两端仍然是在同一个时刻落地.
1.(牛顿力学和相对论、量子力学的意义)下列说法正确的是( )
B
A.牛顿力学能够说明微观粒子的规律性
B.牛顿力学适用于宏观物体的低速运动问题，不适用于高速运动的物体
C.相对论与量子力学的出现，说明牛顿力学已失去意义
D.对于宏观物体的高速运动问题，牛顿力学仍适用
[解析] 牛顿力学适用于宏观、低速物体，新的学说的出现是对其的一种完善和拓展，牛顿力学并没有失去其存在的意义，故B正确，A、C、D错误.
2.(长度收缩效应)假设地面上有一火车以接近光速的速度运行，其内站立着一个中等身材的人，站在路旁的人观察车里的人，观察的结果是 ( )
D
A.这个人矮且胖 B.这个人瘦且高 C.这个人矮但不胖 D.这个人瘦但不高
[解析] 取路旁的人为惯性参考系，车上的人相对于路旁的人高速运动，根据长度收缩效应可知，人在运动方向上将变窄，即变瘦，但在垂直于运动的方向上没有发生变化，故D正确.
3.(时间延缓效应)[2024·惠州一中月考] 话说有兄弟两个，哥哥乘坐宇宙飞船以接近光速的速度离开地球去遨游太空，经过一段时间返回地球，哥哥惊奇地发现弟弟比自己要苍老许多，则该现象的科学解释是( )
C
A.哥哥在太空中发生了基因突变，停止生长了
B.弟弟思念哥哥而加速生长了
C.由相对论可知，物体速度越大，在其上时间进程就越慢，生理过程也越慢
D.这是神话，科学无法解释
[解析] 根据相对论的时间延缓效应可知，当飞船速度接近光速时，时间会变慢，时间延缓效应对生命过程、化学反应等也是成立的，飞船运行的速度越大，时间延缓效应越明显，故C正确.
4.(相对论观点的应用)(多选)用相对论的观点判断下列说法正确的是( )
CD
A.时间和空间都是绝对的,在任何参考系中一个事件发生所用的时间和一个物体的长度总不会改变
B.在地面上的人看来,以的速度升空的火箭中的时钟会变快,但是火箭中的宇航员看到的时钟可能是准确的
C.在地面上的人看来,以的速度升空的火箭在运动方向上会变短,而火箭中的宇航员却感觉到地面上的人看起来比火箭中相同高度的人矮一些
D.当物体运动的速度时,“时间膨胀”和“长度收缩”效果可忽略不计
[解析] 经典力学理论认为时间和空间都是绝对的，在任何参考系中一个事件发生所用的时间和一个物体的长度总不会改变，而相对论的观点认为时间和空间都是相对的，在不同的参考系中一个事件发生所用的时间和一个物体的长度会发生改变，故A错误；根据时间间隔的相对性可得，即存在时间延缓效应，因此地面上的人看到火箭中的时钟会变慢，但是火箭中的宇航员看到的时钟是准确的，故B错误；根据长度的相对性可得，即在运动方向上长度缩短，所以在地面上的人看来，以的速度运动的火箭在运动方向上会变短，而火箭中的宇航员感到地面上的人看起来比火箭中相同高度的人矮一些，故C正确；对低速宏观物体来说，若，则，，可知“时间膨胀”和“长度收缩”效果可忽略不计，故D正确.
建议用时：40分钟
1.(多选)下列说法正确的是( )
BD
A.经典力学适用于任何领域
B.经典力学只适用于宏观、低速运动的物体,对于微观、高速运动的物体不适用
C.在经典力学中,物体的长度不随运动状态而改变,在狭义相对论中,物体的长度随速度的增大而增大
D.相对论与量子力学并没有否定经典力学,而认为经典力学是在一定条件下的特殊情形
[解析] 经典力学只适用于宏观、低速运动的物体,对于微观、高速运动的物体不适用,选项A错误,B正确;在经典力学中,物体的长度不随运动状态而改变,在狭义相对论中,物体的长度随速度的增大而减小,选项C错误;相对论与量子力学并没有否定经典力学,而认为经典力学是在一定条件下的特殊情形,选项D正确.
2.下列情境中,经典力学不适用的是( )
C
A.研究地球绕太阳的运动 B.轮船在大海上航行
C.宇宙粒子以接近光速运动 D.研究飞机从北京飞往纽约的航线
[解析] 经典力学适用于宏观、低速运动的物体,故经典力学不适用的是宇宙粒子以接近光速飞行,故C正确,A、B、D错误.
3.(多选)下列遵循牛顿力学规律的是( )
AB
A.自行车、汽车、火车、飞机等交通工具的运动
B.发射导弹、人造卫星、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
[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.
4.(多选)物理学的发展丰富了人类对物质世界的认识,推动了科学技术的创新和革命,促进了物质生产的繁荣与人类文明的进步,下列表述正确的是 ( )
AD
A.牛顿发现了万有引力定律
B.牛顿通过实验测出了引力常量
C.相对论的创立表明经典力学已不再适用
D.爱因斯坦建立了狭义相对论,把物理学推进到更高领域
[解析] 万有引力定律是牛顿发现的,但在实验室里测出引力常量的是卡文迪许,选项A正确,B错误.相对论并没有否定经典力学,经典力学对于低速运动的宏观物体仍适用,选项C错误.狭义相对论的建立,是人类取得的重大成就,把物理学推进到更高领域,选项D正确.
5.对于时空观的认识,下列说法正确的是( )
B
A.相对论给出了物体在低速运动时所遵循的规律
B.相对论具有普遍性,经典物理学为物体在低速运动时的特例
C.相对论的出现使经典物理学在自己的适用范围内不再继续发挥作用
D.经典物理学建立在实验的基础上,它的结论又受到无数次实验的检验,因此在任何情况下都适用
[解析] 相对论给出了物体在高速运动时所遵循的规律,经典物理学为它在低速运动时的特例,在自己的适用范围内还将继续发挥作用,选项A、C、D错误,B正确.
6.1905年爱因斯坦提出了狭义相对论,狭义相对论的出发点是以两条基本假设为前提的,这两条基本假设是( )
D
A.同时的绝对性与同时的相对性 B.运动的时钟变慢与运动的尺子缩短
C.时间间隔的绝对性与空间距离的绝对性 D.狭义相对性原理与光速不变原理
[解析] 爱因斯坦提出的狭义相对论的两条基本假设是相对性原理与光速不变原理,其他内容均建立在这两点的基础之上,故D正确.
7.有两个惯性参考系1和2，彼此相对做匀速直线运动，下列叙述正确的是( )
D
A.在参考系1看来，2中的所有物理过程都变快了；在参考系2看来，1中的所有物理过程都变慢了
B.在参考系1看来，2中的所有物理过程都变快了；在参考系2看来，1中的所有物理过程也变快了
C.在参考系1看来，2中的所有物理过程都变慢了；在参考系2看来，1中的所有物理过程都变快了
D.在参考系1看来，2中的所有物理过程都变慢了；在参考系2看来，1中的所有物理过程也变慢了
[解析] 时间延缓效应与相对运动的方向无关，静止参考系的时间是固有时间，为相对运动速度，为观察系中经历的时间， 为被观察的参考系中所经历的时间，也即固有时间.根据时间延缓效应公式
可知，在相对某参考系运动的参考系看来，原参考系中的时间变长了，物理过程就变慢了.
8.(多选)接近光速飞行的飞船和地球上各有一只相同的铯原子钟,飞船和地球上的人观测这两只钟的快慢,下列说法正确的是( )
BD
A.飞船上的人观测到飞船上的钟较快 B.飞船上的人观测到地球上的钟较慢
C.地球上的人观测到地球上的钟较快 D.地球上的人观测到飞船上的钟较慢
[解析] 飞船相对地球高速运动,所以地球上的人观测到飞船上的时钟较慢；地球相对飞船高速运动,所以飞船上的人观测到地球上的时钟较慢,A、C错误，B、D正确.
9.(多选)甲在接近光速的火车上看乙手中沿火车前进方向放置的尺子，同时乙在地面上看甲手中沿火车前进方向放置的尺子，则下列说法正确的是 ( )
BD
A.甲看到乙手中的尺子长度比乙看到自己手中的尺子长度大
B.甲看到乙手中的尺子长度比乙看到自己手中的尺子长度小
C.乙看到甲手中的尺子长度比甲看到自己手中的尺子长度大
D.乙看到甲手中的尺子长度比甲看到自己手中的尺子长度小
[解析] 对乙来说，他看到自己手中的尺子是静止的，长度为，甲观察到乙手中的尺子是运动的，看到的长度相当于公式中的，由得，故甲看到乙手中的尺子长度比乙看到自己手中的尺子长度小，A错误，B正确；对甲来说，他看到火车内的尺子是静止的，故长度为，乙观察到甲手中的尺子是运动的，看到的长度为，由得，故乙看到甲手中的尺子长度比甲看到自己手中的尺子长度小，C错误，D正确.
10.一张正方形宣传画,边长为 ,平行贴于铁路旁的广告牌上,如图所示，假设一高速列车以速度驶过,在司机看来，宣传画是( )
A
A.长、高的长方形 B.长、高的长方形
C.的正方形 D.长、高的长方形
[解析] 一张正方形宣传画,边长为,平行地贴于铁路旁边的墙上,一超
高速列车以的速度接近此宣传画,根据，宣传画变成长度、高的长方形,故A正确.
11.如图所示，强强乘速度为为真空中的光速的宇宙飞船追赶正前方的壮壮，壮壮的飞行速度为，强强向壮壮发出一束光进行联络，则壮壮观测到该光束的传播速度为( )
D
A. B. C. D.
[解析] 由狭义相对论的基本假设：光速不变原理，真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的，故D正确.
12.如图所示，、、为三个完全相同的时钟，放在水平地面上，、分别放在以速度、向同一方向飞行的两枚火箭上，且，则火箭上的观察者认为走得最慢的时钟为( )
A
A. B. C. D.无法确定
[解析] 根据公式可知，相对于观察者的速度越大，其时间进程越慢，对于火箭上的观察者来说，，知时钟走得最慢，故选A.
13.[2024·广州一中月考] 如图所示,竖直墙上挂着一面时钟,地面上的静止的观察者观察到钟的面积为,另一观察者以的速度沿平行于轴的方向运动,观察到钟的面积为.则和的大小关系是( )
A
A. B. C. D.无法判断
[解析] 观察者B以0.8倍光速沿平行于轴的方向运动,根据狭义
相对论的长度收缩效应可知,B观察到的钟沿轴方向的直径将减小,而沿轴方向的直径不变,钟的面积比地面上静止的观察者A观察到的面积要小,即,故A正确.
14.[2024·广东实验中学月考] 如图所示,一同学在教室上课,教室的长度为,教室中间位置有一光源.有一飞行器从前向后高速通过教室外侧,已知光速为,飞行器中的飞行员认为( )
C
A.教室中的时钟变快 B.教室的长度大于
C.从光源发出的光先到达教室后壁 D.光源发出的光,向后的速度小于
[解析] 根据爱因斯坦的相对论,可知飞行器中的飞行员认为教室中的时钟变慢,教室的长度变短,即长度小于,选项A、B错误;光向前、向后传播的速度相等,相对飞行员教室向前运动,光向后壁传播的路程短些,到达后壁的时刻早些,选项C正确;根据光速不变原理,可知不论光源与观察者之间做怎样的相对运动,光速都是一样的,选项D错误.
