2020-2021学年粤教版（2019）必修第二册 第五章 牛顿力学的局限性与相对论初步 学案

2020-2021学年粤教版（2019）必修第二册
第五章 牛顿力学的局限性与相对论初步 学案
学习目标
1.了解经典力学的发展历程和伟大成就.
2.知道经典力学的局限性和适用范围.
3.了解经典时空观及其基本推论.
4.了解狭义相对论的理论基础与相对论时空观的几个推论.
5.了解宇宙的起源和演化
知识点一　牛顿力学的成就与局限性
1.绝对时空观.
（1）惯性参考系与非惯性参考系.
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.而牛顿运动定律不成立的参考系则称为非惯性参考系.
（2）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，这一结论被称为伽利略相对性原理.
（3）牛顿的绝对时空观.
绝对的、真实的和数学的时间，由其特性决定自身均匀地流逝着，而与一切外界事物无关.绝对空间的自身特性与任何外界事物无关，它处处均匀，永不移动.
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）牛顿力学在科学技术发展和社会经济建设中一直起着重要的作用，推动着航空、航天、舰船、车辆、机械、土木、水利和能源等各行各业不断进步，促进着社会不断发展.
3.牛顿力学的局限性和适用范围.
牛顿力学只适用于低速（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.超出以上范围，牛顿力学将不再适用，而需要用到相对论、量子力学等理论.
知识点二　相对论时空观
1.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，一切物理规律都是相同的.
（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.
2.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不同时的，这被称为同时性的相对性.
（2）时间延缓.
①内容：在运动参考系里的人认为一切正常，并不感到自己周围的事件变得呆滞.这就是时间间隔的相对性，也称为“时间延缓”“时间膨胀”或“钟慢效应”.
②公式：
Δt′＝Δt.
因为 <1，所以总有Δt>Δt′.
（3）长度收缩.
①内容.
当物体相对于观测者运动时，在运动的方向上，观测者测量到该物体的长度要缩短，而垂直于运动方向的长度不会发生变化.这就是空间距离的相对性，也称为“长度收缩”或“尺缩效应”.
②公式l′＝l.
由于 <1，所以总有l′3.时空弯曲.
（1）光线弯曲.
在大尺度的宇观时空中存在许多大质量天体，如大恒星、球状星团、星系和星系团等，光线经过这些大质量天体附近时发生偏转，这说明整个空间不再是平直的，而变成弯曲的了.
（2）时间弯曲.
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.
知识点三　宇宙起源和演化
1.古代宇宙模型.
（1）在古代中国，“盖天说”认为“天圆如张盖，地方如棋局”.
（2）古希腊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的进一步发展形成了“地心说”，成为中世纪在欧洲占统治地位的宇宙观.
（3）1543年哥白尼提出“日心说”，把宇宙的中心从地球挪向了太阳，这是人类宇宙观念的一大飞跃.
2.近现代宇宙模型.
（1）1917年，爱因斯坦将广义相对论应用到整个宇宙，建立了现代宇宙学的第一个宇宙模型：由弯曲空间构成，没有边界、没有中心，但在整体上是有限的、静态的宇宙.
（2）1922年，苏联科学家费里德曼提出了动态的宇宙模型，认为宇宙中的物质从宇观大尺度来说其分布是均匀的，从各个方向看都是一样的，并且随着时间的变化，宇宙在不断膨胀.
（3）1980年，美国科学家固斯进一步提出暴胀理论，并指出早期宇宙的空间以指数倍的形式膨胀，暴胀过程发生在宇宙大爆炸之后的10－36 s至10－32 s之间.在暴胀结束后，宇宙继续膨胀，但是膨胀速度则慢得多.
3.宇宙学的新进展.
20世纪后半叶至今，宇宙学研究领域取得了很多骄人的成就.特别是科学家们观测到的宇宙微波背景辐射，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.
小试身手
1.关于经典力学的适用范围和局限性，下列说法正确的是（　　）
A.经典力学过时了，应该被量子力学所取代
B.由于超音速飞机的速度太大，其运动不能用经典力学来解释
C.人造卫星的运动不适合用经典力学来描述
D.当物体速度接近光速时，其运动规律不适合用经典力学来描述
解析：经典力学在低速宏观物理过程中适用，量子力学不可替代，A错误；超音速飞机的速度远低于光速，其运动能用经典力学来解释，B错误；人造卫星的运动速度远低于光速，适合用经典力学来描述，C错误；当物体速度接近光速时，其运动规律不适合用经典力学来描述，D正确.
答案：D
2.（多选）下列选项中属于狭义相对论的基本假设的是（　　）
A.爱因斯坦相对性原理 B.经典力学的时空观
C.光速不变原理 D.同时的绝对性原理
解析：狭义相对论的出发点是以下两条基本假设：第一是爱因斯坦相对性原理，在不同的惯性系中，一切物理规律都是相同的；第二是光速不变原理，不管是哪个惯性系中，测得真空中的光速都相同.
答案：AC
探究一　经典力学与相对论比较
　经典力学与相对论、量子力学的比较.
项目
经典力学
相对论、量子力学
形成时期
物理学形成的初期阶段，受历史发展限制，理论较肤浅、片面
形成于物理学充分发展的现代，理论较完善、科学
适用范围
低速运动、宏观世界，弱引力作用
任何情况都适用
速度对质量的影响
物体的质量不随其速度的变化而变化
物体的质量随其速度的增加而变大
速度的合成
时间与空间互不相干，关系式v船岸＝v船水＋v水岸成立
速度与位移、时间的测量有关，v船岸＝v船水＋v水岸不成立
引力规律
牛顿的万有引力定律认为物体间的引力符合“平方反比”规律
爱因斯坦引力理论认为物体间的引力不完全符合“平方反比”规律
联系
（1）以下两种情况，相对论与经典力学的结论没有区别：
①物体的速度远小于光速c（3×108 m/s）时；
②“普朗克常量”（6.63×10－34 J·s）可以忽略不计时.
（2）相对论和量子力学都没有否定经典力学，经典力学是相对论、量子力学的特殊情况
【典例1】　关于经典力学，下列说法中正确的是（　　）
A.相对论与量子力学否定了经典力学理论
B.经典力学可以解决自然界中所有的问题
C.经典力学适用于微观领域质子、电子的运动
D.经典力学适用于发射的导弹、人造卫星、宇宙飞船的运动
解析：相对论与量子力学并没有否定经典力学，而是在其基础上发展起来的，有各自成立范围，A错误；经典力学只能解决宏观低速物体，对于微观高速物体不再适用，B、C错误；经典力学适用于宏观低速物体，适用于发射的导弹、人造卫星、宇宙飞船的运动，D正确.
答案：D
训练：
1.下列运动中经典力学不适用的是（　　）
A.火箭的发射
B.速度接近光速的物体的运动
C.“墨子号”在太空的运动
D.宇宙飞船绕地球的运动
解析：经典力学适用于宏观、低速物体的运动，而不适用于微观、高速物体的运动，故选B.
答案：B
2.下列说法正确的是（　　）
A.在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变；在狭义相对论中，物体的质量也不随运动状态而改变
B.狭义相对论和经典力学是完全不同、相互矛盾的两个理论
C.在高速运动时，物体的运动服从狭义相对论；在低速运动时，物体的运动服从牛顿运动定律
D.以上说法都是错误的
解析：在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变；在狭义相对论中，物体的质量随物体运动速度的增大而增大，选项A错误.狭义相对论没有否定经典力学，经典力学是狭义相对论在一定条件下的特殊情形，选项B错误.经典力学适用于低速运动的物体，狭义相对论阐述物体在以接近光速运动时所遵循的规律，选项C正确，选项D错误.
答案：C
探究二　对相对论中“两个基本原理”和“相对论效应”的理解
两个基本原理.
（1）相对性原理：所有物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式，表明在任何惯性系中研究某个物体的某一运动过程，其运动规律的形式不变.
（2）光速不变原理：在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速c都一样，表明了经典时空观与相对论时空观的不同，比较如下：
时空观
经典时空观
相对论时空观
运动情况
同一运动对不同参考系描述结果不同，即速度不同
光在一切惯性参考系中传向各个方向的速度不变
时间与空间的关系
时间均匀流逝，空间不变化，与运动情况及外部条件无关
时间、空间都随运动情况而改变
几个结论
①同时的绝对性；
②时间间隔的绝对性；
③空间距离的绝对性；
④物体的质量恒定不变
①同时的相对性；
②运动的时钟变慢；
③运动的尺子缩短；
④物体的质量随速度的增大而增大
【典例2】　例如有一对孪生兄弟A和B，其中B乘坐速度为v＝0.9c的火箭飞往大角星（牧夫座α），而后又飞回地球.根据A在地球上的观测，大角星离地球有40万光年远，这次B往返飞行经历时间为80.8年.如果B在离开地球时，他们的年龄都为20岁，试问当B回到地球时，他们的年龄各有多大？
解析：设B在飞船惯性系中经历时间为t′，根据钟慢效应得：t＝，即80.8＝，解得t′≈35.2年.所以B回到地球时的年龄为20＋35.2＝55.2（岁）.此时A的年龄为20＋80.8＝100.8（岁）.
答案：此时A的年龄为100.8岁，B的年龄为55.2岁
训练：
3.（多选）在地面附近有一高速飞过的火箭，关于地面上的人和火箭中的人观察到的现象，以下说法正确的是（　　）
A.地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变快了
B.地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变慢了
C.火箭上的人观察到地面上的物体的长度和时间进程均无变化
D.火箭上的人看到地面上的物体长度变小，时间进程变慢了
解析：根据“尺缩效应”“动钟变慢”原理，地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程应该变慢了，A错误，B正确；根据相对性，火箭上的人看到地面上的物体长度变小，时间进程变慢了，C错误，D正确.
答案：BD
4.一高速列车通过洞口为圆形的隧道，列车上的司机对隧道的观察结果为（　　）
A.洞口为椭圆形，隧道长度变短
B.洞口为圆形，隧道长度不变
C.洞口为椭圆形，隧道长度不变
D.洞口为圆形，隧道长度变短
解析：在运动方向上，由于有“尺缩效应”，故隧道长度变短；在垂直运动方向上，没有“尺缩效应”，即洞口为圆形，故D正确.
答案：D
课堂小结