粤教版（2019）物理必修第二册 5.1 牛顿力学的成就与局限性5.2相对论时空观5.3宇宙起源和演化 课件(42张ppt）

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
学习目标
学法指导
1.知道光速不变原理，了解相对论的时间延缓效应和长度收缩效应
2．知道牛顿力学的成就和局限性，了解物理学发展的历史
3．了解宇宙模型和宇宙的演化过程
4．知道黑洞及宇宙大爆炸理论
1.通过学习和阅读教材，初步了解相对论时空观；了解时间延缓和长度收缩效应；通过阅读“科学漫步”激发关注宇宙起源和演化的科学兴趣
2．通过互联网学习，了解相对论，学习相对论的建立及对人类认识世界的作用
3．知道宇宙模型和宇宙大爆炸理论的由来
知识导图

预习导学 | 新知领悟
1．牛顿力学时空观
河水相对岸的速度为v水岸，船相对水的速度为v船水，则船相对岸的速度为_________________．
2．相对论时空观
(1)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________的．
相对论时空观
v船岸＝v船水＋v水岸
相同
(2)时间延缓效应：相对于地面以v运动的惯性参考系上的人观察到与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为Δτ，而地面上的人观察到

该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为Δt，则Δt＝___________.
(3)长度收缩效应：与杆相对静止的人测得杆长是l0，沿着杆的方向

以v相对杆运动的人测得杆长是l，则l＝____________.
【答案】不变．
参考系变化了，光速是否会变化？
假设地面上有一火车以接近光速的速度运行，车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．这个人是一个矮胖子 B．这个人是一个瘦高个子
C．这个人矮但不胖 D．这个人瘦但不高
【答案】D
【解析】根据长度的相对性，相对运动方向长度减小，垂直于运动方向上的长度不变，所以这个人瘦但不高，D正确．
1．牛顿力学的成就
从地面上各种物体的运动到天体的运动，都遵循____________的规律．
2．牛顿力学的局限性
牛顿力学适用于________、________运动的物体而不适用于______、高速运动的物体．
牛顿力学的成就与局限性
牛顿力学
宏观
低速
微观
【答案】没有．它们各自有适用范围．
相对论与量子力学否定了牛顿力学吗？
(多选)下列说法正确的是 (　　)
A．研究铅球的运动，可以用牛顿运动定律和运动学公式
B．研究电子的运动可用牛顿运动定律和运动学公式
C．研究电子运动要用狭义相对论原理，研究铅球运动可用牛顿运动定律
D．研究铅球和电子的运动都要用牛顿运动定律

【答案】AC
【解析】以牛顿运动定律为基础的经典物理学处理低速、宏观物体的运动是相当完美的，但对于高速的微观的运动就无能为力了．显然，铅球的运动可以用牛顿运动定律来解决，电子的运动则不能用牛顿运动定律来解决，而要用狭义相对论原理来解决．本题主要考查经典物理学的适用范围，A、C正确．
1．1929年，美国天文学家________通过观测发现遥远的星系在彼此远离，这为动态宇宙模型观点提供了有力的证据．
2．2015年，LIGO探测到引力波，打开了宇宙研究的新窗口，同时也再次印证了爱因斯坦的______________．
宇宙起源与演化
哈勃
广义相对论
多维课堂 | 素养初培
如图所示，一列火车沿平直轨道飞快地匀速行驶，车厢中央的光源发出一个闪光．思考以下问题：
相对论时空观
(1)甲图中，车厢内的观察者以车厢为参考系，观察到闪光是否同时到达前后两壁？
(2)乙图中，车下的观察者以地面为参考系，观察到闪光是否同时到达前后两壁？
【答案】(1)是．
(2)不同时，闪光先到达后壁．
精练1　一个时钟，在它与观察者有不同相对速度的情况下，时钟的频率是不同的，它们之间的关系如图所示．

由此可知，当时钟和观察者的相对速度达到0.6c(c为真空中的光速)时，时钟的周期大约为________．在日常生活中，我们无法察觉时钟周期变化的现象，是因为观察者相对于时钟的运动速度________．若在高速运行的飞船上有一只表，从地面上观察，飞船上的一切物理、化学过程和生命过程都变________(选填“快”或“慢”)了．
【答案】5 s　太小　慢

【解析】通过分析题中图像，当相对速度为0.6c时，时钟的频率为0.4 Hz，其周期为2.5 s．时钟变慢效应只有当相对速度比较大时，才有明显的相对论效应．人类生活在低速宏观世界中，很难观察到爱因斯坦的相对论效应．无法察觉时钟周期变化的现象，是因为观察者相对于时钟的运动速度太慢．
变式1　(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，下列说法正确的有 (　　)
A．飞船上的人观测到飞船上的钟较快
B．飞船上的人观测到飞船上的钟较慢
C．地球上的人观测到地球上的钟较快
D．地球上的人观测到地球上的钟较慢


【答案】AC
【解析】由狭义相对论的“钟慢效应”原理可知，飞船上的人观测到地球上的钟比飞船上慢，地球上的人观测到飞船上的钟比地球上慢，故A、C正确，B、D错误．

(1)由于日常生活中相对速度比较小，和光速相比可以忽略不计，故观察不到明显的相对论效应．
(2)时钟变慢效应中的相对速度的大小都是针对光速来说的．

1．经典力学只适用于处理物体的低速运动(v?c)．
2．经典力学不适用于微观领域中能量不连续的运动．
3．经典力学规律只在惯性参考系中成立——经典力学规律只能用于宏观、低速(与光速相比)的情形，且只在惯性参考系中成立．
经典力学(牛顿力学)的适用范围
精练2　(多选)20世纪以来，人们发现了一些新的事实，而经典力学却无法解释．经典力学只适用于解决物体的低速运动问题，不能用来处理高速运动问题，只适用于宏观物体，一般不适用于微观粒子．这说明 (　　)
A．随着认识的发展，经典力学已成了过时的理论
B．人们对客观事物的具体认识在广度上是有局限性的
C．不同领域的事物各有其本质与规律
D．人们应当不断扩展认识，在更广阔的领域内掌握不同事物的本质与规律
【答案】BCD
【解析】人们对客观世界的认识要受到所处的时代的客观条件和科学水平的制约，所以形成的看法也都具有一定的局限性，人们只有不断扩展自己的认识，才能掌握更广阔领域内的不同事物的本质与规律．新的科学的诞生并不意味着对原来科学的全盘否定，只能认为过去的科学是新的科学在一定条件下的特殊情形．
变式2　以下说法正确的是 (　　)
A．经典力学理论普遍适用，大到天体，小到微观粒子
B．相对论与量子力学否定了经典力学理论
C．在经典力学中，物体的质量随运动状态而改变
D．经典力学理论具有一定的局限性
【答案】D
【解析】经典力学理论适应于宏观物体，不适应微观粒子，故A错误；相对论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，故B错误；在相对论中，物体的质量随运动状态而改变，在经典力学中，物体的质量与运动状态无关，故C错误；经典力学理论具有一定的局限性，对高速微观粒子不适用，故D正确．
宇宙的起源与演化

2．恒星的稳定期
当温度超过107 K时，氢通过热核反应成为氦，释放的核能主要以电磁波的形式向外辐射．辐射产生的向外的压力与引力产生的收缩压力平衡，这时星核稳定下来，恒星在这一阶段已停留了50亿年．太阳目前正处于这一阶段的中期，要再过50亿年才会转到另一个演化阶段．
3．恒星的衰老
当恒星核心部分的氢大部分聚变为氦以后，核反应变弱，辐射压力下降，星核在引力作用下再次收缩．这时引力势能产生的热将使温度升得更高，于是发生了氦核聚合成碳核的聚变反应．类似的过程一波接一波地继续下去，出现了氧、硅，直到铁等更重的元素．恒星在这个阶段要经历多次膨胀与收缩，光度也发生周期性的变化．当各种热核反应都不再发生时，由热核反应维持的辐射压力也消失了，星体在引力作用下进一步收缩，中心密度达到极大．
4．恒星的归宿
恒星最终归宿与恒星的质量大小有关：当恒星的质量小于1.4倍太阳质量时，演变为白矮星；当恒星的质量是太阳质量的1.4～2倍时，可能演变为中子星；当恒星的质量更大时，可能演变为黑洞．
精练3　关于宇宙和恒星的演化，下列说法正确的是 (　　)
A．宇宙已经停止演化
B．恒星在主序星阶段时停留时间最长、最稳定
C．恒星最终都会演化为黑洞
D．恒星最终演化为中子星

【答案】B
【解析】目前宇宙的演化仍在进行，A错误．恒星在主序星阶段时停留时间最长、最稳定，B正确．根据最终质量的不同恒星最终演化为白矮星或中子星或黑洞，C、D错误．

【答案】2.95 km
课堂小练 | 素养达成
1．牛顿定律的适用范围是 (　　)
A．宏观物体、低速运动 B．微观物体、低速运动
C．宏观物体、高速运动 D．微观物体、高速运动
【答案】A
【解析】牛顿定律仅适用于宏观、低速物体的运动．这是牛顿定律的局限性．故A正确．
2．关于宇宙起源，根据大多数宇宙科学家的认定，你认为下列说法正确的是 (　　)
①宇宙诞生于距今约137亿年的一次大爆炸
②大爆炸是整体的，涉及宇宙的全部物质及时间、空间
③大爆炸导致宇宙空间处处膨胀，温度则相应下降
④宇宙温度下降至一定程度，逐步形成超星系团、星系团、星系及恒星、行星等．
A．①②③　　　 B．①③④
C．②④　　 D．①②③④
【答案】D
【解析】关于宇宙的起源，人类现在认同“大爆炸”理论；该理论认为，宇宙在最开始时是炽热的“原始火球”，距今约137亿年前，原始火球发生了大爆炸；大爆炸是整体的，涉及宇宙的全部物质及时间和空间；宇宙空间在膨胀中，温度相应下降，最终当温度达到一定程度时，形成了现在的超星系团、星系团、星系及恒星、行星等，故以上说法均正确．
3．(多选)关于经典力学、狭义相对论和量子力学，下列说法正确的是 (　　)
A．狭义相对论和经典力学是相互对立、互不相容的两种理论
B．在物体高速运动时，物体的运动规律适用狭义相对论理论，在低速运动时，物体的运动适用牛顿运动定律
C．经典力学适用于宏观物体的运动，量子力学适用于微观粒子的运动
D．不论是宏观物体，还是微观粒子，经典力学和量子力学都是适用的

【答案】BC
【解析】首先必须知道，经典力学解决低速宏观问题，高速问题应由狭义相对论解决，强引力场问题应由广义相对论解决，微观问题应由量子力学解决．相对论并没有否定经典力学，而是认为经典力学是相对论理论在一定条件下的特殊情况，故A、D错误，B、C正确．
4．静止长度为2 m的物体，以0.8c的速度沿长度方向相对某观测者匀速运动时，此观测者测量该物体的长度为________ m.
【答案】1.2