第一～三節(jié)　牛頓力學(xué)的成就與局限性　相對(duì)論時(shí)空觀

第五章|牛頓力學(xué)的局限性與相對(duì)論初步

第一～三節(jié)牛頓力學(xué)的成就與局限性相對(duì)論時(shí)空觀

宇宙起源和演化核心素養(yǎng)導(dǎo)學(xué)物理觀念(1)了解伽利略相對(duì)性原理，了解牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀。(2)知道狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本原理的內(nèi)容；知道狹義相對(duì)論關(guān)于時(shí)空相對(duì)性的主要結(jié)論。(3)關(guān)注宇宙的起源和演化的研究進(jìn)程，了解什么是科學(xué)探究和科學(xué)思維。(4)初步了解宇宙中包含什么?？茖W(xué)思維(1)知道在可靠的實(shí)驗(yàn)事實(shí)基礎(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)推理、合理假設(shè)等科學(xué)研究方法的重要性。(2)初步了解時(shí)間延緩效應(yīng)和長(zhǎng)度收縮效應(yīng)的主要內(nèi)容及推理的思維過(guò)程?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任(1)通過(guò)學(xué)習(xí)，體會(huì)科學(xué)理論既具有相對(duì)穩(wěn)定性，又是不斷發(fā)展完善的。(2)通過(guò)學(xué)習(xí)，體會(huì)在科學(xué)研究中不放過(guò)絲毫疑惑、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的態(tài)度和責(zé)任。(3)了解人類對(duì)宇宙永不停息的探索歷程，體會(huì)科學(xué)家進(jìn)行科學(xué)探究的態(tài)度和責(zé)任。續(xù)表一、牛頓力學(xué)的成就與局限性1．絕對(duì)時(shí)空觀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)_________。3．牛頓力學(xué)的局限性和適用范圍：牛頓力學(xué)只適用于________

(遠(yuǎn)小于光速)、_______

(人類可感知尺度)、弱引力場(chǎng)(如地球附近)和計(jì)量精度要求不高的情況，不適用于______、_______的情況。

統(tǒng)一起來(lái)低速宏觀微觀高速相同的相同彎曲(1)牛頓時(shí)空觀在低速、宏觀物體運(yùn)動(dòng)時(shí)是可以適用的。(2)相對(duì)論時(shí)空觀適用于高速、微觀物體的運(yùn)動(dòng)。

三、宇宙起源和演化1．古代宇宙模型(1)中國(guó)古代的“_______”；(2)古希臘亞里士多德和托勒密的“________”；(3)哥白尼提出的“_______”。蓋天說(shuō)地心說(shuō)日心說(shuō)2．近現(xiàn)代宇宙模型(1)愛(ài)因斯坦“________”宇宙模型；(2)費(fèi)里德曼提出的_______________；(3)勒梅特伽莫夫提出的___________；(4)固斯提出的__________。有限無(wú)界動(dòng)態(tài)宇宙模型大爆炸理論暴脹理論3．宇宙學(xué)的新進(jìn)展(1)宇宙微波背景輻射；(2)暗物質(zhì)和暗能量。,1.牛頓力學(xué)適用于地面上物體的運(yùn)動(dòng)及天體的運(yùn)動(dòng)，但不適用于高速運(yùn)動(dòng)的物體及微觀粒子的運(yùn)動(dòng)。具有一定的局限性。請(qǐng)對(duì)以下結(jié)論作出判斷：(1)火車提速后，有關(guān)速度問(wèn)題不能用牛頓力學(xué)來(lái)處理。

()(2)宏觀物體在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，相對(duì)論與經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論是一致的。

()(3)在牛頓力學(xué)的適用范圍內(nèi)，運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘和靜止的時(shí)鐘快慢相同。

()(4)電子在原子核外的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不能用牛頓力學(xué)來(lái)解釋。

()×√√√2．如圖，一列火車沿平直軌道飛快地勻速行駛，車廂中央的光源發(fā)出了一個(gè)閃光，閃光照到了車廂的前壁和后壁，思考以下兩個(gè)問(wèn)題：(1)甲圖中，車上的觀察者觀察到閃光是否同時(shí)到達(dá)前后兩壁。(2)乙圖中，車下的觀察者觀測(cè)到的結(jié)果是怎樣的？提示：(1)車上的觀察者以車廂為參考系，閃光同時(shí)到達(dá)前后兩壁。(2)車下的觀察者以地面為參考系，觀察到閃光先到達(dá)后壁，后到達(dá)前壁。3．地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的速度是3×104m/s。某實(shí)驗(yàn)室的圓形粒子加速器可以把電子加速到0.999999999987倍光速的速度，光速c＝3×108m/s。請(qǐng)思考：(1)地球的公轉(zhuǎn)速度在狹義相對(duì)論中屬于低速還是高速？被加速器加速后的電子的速度屬于低速還是高速？(2)在地面上校準(zhǔn)的兩只鐘，一只留在地面上，一只隨宇宙飛船遨游太空(如圖所示)。隔一段時(shí)間飛船返回地面時(shí)，兩只鐘顯示的時(shí)間相同嗎？有什么差別？提示：(1)地球公轉(zhuǎn)速度屬于低速，被加速器加速后的電子的速度屬于高速。(2)不相同，隨飛船旅行的時(shí)鐘變慢(顯示的時(shí)間短)。新知學(xué)習(xí)(一)|相對(duì)論時(shí)空觀[重點(diǎn)釋解]1．慣性系和非慣性系(1)牛頓運(yùn)動(dòng)定律能夠成立的參考系為慣性系，相對(duì)于這個(gè)慣性系做勻速直線運(yùn)動(dòng)的另一個(gè)參考系也是慣性系。(2)牛頓運(yùn)動(dòng)定律不成立的參考系稱為非慣性系。[典例體驗(yàn)][例1]

π＋介子是一種不穩(wěn)定粒子，平均壽命是2.6×10－8s(在自己的參考系中測(cè)得)。(1)如果此粒子相對(duì)于實(shí)驗(yàn)室以0.8c的速度運(yùn)動(dòng)，那么在實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系中測(cè)量的π＋介子壽命多長(zhǎng)？(2)π＋介子在衰變前運(yùn)動(dòng)了多長(zhǎng)距離？[例2]

有一段長(zhǎng)100km的直線鐵路，假設(shè)鐵路上空有一飛行器沿鐵路方向以30km/s的速度掠過(guò)。求：(1)飛行器上的人看到鐵路的長(zhǎng)度應(yīng)該為多少？(2)假設(shè)飛行器的速度達(dá)到0.6c，則飛行器的人看到的鐵路的長(zhǎng)度又是多少？/方法技巧/

(1)時(shí)間間隔、長(zhǎng)度的變化，都是由于物質(zhì)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的一種觀測(cè)效應(yīng)，它與所選取的參考系有關(guān)，物質(zhì)本身的結(jié)構(gòu)并沒(méi)有變化。(2)兩個(gè)事件的時(shí)間間隔和物體的長(zhǎng)度，必須與所選取的參考系相聯(lián)系，如果在沒(méi)有選取參考系的情況下討論時(shí)間的長(zhǎng)短及空間的尺寸，是沒(méi)有任何意義的。

[針對(duì)訓(xùn)練]1．1905年愛(ài)因斯坦提出了狹義相對(duì)論，狹義相對(duì)論的出發(fā)點(diǎn)是以兩條基本假設(shè)為前提的，這兩條基本假設(shè)是

(

)A．同時(shí)的絕對(duì)性與同時(shí)的相對(duì)性B．運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘變慢與運(yùn)動(dòng)的尺子縮短C．時(shí)間間隔的絕對(duì)性與空間距離的絕對(duì)性D．相對(duì)性原理與光速不變?cè)斫馕觯邯M義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)是相對(duì)性原理和光速不變?cè)?，故D正確。答案：D

2．A、B、C是三個(gè)完全相同的時(shí)鐘，A放在地面上，B、C分別放在兩個(gè)火箭上，以速度vB和vC朝同一方向飛行，vB>vC。在地面上的人看來(lái)，關(guān)于時(shí)鐘快慢的說(shuō)法正確的是

(

)A．B鐘最快，C鐘最慢 B．A鐘最快，C鐘最慢C．C鐘最快，B鐘最慢

D．A鐘最快，B鐘最慢解析：根據(jù)狹義相對(duì)論的時(shí)間延緩效應(yīng)可知，速度越大，鐘走得越慢，選項(xiàng)D正確。答案：D

3．(多選)A、B兩架飛機(jī)沿地面上一足球場(chǎng)的長(zhǎng)軸方向在其上空高速飛過(guò)，且vA＞vB，對(duì)于在飛機(jī)上的人觀察結(jié)果，下列說(shuō)法正確的是

(

)A．A飛機(jī)上的人觀察到足球場(chǎng)的長(zhǎng)度比B飛機(jī)上的人觀察到的大B．A飛機(jī)上的人觀察到足球場(chǎng)的長(zhǎng)度比B飛機(jī)上的人觀察到的小C．兩飛機(jī)上的人觀察到足球場(chǎng)的長(zhǎng)度相同D．兩飛機(jī)上的人觀察到足球場(chǎng)的寬度相同新知學(xué)習(xí)(二)|經(jīng)典力學(xué)與量子力學(xué)的比較[任務(wù)驅(qū)動(dòng)]粒子對(duì)撞機(jī)可以把質(zhì)子加速到接近于光速，如圖所示。經(jīng)典力學(xué)是否適用于質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律？如何研究質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律？提示：不適用，經(jīng)典力學(xué)只適用于宏觀低速運(yùn)動(dòng)，描述微觀高速粒子的運(yùn)動(dòng)要用到量子力學(xué)和相對(duì)論。

[重點(diǎn)釋解]1．低速與高速的理解(1)低速：通常所見(jiàn)物體的運(yùn)動(dòng)，如行駛的汽車、發(fā)射的導(dǎo)彈、人造地球衛(wèi)星及宇宙飛船等物體皆為低速運(yùn)動(dòng)物體。(2)高速：有些微觀粒子在一定條件下其速度可以與光速相接近，這樣的速度稱為高速。2．牛頓力學(xué)與相對(duì)論、量子力學(xué)的比較

牛頓力學(xué)(經(jīng)典力學(xué))相對(duì)論、量子力學(xué)區(qū)別(1)牛頓力學(xué)適用于低速運(yùn)動(dòng)的物體(2)牛頓力學(xué)適用于宏觀世界(3)牛頓力學(xué)在弱引力的情況下與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得很好(1)相對(duì)論闡述物體在以接近光速運(yùn)動(dòng)時(shí)所遵循的規(guī)律(2)量子力學(xué)能夠正確描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律(3)相對(duì)論能夠解釋強(qiáng)引力情況下的作用規(guī)律聯(lián)系(1)當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速時(shí)，相對(duì)論物理學(xué)與牛頓物理學(xué)的結(jié)論沒(méi)有區(qū)別(2)當(dāng)另一個(gè)重要常數(shù)即普朗克常量可以忽略不計(jì)時(shí)，量子力學(xué)和牛頓力學(xué)的結(jié)論沒(méi)有區(qū)別(3)相對(duì)論和量子力學(xué)并沒(méi)有否定牛頓力學(xué)，牛頓力學(xué)是二者在一定條件下的特殊情形續(xù)表[針對(duì)訓(xùn)練]1．經(jīng)典力學(xué)只適用于“宏觀世界”，這里的“宏觀世界”是指

(

)A．行星、恒星、星系等巨大的物質(zhì)領(lǐng)域B．地球表面上的物質(zhì)世界C．人眼能看到的物質(zhì)世界D．不涉及分子、原子、電子等微觀粒子的物質(zhì)世界解析：前三個(gè)選項(xiàng)說(shuō)的當(dāng)然都屬于“宏觀世界”，但都很片面，沒(méi)有全面描述，本題應(yīng)選D。答案：D

2．(多選)關(guān)于牛頓力學(xué)、相對(duì)論和量子力學(xué)，下列說(shuō)法正確的是

(

)A．相對(duì)論和牛頓力學(xué)是相互對(duì)立、互不相容的兩種理論B．在物體高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律適用相對(duì)論理論，在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，物

體的運(yùn)動(dòng)適用牛頓運(yùn)動(dòng)定律C．牛頓力學(xué)適用于宏觀物體的運(yùn)動(dòng)，量子力學(xué)適用于微觀粒子的運(yùn)動(dòng)D．不論是宏觀物體，還是微觀粒子，牛頓力學(xué)和量子力學(xué)都是適用的解析：首先必須知道，牛頓力學(xué)解決低速、宏觀問(wèn)題，高速運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)引力作用問(wèn)題應(yīng)由相對(duì)論解決，微觀問(wèn)題應(yīng)由量子力學(xué)解決。相對(duì)論并沒(méi)有否定牛頓力學(xué)，而是認(rèn)為牛頓力學(xué)是相對(duì)論理論在一定條件下的特殊情況，故選項(xiàng)A、D錯(cuò)誤，B、C正確。答案：BC

3．關(guān)于經(jīng)典時(shí)空觀和相對(duì)論時(shí)空觀，下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是

(

)A．經(jīng)典時(shí)空觀認(rèn)為時(shí)間和空間是獨(dú)立于物體及其運(yùn)動(dòng)而存在的B．相對(duì)論時(shí)空觀認(rèn)為時(shí)間和空間與物體及其運(yùn)動(dòng)有關(guān)系C．經(jīng)典力學(xué)只適用于宏觀、低速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，不適用于微觀、高速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題D．當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速時(shí)，相對(duì)論和經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論仍有很大的區(qū)別解析：經(jīng)典時(shí)空觀認(rèn)為時(shí)間和空間是獨(dú)立于物體及其運(yùn)動(dòng)而存在的，而相對(duì)論時(shí)空觀認(rèn)為時(shí)間和空間與物體及其運(yùn)動(dòng)有關(guān)系，A、B正確；經(jīng)典力學(xué)只適用于宏觀、低速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，不適用于微觀、高速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，C正確；當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速時(shí)，相對(duì)論和經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論沒(méi)有區(qū)別，D錯(cuò)誤。答案：D

一、好素材分享——看其他教材如何落實(shí)核心素養(yǎng)

科學(xué)思維——“動(dòng)尺變短”的應(yīng)用1．(選自魯科版新教材課后練習(xí))慣性參考系S中有一邊長(zhǎng)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)得該正方形的圖像可能是(

)

解析：由相對(duì)論知識(shí)可知，運(yùn)動(dòng)的飛行器上觀測(cè)到正方形應(yīng)該在運(yùn)動(dòng)方向上的邊長(zhǎng)變短，而在垂直于運(yùn)動(dòng)方向上的邊長(zhǎng)不變，故選項(xiàng)C正確。

答案：C

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任——“中國(guó)天眼”與天文學(xué)家南仁東2．(選自魯科版新教材“科學(xué)書屋”)被譽(yù)為“中國(guó)天眼”的射電望遠(yuǎn)鏡(FivehundredmetersApertureSphericalRadioTelescope，F(xiàn)AST)由主動(dòng)反射面系統(tǒng)、饋源支撐系統(tǒng)、測(cè)量與控制系統(tǒng)、接收機(jī)與終端及觀測(cè)基地等幾大部分構(gòu)成。從1994年提出構(gòu)想到2016年落成啟用，歷時(shí)22年，是我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡。目前“中國(guó)天眼”已發(fā)現(xiàn)若干脈沖星，人們期待其有進(jìn)一步的天文發(fā)現(xiàn)?！爸袊?guó)天眼”的首席科學(xué)家兼總工程師南仁東(1945—2017)，為選擇最佳臺(tái)址，帶著300多幅衛(wèi)星遙感圖，跋涉在中國(guó)西南的大山里，先后對(duì)比了1000多個(gè)洼地。工程建設(shè)中，他克服了技術(shù)、資金等重重困難，為工程的順利完成作出了卓越的貢獻(xiàn)。他用人生最后的22年，精益求精、堅(jiān)毅執(zhí)著地實(shí)現(xiàn)了一個(gè)夢(mèng)想，用生命鑄就了世人矚目的“中國(guó)天眼”。二、新題目精選——品立意深處所蘊(yùn)含的核心價(jià)值1．(2023·廣東1月學(xué)考)地面上的觀察者測(cè)得真空中的光速為v1，在勻速直線運(yùn)動(dòng)的列車內(nèi)，觀察者測(cè)得真空中的光速為v2，根據(jù)狹義相對(duì)論，下列判斷正確的是(

)A．v1>v2

B．v1<v2C．v1＝v2

D．無(wú)法確定解析：根據(jù)狹義相對(duì)論光速不變?cè)?，光在真空中總是以確定的速度傳播，速度的大小同光源的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)，在真空中的各個(gè)方向上，光信號(hào)傳播速度的大小均相同，光速同光源的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和觀察者所處的慣性系無(wú)關(guān)，可知v1＝v2。故選C。答案：C

2．(2022·江蘇常熟高一期中)科學(xué)家曾宣布探測(cè)到引力波的存在。引力波是實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證愛(ài)因斯坦相對(duì)論的最后一塊缺失的“拼圖”，相對(duì)論在一定范圍內(nèi)彌補(bǔ)了經(jīng)典力學(xué)的局限性。關(guān)于經(jīng)典力學(xué)，下列說(shuō)法正確的是

(

)A．經(jīng)典力學(xué)完全適用于宏觀低速運(yùn)動(dòng)B．經(jīng)典力學(xué)取得了巨大成就，是普遍適用的C．隨著物理學(xué)的發(fā)展，經(jīng)典力學(xué)將逐漸成為過(guò)時(shí)的理論D．由于相對(duì)論、量子論的提