上海市高三物理二輪復(fù)習(xí)講義第七單元牛頓力學(xué)的局限性與相對論初步

第七單元牛頓力學(xué)的局限性與相對論初步目錄TOC\o"13"\h\u第1講牛頓力學(xué)的局限性與相對論初步 1課標(biāo)要求:1.知道牛頓定律的局限性,體會人類對自然界的探索是不斷深入的。2.初步了解相對論時空觀。3.關(guān)注宇宙起源和演化的研究進(jìn)展。知識結(jié)構(gòu)第1講牛頓力學(xué)的局限性與相對論初步內(nèi)容梳理【概念規(guī)律】一、牛頓力學(xué)的局限性1.牛頓力學(xué)的局限性以下三種情況,牛頓力學(xué)不再適用:(1)物體以接近光速運(yùn)動時;(2)描述微觀粒子(如電子、質(zhì)子、中子等)的運(yùn)動時;(3)描述強(qiáng)引力場天體(如中子星、黑洞等)的運(yùn)動時。2.牛頓力學(xué)的適用范圍__________、低速、__________。二、相對論的時空觀(一)狹義相對論1.狹義相對論中的兩條原理(1)相對性原理:物理規(guī)律包括電磁規(guī)律,在所有慣性系中都具有__________的形式。(2)光速不變原理:真空中的光速在所有慣性系中都是相同的,與光源和觀測者的速度無關(guān)。2.兩條原理引發(fā)的結(jié)論(1)同時的相對性：根據(jù)愛因斯坦的假設(shè),如果兩個事件在一個參考系中是同時的,但在另一個參考系中不一定是同時的。(2)時間延緩效應(yīng)(__________效應(yīng))如果一列車沿直線軌道以勻速v向右運(yùn)動,列車上的人觀察到列車上的物體完成某個動作的時間間隔為Δt',而地面上的人觀察到該物體完成這個動作的時間間隔為Δt,則有Δt=即在慣性系中,運(yùn)動的鐘比靜止的鐘要走得慢。(3)長度收縮效應(yīng)(__________效應(yīng))如果一桿以速度v沿桿向右運(yùn)動,與桿相對靜止的人測得桿長是L0,地面上的人測得桿長是L,則有L=L01?(4)質(zhì)量膨脹效應(yīng)一物體靜止時的質(zhì)量為m0,運(yùn)動時的質(zhì)量為m,則有m(5)愛因斯坦質(zhì)能方程:E=(二)廣義相對論1.廣義相對論中的兩條原理(1)廣義相對性原理:物理規(guī)律在任何參考系中都具有相同的形式。(2)等效原理:一個均勻引力場與一個做勻加速運(yùn)動的參考系等價(jià)。2.廣義相對論的應(yīng)用準(zhǔn)確地解釋了水星公轉(zhuǎn)軌道的近日點(diǎn)進(jìn)動,光經(jīng)過太陽等大質(zhì)量天體時的偏折,引力場中的譜線紅移和時鐘變慢以及引力波的輻射等。三、宇宙的起源與演化1.宇宙的起源美國天文學(xué)家哈勃通過對大量星系的觀測發(fā)現(xiàn),銀河系以外的絕大部分星系都在遠(yuǎn)離我們,即星系都在退行,并且離我們越遠(yuǎn)的星系,其退行速度就越__________。隨后,物理學(xué)家伽莫夫等人提出了大爆炸宇宙學(xué),即我們的宇宙起源于約138億年前的大爆炸。2.宇宙的演化3.恒星的演化恒星演化為分誕生期、存在期和死亡期。(1)恒星的壽命①一顆恒星的壽命取決于它的質(zhì)量,質(zhì)量越大,壽命越__________。②太陽的壽命大約為100億年,太陽正值“壯年”。③當(dāng)恒星變?yōu)榧t色的巨星或超巨星時,就意味著這顆恒星將要度過它光輝的一生了。(2)恒星的演化小質(zhì)量的恒星:星云→原恒星→主星序→紅巨星→行星狀星云→__________星大質(zhì)量的恒星:星云→原恒星→主星序→超紅巨星→超新星→__________星或黑洞4.暗物質(zhì)為了解釋星系及星系團(tuán)的形成和穩(wěn)定,物理學(xué)家提出宇宙空間中還應(yīng)存在一種望遠(yuǎn)鏡無法觀測到的暗物質(zhì),暗物質(zhì)的總質(zhì)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于宇宙中所有可見物質(zhì)的質(zhì)量總和。5.暗能量為了解釋宇宙的加速膨脹,物理學(xué)家引入了充滿整個宇宙并具有負(fù)壓性質(zhì)的暗能量。根據(jù)對宇宙微波背景輻射的精確測量可以得知,暗能量約占整個宇宙的68%,暗物質(zhì)約占27%,而普通的可見物質(zhì)只占5%左右。答案:一、宏觀弱引力場二、相同鐘慢尺縮三、大短白矮中子【問題情境舉隅】牛頓力學(xué)的局限性現(xiàn)代大型高能粒子加速器可以把粒子的速度加速到與光速極為接近的程度,但無法超過光速;盧瑟?；谂ｎD力學(xué),提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型,對原子物理的發(fā)展作出了極為重要的貢獻(xiàn);牛頓力學(xué)在解釋中子星、黑洞等強(qiáng)引力場天體的運(yùn)動時,碰到了困難。相對論的時空觀高速運(yùn)動的飛船中時間走得慢,導(dǎo)致雙生子佯謬問題;高速運(yùn)動的物體,沿運(yùn)動方向的長度會縮短;水星繞太陽每公轉(zhuǎn)一周,近日點(diǎn)會出現(xiàn)偏離,與廣義相對論的計(jì)算結(jié)果相符;恒星的光線經(jīng)過大質(zhì)量天體附近時發(fā)生偏折,形成愛因斯坦環(huán)。宇宙的起源與演化科學(xué)家認(rèn)為宇宙起源于138億年前的大爆炸,大爆炸之后形成了時間和空間;宇宙在大爆炸后,經(jīng)過很長時間的演化,逐漸產(chǎn)生了基本粒子、恒星、星系等;恒星從誕生開始,經(jīng)歷較長時間的存在期,最終到死亡期,變成白矮星、中子星或黑洞。關(guān)鍵點(diǎn)撥牛頓力學(xué)的局限性【例題1】質(zhì)量m=1.67×10?27kg的質(zhì)子在高能粒子加速器中被加速到動能為Ek=1.6×課堂筆記:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________?！军c(diǎn)撥1】牛頓力學(xué)的局限性:牛頓運(yùn)動定律只適用于宏觀、低速、弱引力場，而不適用于微觀、高速、強(qiáng)引力場的情況。相對論的時空觀【例題2】在一個高速旋轉(zhuǎn)的巨大轉(zhuǎn)盤上放置三個完全相同的時鐘,a放在轉(zhuǎn)軸處,b放在中間,c放在邊緣處,如圖所示。對于地面上的觀察者,根據(jù)相對論判斷三個時鐘的快慢情況,則 ()A.a鐘最快,b、c鐘一樣慢 B.a鐘最慢,C.a鐘最快,c鐘最慢 D.a鐘最慢,c鐘最快課堂筆記:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。【點(diǎn)撥2】在相對論下,會引發(fā)鐘慢效應(yīng)、尺縮效應(yīng)和質(zhì)量膨脹效應(yīng)。過關(guān)演練【經(jīng)典過關(guān)】1.研究下列問題時,能用牛頓運(yùn)動定律分析研究的是 ()A.繞原子核做圓周運(yùn)動的電子的運(yùn)動 B.月球繞地球所做的圓周運(yùn)動C.兩個黑洞的碰撞合并過程 D.高能加速器中電子的運(yùn)動2.若一列火車以接近光速的速度在高速行駛,車上的人用望遠(yuǎn)鏡來觀察地面上的一只排球,如圖所示,其觀察的結(jié)果是 ()A.像一只乒乓球(體積變小) B.像一只籃球(體積變大)C.像一只橄欖球(豎直放置) D.像一只橄欖球(水平放置)【綜合演練】宇宙空間存在大量的氣體、塵埃等物質(zhì),在引力作用下,這些氣體和塵埃聚集收縮成密度較大的原始星云,最后進(jìn)一步收縮形成原恒星。原恒星在引力作用下進(jìn)一步收縮,形成一個密度極大的核心,溫度越來越高。當(dāng)核心溫度達(dá)到107K時,點(diǎn)燃熱核反應(yīng)并輻射能量,于是新的恒星誕生了。1.小李同學(xué)借助天文臺的天文望遠(yuǎn)鏡觀測新產(chǎn)生的一顆小質(zhì)量恒星A101,并拍下了該恒星的照片,則照片上的恒星是它__________的樣子(選填“現(xiàn)在”“過去”或“將來”)，當(dāng)這顆恒星步入死亡期時,它最終會變成一顆__________星。2.小李在觀測恒星A101時,也看到了該恒星附近的其他恒星,根據(jù)大爆炸理論,他現(xiàn)在看到的恒星間的距離比原先要更__________,由于宇宙在加速膨脹因此宇宙的半徑也在發(fā)生變化,則下列圖像中能