第五讲 牛顿力学的局限性与相对论初步-【暑假辅导班】2021年新高二物理暑假精品课程（粤教版）

第五讲 牛顿力学的局限性与相对论初步 【学习目标】 1.了解惯性参考系和非惯性参考系，知道什么是绝对时空观. 2.了解牛顿力学的成就与局限性． 3.了解狭义相对论的基本假设、同时性的相对性、时间延缓、长度收缩. 4.认识牛顿力学时空观和相对论时空观的区别.3.知道时空弯曲. 5.了解科学理论的相对性，体会科学理论是不断发展和完善的． 6.了解古代和近现代宇宙模型，认识人类在认识宇宙模型的不断进步. 7.了解宇宙学的新进展，体会理论模型和科学观测之间的关系． 【基础知识】 一、牛顿力学的成就与局限性 1、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，力学规律具有相同的形式． 4．绝对时空观：时间和空间彼此独立、互不关联，且不受物质或运动的影响． 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的多样性的统一，实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合． 2．使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． 3、牛顿力学的局限性和适用范围 1．牛顿力学的局限性： (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光速时，牛顿力学不再适用． (2)牛顿运动定律不适用于微观领域中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强引力作用的物体的运动也不适用． 2．牛顿力学的适用范围：适用于低速(远小于光速)、宏观(人类可感知尺度)、弱引力场和计量精度要求不高的情况． 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． 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相同的． (2)狭义相对论认为“动钟变慢”：时间间隔的相对性公式为Δt′＝Δteq \r(1－\f(v,c)2). 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相对运动而不同． (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′＝leq \r(1－\f(v,c)2)，但在垂直于杆的运动方向上，杆的长度不变． 4．牛顿力学时空观和相对论时空观的区别 牛顿力学认为时间和空间是脱离物质而存在的，时间和空间之间也是没有联系的．相对论则认为有物质才有时间和空间，时间和空间与物质的运动状态有关，因而时间与空间并不是(填“是”或“不是”)相对独立的，这在时间延缓效应和长度收缩效应中已体现出来． 3、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．引力场的存在，也会使时间发生弯曲．例如，在大质量天体的强引力场附近，时间进程会变慢． 3．弯曲的时空也会决定物质的运动，物质决定时空的弯曲，时空决定物质的运动． 三、宇宙起源和演化 1、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，其理论经托勒密发展形成了“地心说”． 3．日心说：1543年，哥白尼提出了“日心说”，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． 2、近现代宇宙模型 1．广义相对论宇宙模型 由弯曲空间构成，没有边界、没有中心，但在整体上是有限的、静态的宇宙． 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均匀的，从各个方向看都是一样的．随着时间的变化，宇宙在不断膨胀． (2)哈勃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小、密度无限大、温度无限高、时空曲率无限大的奇点．宇宙“爆炸”之后不断膨胀，导致温度和密度迅速下降．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恒星和星系，最终形成我们如今所看到的宇宙． 3、宇宙学的新进展 科学家们观测到的宇宙微波背景辐射，被誉为20