(讲义)第5章 牛顿力学的局限性与相对论初步-【提分教练】2023-2024学年新教材高中物理必修第二册(粤教版2019)

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 学习任务 1．知道牛顿力学的成就与局限性，了解爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设及时空弯曲、近现代宇宙模型。 2．理解光速不变原理，会用“时间延缓”与“长度收缩”分析、推理解决问题。 3．通过思想实验探究“同时性的相对性”“时间延缓”“长度收缩”。 4．认识牛顿力学的局限性，体会人类对自然界的探索是不断深入的，激发学科学的兴趣。 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 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则称为非惯性参考系。 (3)伽利略相对性原理 在所有的惯性参考系中，力学规律都具有相同的形式，这一结论被称为伽利略相对性原理。 2．牛顿力学的成就 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。首次告诉人们一切自然科学理论应有的基本特征，且可以定量地检验和界定。 3．牛顿力学的局限性和适用范围 (1)牛顿力学的局限性 ①首先，牛顿力学的应用受到物体运动速度大小的限制。 ②其次，牛顿运动定律不适用于微观领域物质结构和能量不连续的现象。 ③再者，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 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)情况。 　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。 1：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)牛顿力学一般不适用于微观粒子。 (　　) (2)对于宏观物体的低速运动问题，相对论、量子力学与牛顿力学是一致的。 (　　) [答案]　(1)√　(2)√ 知识点二　相对论时空观及宇宙起源和演化 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”，指时间间隔的相对性，也称为“时间膨胀”或“钟慢效应”。 (3)“长度收缩”，指空间距离的相对性，也称为“尺缩效应”。 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)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。 4．宇宙起源和演化 (1)古代宇宙模型 (2)近现代宇宙模型 宇宙正在膨胀。 (3)宇宙学的新发展 说明：物质决定时空的弯曲，时空决定物质的运动。 2：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)一根杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同，这是经典物理学家的观点。(　　) (2)一根杆的长度静止时为l0，不管杆如何运动，杆的长度均小于l0。 (　　) (3)“动钟变慢”是时钟的精度因运动而发生了变化。 (　　) [答案]　(1)√　(2)×　(3)× 1．粒子对撞机可以把质子加速到接近于光速，如图所示。牛顿力学是否适用于质子的运动规律？如何研究质子的运动规律？ 提示：不适用。牛顿力学只适用于宏观低速运动，描述微观高速粒子的运动要用到量子力学。 2．如图所示，静止在地球上的人测得地月之间的距离为l0，坐在从地球高速飞往月球的飞船里的航天员测得地月之间的距离仍为l0吗？ 提示：不是，航天员测得的地月之间的距离小于l0。 考点1　牛顿力学的局限性 牛顿力学与相对论、量子力学的比较 (1)区别 ①牛顿力学适用于低速运动的物体；相对论是爱因斯坦假设阐述物体在以接近光速运动时所遵循的规律。 ②牛顿力学适用于宏观世界；量子力学能够正确描述微观粒子的运动规律。 (2)联系 ①当物体的运动速度远小于光速时，相对论物理学与牛顿力学的结论没有区别。 ②当另一个重要常量即“普朗克常量”可以忽略不计时，量子力学和牛顿力学的结论没有区别。 ③相对论和量子力学并没有否定牛顿力学，牛顿力学是二者在一定条件下的特殊情形。 【典例1】　关于牛顿力学、爱因斯坦假设和量子力学，下列说法中正确的是(　　) A．爱因斯坦假设和牛顿力学是相互对立、互不相容的两种理论 B．牛顿力学包含于相对论之中，牛顿力学是相对论的特例 C．牛顿力学只适用于宏观物体的运动，量子力学只适用于微观粒子的运动 D．不论是宏观物体，还是微观粒子，牛顿力学和量子力学都是适用的 B　[相对论没有否定