2024届上海市高三物理二轮复习讲义：第七单元 牛顿力学的局限性与相对论初步

第七单元牛顿力学的局限性与相对论初步 目录 第1讲牛顿力学的局限性与相对论初步 1 课标要求: 1.知道牛顿定律的局限性,体会人类对自然界的探索是不断深入的。 2.初步了解相对论时空观。 3.关注宇宙起源和演化的研究进展。 知识结构 第1讲牛顿力学的局限性与相对论初步 内容梳理 【概念规律】 一、牛顿力学的局限性 1.牛顿力学的局限性 以下三种情况,牛顿力学不再适用: (1)物体以接近光速运动时; (2)描述微观粒子(如电子、质子、中子等)的运动时; (3)描述强引力场天体(如中子星、黑洞等)的运动时。 2.牛顿力学的适用范围 __________、低速、__________。 二、相对论的时空观 (一)狭义相对论 1.狭义相对论中的两条原理 (1)相对性原理:物理规律包括电磁规律,在所有惯性系中都具有__________的形式。 (2)光速不变原理:真空中的光速在所有惯性系中都是相同的,与光源和观测者的速度无关。 2.两条原理引发的结论 (1)同时的相对性：根据爱因斯坦的假设,如果两个事件在一个参考系中是同时的,但在另一个参考系中不一定是同时的。 (2)时间延缓效应(__________效应) 如果一列车沿直线轨道以匀速向右运动,列车上的人观察到列车上的物体完成某个动作的时间间隔为,而地面上的人观察到该物体完成这个动作的时间间隔为,则有,因为,所以。 即在惯性系中,运动的钟比静止的钟要走得慢。 (3)长度收缩效应(__________效应) 如果一杆以速度沿杆向右运动,与杆相对静止的人测得杆长是,地面上的人测得杆长是,则有,因为,所以。 (4)质量膨胀效应 一物体静止时的质量为,运动时的质量为,则有。由式可知,当物体的运动速度越大时,质量也将越大。 (5)爱因斯坦质能方程:。 (二)广义相对论 1.广义相对论中的两条原理 (1)广义相对性原理:物理规律在任何参考系中都具有相同的形式。 (2)等效原理:一个均匀引力场与一个做匀加速运动的参考系等价。 2.广义相对论的应用 准确地解释了水星公转轨道的近日点进动,光经过太阳等大质量天体时的偏折,引力场中的谱线红移和时钟变慢以及引力波的辐射等。 三、宇宙的起源与演化 1.宇宙的起源 美国天文学家哈勃通过对大量星系的观测发现,银河系以外的绝大部分星系都在远离我们,即星系都在退行,并且离我们越远的星系,其退行速度就越__________。随后,物理学家伽莫夫等人提出了大爆炸宇宙学,即我们的宇宙起源于约138亿年前的大爆炸。 2.宇宙的演化 3.恒星的演化 恒星演化为分诞生期、存在期和死亡期。 (1)恒星的寿命 ①一颗恒星的寿命取决于它的质量,质量越大,寿命越__________。 ②太阳的寿命大约为100亿年,太阳正值“壮年”。 ③当恒星变为红色的巨星或超巨星时,就意味着这颗恒星将要度过它光辉的一生了。 (2)恒星的演化 小质量的恒星:星云原恒星主星序红巨星行星状星云星 大质量的恒星:星云原恒星主星序超红巨星超新星__________星或黑洞 4.暗物质 为了解释星系及星系团的形成和稳定,物理学家提出宇宙空间中还应存在一种望远镜无法观测到的暗物质,暗物质的总质量要远远大于宇宙中所有可见物质的质量总和。 5.暗能量 为了解释宇宙的加速膨胀,物理学家引入了充满整个宇宙并具有负压性质的暗能量。 根据对宇宙微波背景辐射的精确测量可以得知,暗能量约占整个宇宙的,暗物质约占,而普通的可见物质只占左右。 答案:一、宏观 弱引力场 二、相同 钟慢 尺缩 三、大 短 白矮 中子 【问题情境举隅】 牛顿力学的局限性 现代大型高能粒子加速器可以把粒子的速度加速到与光速极为接近的程度,但无法超过光速;卢瑟福基于牛顿力学,提出了原子核式结构模型,对原子物理的发展作出了极为重要的贡献;牛顿力学在解释中子星、黑洞等强引力场天体的运动时,碰到了困难。 相对论的时空观 高速运动的飞船中时间走得慢,导致双生子佯谬问题;高速运动的物体,沿运动方向的长度会缩短;水星绕太阳每公转一周,近日点会出现偏离,与广义相对论的计算结果相符;恒星的光线经过大质量天体附近时发生偏折,形成爱因斯坦环。 宇宙的起源与演化 科学家认为宇宙起源于138亿年前的大爆炸,大爆炸之后形成了时间和空间;宇宙在大爆炸后,经过很长时间的演化,逐渐产生了基本粒子、恒星、星系等;恒星从诞生开始,经历较长时间的存在期,最终到死亡期,变成白矮星、中子星或黑洞。 关键点拨 牛顿力学的局限性 【例题1】质量的质子在高能粒子加速器中被加速到动能为。某同学根据,算出质子的速度(计算无误)。此速度值不合理之处是__________,说明了__________________________________________________。 课堂笔记: ____________