第8.1节 牛顿力学的局限性-【帮课堂】2024-2025学年高一物理同步学与练（沪科版2020上海必修第二册）

第八章 牛顿力学的局限性与相对论初步 8.1 牛顿力学的局限性 课程标准 1.了解牛顿力学取得了巨大的成就，但也有不能解释的现象。 2.了解牛顿力学适应的范围是：宏观、低速、弱引力场。 物理素养 物理观念：初步认识到牛顿力学的局限性和其适用范围。 科学思维：人类探索自然界客观规律的探究是打破旧观念，不断提高认识的过程。 科学探究：查阅资料，了解经典时空观和相对论时空观的基本内容。 科学态度与责任：科学理论要用客观实验来验证。 【思考】 问题1：设想人类可以利用飞船以 0.2c的速度进行星际航行。若飞船向正前方的某一星球发射一束激光，该星球上的观察者测量到的激光的速度是多少? 问题2：用高能粒子加速器把一个质子的能力加速到1.60×10-10J。质子质量 m=1.67×10-27kg，假定这个能量就是质子具有的动能，按照牛顿力学，质子的速度为多大? 【答案】 问题1：按照经典的参照系理论，物体的速度=物体相对于参考系的速度+参考系速度，所以星球上的人观测到的速度应该为1.2c，但实际实验结果并非如此。 问题2：由得，=4.38×108m/s=1.38c>c，但实验上从未发现过超光速的粒子。 1. 牛顿力学无法解释的现象 (1)粒子加速不可能超过光速 通常用γ因子来描述高速粒子的性质： 当粒子的速度很小时，γ≈1； 当粒子的速度接近光速时，伽马因子会趋近于无穷大，说明质量无限增加。 (2)以太不存在 按牛顿力学，光的传播需要一种叫以太的介质，充满宇宙空间，但迈克耳孙莫雷实验证明不存在。 (3)电子的能级 电子在原子核正电荷的库仑力作用下绕核运转，其轨道半径是连续的； 无法解释电子轨道能级量子化，原子光谱，激光等。 (4)强引力场的天体运动 一个质量为m，半径为R的天体，其引力场的强弱通常用引力常数，引力常数越小引力场越弱。 地球的引力常数约为10-9，太阳引力常数约为10-6，而对于中子星，这个值约为10-1，黑洞则接近于1。 牛顿力学在弱引力场天体运动方面取得了很大的成功，但无法正确描述强引力场天体的运动。 2.牛顿力学局限性：牛顿力学的适用范围是低速宏观物体。 (1)低速运动。当物体以接近光速运动时，有些与牛顿力学的结论不相同。 (2)宏观物体的运动。电子、质子、中子等微观粒子的运动不能用牛顿力学来说明。 (3)弱引力场。中子星、黑洞不能用牛顿力学描述。 例1. 下列关于经典力学的说法正确的是（ ） A.经典力学适用于宏观、低速（远小于光速）运动的物体 B.经典力学适用于微观、高速（接近光速）运动的粒子 C.相对论和量子力学的出现，表明经典力学已被完全否定了 D.经典力学在理论和实践上取得了巨大的成功，从地面到天体的运动都服从经典力学的规律，因此任何情况下都适用 【答案】A 【解析】经典力学是狭义相对论在低速(v≪c)条件下的近似，即只要速度远小于光速，经过数学变换狭义相对论的公式就全部变化为经典力学的公式，故A正确，B、D错误； 相对论与量子力学并没有否定经典力学，而是在其基础上发展起来的，故C错误。 考点01　判断是否适用牛顿力学规律 例2.（23-24高一下·上海浦东新·期末）下列物体的运动，不能在牛顿力学框架下得到解释的是（　　） A．中子星 B．人造卫星 C．飞行的鸟 D．射出的子弹 【答案】A 【详解】牛顿力学适用于宏观、低速运动的物体，对微观、高速运动的粒子与中子星等大质量、高密度天体周边的物理现象不适应，可知，即中子星不能在牛顿力学框架下得到解释。故选A。 1. 下列物理现象中，哪些可以在牛顿力学的框架下得到解释？ (1)地球绕太阳公转； (2)量子通信； (3)引力波； (4)加速器中高能粒子的运动； (5)激光； (6)电子的轨道运动： (7)水星的轨道进动； (8)黑体辐射的能量分布 【答案】 (1) 【解析】 (1)牛顿力学适用于低速、宏观的运动，地球绕太阳的公转可以用牛顿力学解释; (2)量子通信又称量子隐形传送，量子通信是由量子态携带信息的通信方式，它利用光子等基本粒子的量子纠缠原理实现保密通信过程，量子通信是利用了微观粒子，故不能在牛顿力学的框架下得到解释; (3)引力波是高速运动问题，故不能在牛顿力学的框架下得到解释。 (4)加速器中高能粒子的运动是高速运动问题，故不能在牛顿力学的框架下得到解释。 (5)激光是高速运动问题，故不能在生顿力学的框架下得到解释。 (6)电子的轨道运动是量子力学的研究范畴，而不是牛顿力学所能完全解释的。 (7)水星的轨道进动是由于相对论效应的存在而导致的，牛顿力学未能准确预测这一现象，因为它没有考虑到高速运动下时间和空间的相对性。相对论提供了更精确的描述，解释了水星轨道的进动。 (8)黑体辐射的能量分布也是牛顿力学无法解释的现象之一。这一问题在19世纪末引发了物理学界的“紫外灾难”，因为根据经典物理学的理论预测，黑体在高频辐射下会发射出无穷大的能量，这与实验观测结果严重不符。量子力学的发展解决了这个问题，提供了正确的黑体辐射能量分布公式。 2.（多选）下列服从经典力学规律的是（ ） A.自行车、汽车、火车、飞机等交通工具的运动 B.发射导弹、人造卫星、宇宙飞船 C.以接近光速飞行的μ子的运动 D.地壳的变动 【答案】ABD 【解析】经典力学适用于宏观、低速运动的物体，所以A、B、D正确。 3．（多选）2020年6月15日，中国科学院宣布，墨子号量子科学实验卫星在国际上首次实现千公里级基于纠缠的量子密钥分发。下列说法正确的是(　　 ) A．经典力学适用于墨子号绕地球运动的规律 B．经典力学适用于光子的运动规律 C．量子力学可以描述墨子号发出的量子通信规律 D．经典力学已经失去了应用价值 【答案】AC 【解析】经典力学适用于宏观低速的物体运动，“墨子号”的运动属于宏观低速运动，故A正确。 量子力学适用于微观高速的物体运动，如光的运动，而对于高速运动的光子，经典力学已经不再适用，经典力学在自己的范围内是有价值的，故C正确，D错误。 4. 计算下表中物体运动速度的γ因子： 运动 物体 步行的人 奔跑中的运动员 高铁 卫星 从地球逃逸的卫星 加速器中的 高能粒子 速度 5 km/h 10 m/s 300 km/h 3.08 km/s 11.2 km/s 0.9999c 【答案】 步行的人 γ≈1 奔跑中的运动员 γ≈1 高铁 γ≈1 卫星 γ≈1 从地球逃逸的卫星 γ≈1 加速器中的高能粒子γ≈70.71 5. 北京正负电子对撞机是我国第一台高能加速器，可以将电子能量加速到 3.52×10-10J(2.2 GeV)。按照牛顿力学，这个电子的速度是多大？这种情况下，牛顿力学是否适用？为什么？ 【答案】按照牛顿力学，由题可知电子的动能: ，电子质量m=9.1×10-31kg， 则 ，该远速度大于光速，所以牛顿力学不适用。 6. 对于质量为 1.4 倍太阳质量、半径与地球相同的白矮星，计算它的引力常数，牛顿力学可以正确描写白矮星的运动吗？简述理由。(太阳质量 m=1.989×1030kg，引力常量G=6.67×10-11N·m2/kg2，地球半径 R地=6.371×106m，光速c=3.0×108m/s) 【答案】代入数据计算引力常数为3.24×10-4，表明引力非常强，牛顿力学不适用。 / 学科网（北京）股份有限公司 $$ 第八章 牛顿力学的局限性与相对论初步 8.1 牛顿力学的局限性 课程标准 1.了解牛顿力学取得了巨大的成就，但也有不能解释的现象。 2.了解牛顿力学适应的范围是：宏观、低速、弱引力场。 物理素养 物理观念：初步认识到牛顿力学的局限性和其适用范围。 科学思维：人类探索自然界客观规律的探究是打破旧观念，不断提高认识的过程。 科学探究：查阅资料，了解经典时空观和相对论时空观的基本内容。 科学态度与责任：科学理论要用客观实验来验证。 【思考】 问题1：设想人类可以利用飞船以 0.2c的速度进行星际航行。若飞船向正前方的某一星球发射一束激光，该星球上的观察者测量到的激光的速度是多少? 问题2：用高能粒子加速器把一个质子的能力加速到1.60×10-10J。质子质量 m=1.67×10-27kg，假定这个能量就是质子具有的动能，按照牛顿力学，质子的速度为多大? 1. 牛顿力学无法解释的现象 (1)粒子加速不可能超过光速 通常用γ因子来描述高速粒子的性质： 当粒子的速度很小时，γ≈1； 当粒子的速度接近光速时，伽马因子会趋近于无穷大，说明质量无限增加。 (2)以太不存在 按牛顿力学，光的传播需要一种叫以太的介质，充满宇宙空间，但迈克耳孙莫雷实验证明不存在。 (3)电子的能级 电子在原子核正电荷的库仑力作用下绕核运转，其轨道半径是连续的； 无法解释电子轨道能级量子化，原子光谱，激光等。 (4)强引力场的天体运动 一个质量为m，半径为R的天体，其引力场的强弱通常用引力常数，引力常数越小引力场越弱。 地球的引力常数约为10-9，太阳引力常数约为10-6，而对于中子星，这个值约为10-1，黑洞则接近于1。 牛顿力学在弱引力场天体运动方面取得了很大的成功，但无法正确描述强引力场天体的运动。 2.牛顿力学局限性：牛顿力学的适用范围是低速宏观物体。 (1)低速运动。当物体以接近光速运动时，有些与牛顿力学的结论不相同。 (2)宏观物体的运动。电子、质子、中子等微观粒子的运动不能用牛顿力学来说明。 (3)弱引力场。中子星、黑洞不能用牛顿力学描述。 例1. 下列关于经典力学的说法正确的是（ ） A.经典力学适用于宏观、低速（远小于光速）运动的物体 B.经典力学适用于微观、高速（接近光速）运动的粒子 C.相对论和量子力学的出现，表明经典力学已被完全否定了 D.经典力学在理论和实践上取得了巨大的成功，从地面到天体的运动都服从经典力学的规律，因此任何情况下都适用 考点01　判断是否适用牛顿力学规律 例2.（23-24高一下·上海浦东新·期末）下列物体的运动，不能在牛顿力学框架下得到解释的是（　　） A．中子星 B．人造卫星 C．飞行的鸟 D．射出的子弹 1. 下列物理现象中，哪些可以在牛顿力学的框架下得到解释？ (1)地球绕太阳公转； (2)量子通信； (3)引力波； (4)加速器中高能粒子的运动； (5)激光； (6)电子的轨道运动： (7)水星的轨道进动； (8)黑体辐射的能量分布 2.（多选）下列服从经典力学规律的是（ ） A.自行车、汽车、火车、飞机等交通工具的运动 B.发射导弹、人造卫星、宇宙飞船 C.以接近光速飞行的μ子的运动 D.地壳的变动 3．（多选）2020年6月15日，中国科学院宣布，墨子号量子科学实验卫星在国际上首次实现千公里级基于纠缠的量子密钥分发。下列说法正确的是(　　 ) A．经典力学适用于墨子号绕地球运动的规律 B．经典力学适用于光子的运动规律 C．量子力学可以描述墨子号发出的量子通信规律 D．经典力学已经失去了应用价值 4. 计算下表中物体运动速度的γ因子： 运动 物体 步行的人 奔跑中的运动员 高铁 卫星 从地球逃逸的卫星 加速器中的 高能粒子 速度 5 km/h 10 m/s 300 km/h 3.08 km/s 11.2 km/s 0.9999c 5. 北京正负电子对撞机是我国第一台高能加速器，可以将电子能量加速到 3.52×10-10J(2.2 GeV)。按照牛顿力学，这个电子的速度是多大？这种情况下，牛顿力学是否适用？为什么？ 6. 对于质量为 1.4 倍太阳质量、半径与地球相同的白矮星，计算它的引力常数，牛顿力学可以正确描写白矮星的运动吗？简述理由。(太阳质量 m=1.989×1030kg，引力常量G=6.67×10-11N·m2/kg2，地球半径 R地=6.371×106m，光速c=3.0×108m/s) / 学科网（北京）股份有限公司 $$