第五章 1 经典力学的成就与局限性 2 相对论时空观简介 3 宇宙的起源和演化-（配套课件）2023-2024学年高一新教材物理必修第二册 【步步高】学习笔记（教科版）

DIWUZHANG 第五章 1　经典力学的成就与局限性 2　相对论时空观简介 3　宇宙的起源和演化 学习目标 1.了解经典力学在科学研究及生产技术中的广泛应用。 2.知道经典力学的局限性和适用范围(重点)。 3.知道狭义相对论中运动长度l和时钟及质量随速度的变化规律(重难点)。 4.知道爱因斯坦质能方程，了解广义相对论(重点)。 5.了解宇宙的起源和演化。 2 内容索引 一、经典力学的成就与局限性 二、相对论时空观 课时对点练 3 一 经典力学的成就与局限性 4 如图甲，质子束被加速到接近光速；如图乙，中子星是质量、密度非常大的星体。请思考： (1)经典力学适用于质子束的运动规律吗？ 答案　不适用 (2)经典力学适用于中子星的引力规律吗？ 答案　不适用 1.经典力学的成就 (1)牛顿在1687年出版的著作《___________________》中建立了一个完整的力学理论体系。经典力学能够解释宏观世界中人们看到的各种运动。 (2)经典力学体系是时代的产物，是机械制造、土木建筑、交通运输以至航空航天技术的理论基础。 (3)经典力学的思想方法对艺术、政治、哲学等社会科学领域也有巨大影响。 梳理与总结 自然哲学的数学原理 2.经典力学的局限性及适用范围 (1)现代物理学已经揭示，超出_____的、日常生活经验的领域，经典力学常常就不适用了。 (2)牛顿的绝对时空观认为时间、空间与物质及其运动完全无关，时间与空间也完全无关，它割裂了时间、空间、物质及其运动之间的联系，不能解释高速运动领域的许多客观现象。 (3)经典力学认为，一切运动都是连续变化的，能量也是连续变化的，经典力学的运动观虽然给出了一幅机械运动的图景，却不能解释微观世界丰富多彩的现象。 宏观 (4)经典力学只适用于______、______、__________的范围，经典力学对v→c、受到很强的引力作用的物体或活动范围在10－10 m以内的微观粒子的运动，不再适用。 宏观 低速 弱引力场 相对论和量子力学是不是否定了经典力学？ 说说你的看法。 讨论交流 答案　不是。当物体的运动速度远小于光速时，相对论与经典力学的结论没有区别；当普朗克常量可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别。经典力学没有被否定，而是作为某些条件下的特殊情形，被包括在新的科学成就之中。 (1)相对论和量子力学的出现，说明经典力学已失去意义。(　 　) (2)原子中电子的运动能用经典力学进行解释。(　 　) (3)空气中灰尘的运动能用经典力学进行解释。(　 　) (4)牛顿力学只适用于世界上普通的物体，研究天体的运动牛顿力学就无能为力了。(　 　) (5)洲际导弹的速度可达到6 000 m/s，在这种高速运动状态下，牛顿力学不适用。(　 　) (6)对于质子、电子的运动情况，牛顿力学同样适用。(　 　) × × √ × × × 辨析 　(多选)关于经典力学，下列说法正确的是 A.经典力学是科学家通过探索身边的物体的运动而总结出的运动规律 B.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 C.经典力学不适用于高速、微观领域，而自然界中又不存在惯性系，因 此，它是完全错误的 D.经典力学是人类长期对自然运动规律探索的一个发展阶段，随着探索 的深入，视野的开阔，必然存在不完善的方面 例1 √ √ 经典力学就是科学家通过探索身边物体的运动而总结出的运动规律，A正确； 经典力学在理论和实践上取得了巨大的成功，但随着人们探索的深入，视野的开阔，人们发现经典力学也有局限性，它不适用于高速、微观领域，所以B、C错误，D正确。 　(2023·四川省高一期末)关于经典力学的成就与局限性的有关说法不正确的是 A.经典力学又称牛顿力学 B.经典力学认为一切运动都是连续变化的 C.经典力学能解释微观世界丰富多彩的现象 D.经典力学只适用于宏观(线度>10－10 m)、低速(v≪c)、弱引力场(例如地 球附近) 例2 √ 经典力学又称牛顿力学，故A正确； 经典力学认为一切运动都是连续变化的，故B正确； 一般来说，经典力学适用于弱引力场中的宏观物体的低速运动，并不适用于微观，故C错误； 经典力学只适用于宏观(线度>10－10 m)、低速(v≪c)、弱引力场(例如地球附近)，故D正确。 　(2023·绵阳市第二中学期末)经典力学有一定的局限性和适用范围。下列运动适合用经典力学研究和解释的是 A.氢原子内电子的运动 B.飞船绕月球做圆周运动 C.密度很大的中子星附近物体的运动 D.宇宙探测器以接近光速远离地球的运动 例3 √ 经典力学的基础是牛顿运动定律和万有引力定律，适用于宏观(>10－10 m)、低速的(v≪c)、弱引力场(例如地球附近)氢原子内电子已经不属于宏观物体，所以不适用于经典力学，故A错误； 飞船绕月球做圆周运动是在弱引力场中的运动且运动速度远小于光速，所以适用于经典力学，故B正确； 密度很大的中子星附近产生了强引力场，故不适用于经典力学，故C错误； 宇宙探测器以接近光速远离地球的运动，符合速度接近光速，所以不适用于经典力学，故D错误。 二 相对论时空观 17 地球绕太阳公转的速度是3×104 m/s，在费米实验室的圆形粒子加速器可以把电子加速到0.999 999 999 987倍光速的速度，请思考： (1)在狭义相对论中，地球的公转速度属于低速还是高速？被加速器加速后的电子的速度属于低速还是高速？ 答案　地球的公转速度属于低速，被加速器加速后的电子的速度属于高速。 (2)在地面上校准的两只钟，一只留在地面上，一只随宇宙飞船遨游太空，隔一段时间飞船返回地面时，两只钟显示的时间相同吗？有什么差别？ 答案　不相同。随飞船旅行的时钟变慢。 1.狭义相对论 (1)同时的相对性 相隔一定距离发生的两个事件，在一个参考系中观测是_____发生的，在相对于此参考系______的另一个参考系中观测就可能______同时的。 (2)运动时钟变慢 ①狭义相对论的时间变换公式：τ＝_________。 ②同样两件事，在它们发生于同一地点的参考系内所经历的时间______；在其他参考系内观测，这段时间要____些。 梳理与总结 同时 运动 不是 最短 长 (3)长度的相对性 ①狭义相对论的长度变换公式：l＝__________。 ②一根尺子在运动时的长度总要比它静止时的长度____，这一现象俗称“动尺收缩”。 (4)相对论质量和能量 ①质能方程E＝_____(c是光在真空中的速率)。 ②质量m与运动速率v的关系：m＝__________，其中m0是v＝___时物体的质量，称为_______。 小 mc2 0 静质量 2.广义相对论点滴 (1)当光线通过强引力场时，光线在引力场中会发生_____。 (2)广义相对论是_____与______相结合的典范。在广义相对论中，时间、______、______与______是紧密地联系在一起的。 3.对于低速运动问题，速度影响可以忽略，一般用经典力学规律来处理。对于高速运动问题，经典力学已不再适用，需要用相对论知识来处理。 4.位移、时间与参考系的关系 经典力学认为位移和时间的测量与参考系无关，相对论认为，同一过程的位移和时间的测量与参考系有关，在不同的参考系中测量结果不同。 偏折 数学 物理 空间 物质 运动 (1)运动的时钟显示的时间变慢，高速飞行的μ子的寿命变长。 (　 　) (2)沿着杆的方向，相对于观察者运动的杆的长度变短。(　 　) √ √ 辨析 　(2023·自贡市高二期末)下列关于狭义相对论的两个基本假设的说法中正确的是 A.爱因斯坦相对性原理是狭义相对论的两个基本假设之一 B.质量增大是狭义相对论的两个基本假设之一 C.时间延缓是狭义相对论的两个基本假设之一 D.长度缩短是狭义相对论的两个基本假设之一 例4 √ 狭义相对论的两个基本假设是爱因斯坦相对性原理和光速不变原理，故A正确，B、C、D错误。 　假设地面上有一火车以接近光速的速度运行，其内站立着一个中等身材的人，站在路旁的人观察车里的人，观察的结果是这个人 A.是一个矮胖子 B.矮但不胖 C.是一个瘦高个子 D.瘦但不高 例5 √ 根据动尺收缩，人在运动方向将变窄，但在垂直于运动方向没有发生变化，所以观察的结果是这个人瘦但不高，故D正确，A、B、C错误。 　(2023·达州市高二期末)飞船以0.9c的速度做匀速直线运动(c为光在真空中的传播速度)，并向运动的反方向发出电磁波，甲在飞船内，乙在地球上，以下说法符合实际的是 A.甲、乙观察到飞船内时钟快慢一样 B.发出的电磁波相对于飞船的速度为1.9c C.乙观察到飞船内桌子的长度比静止时短 D.乙观察到与飞船保持相对静止的桌子做匀加速直线运动 例6 √ 根据狭义相对论，高速运动的时钟比观察者的“静止”时钟走得更慢，因此乙观察到飞船内时钟慢一些，A错误； 根据光速不变原理，在不同的惯性参考系中，光在真空中沿任何方向的传播速度均为c，即发出的电磁波相对于飞船的速度为c，B错误； 根据狭义相对论，在相对于观察者移动的方向上，物体被测量的长度缩短，则乙观察到飞船内桌子的长度比静止时短，C正确； 桌子与飞船保持相对静止，船以0.9c的速度做匀速直线运动，则乙观察到桌子亦以0.9c的速度做匀速直线运动，D错误。 　话说有兄弟两个，哥哥乘坐宇宙飞船以接近光速的速度离开地球去遨游太空，经过一段时间返回地球，哥哥惊奇地发现弟弟比自己要苍老许多，则该现象的科学解释是 A.哥哥在太空中发生了基因突变，停止生长了 B.弟弟思念哥哥而加速生长 C.由相对论可知，物体速度越大，其时间进程越慢，生理进程也越慢 D.这是神话，科学无法解释 例7 √ 根据狭义相对论可知，物体的速度越大，其时间进程越慢，C正确。 　一艘太空飞船静止时的长度为30 m，它以0.6c(c为真空中的光速)的速度沿长度方向飞行越过地球，下列说法正确的是 A.飞船上的观测者测得该飞船的长度小于30 m B.地球上的观测者测得该飞船的长度小于30 m C.飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度小于c D.地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度小于c 例8 √ 由相对论时空观的基本假设知光信号的速度都等于c，C、D错误。 三 课时对点练 考点一　经典力学的成就与局限性 1.(2023·绵阳市高一期末)关于经典力学理论，下述说法中正确的是 A.经典力学适用于宏观、低速、弱引力场 B.相对论和量子力学证明了经典力学是错误和过时的 C.经典力学认为时空是相对的 D.经典力学可以预言各种情况下的运动 基础对点练 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 经典力学适用于宏观、低速、弱引力场，A正确； 相对论和量子力学并没有否定经典力学，B错误； 经典力学中，认为时间和空间都是绝对的，C错误； 经典力学不适用于微观、高速情况下的运动，D错误。 2.下列说法正确的是 A.牛顿力学适用于宏观、低速运动的物体 B.由于牛顿力学有局限性，所以一般力学问题都用相对论来解决 C.火车提速后，有关速度问题不能用牛顿力学来处理 D.牛顿力学只适用于像地球和太阳那样大的宏观物体 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 牛顿力学适用于宏观、低速运动的物体，不适用于微观、高速运动的物体，故A正确。 3.(2023·绵阳市高二统考)经典力学不适用于下列哪种运动 A.“奋斗者号”的深海潜航 B.“嫦娥五号”的环月运动 C.新能源汽车的续航测试 D.微观粒子的波动 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 经典力学适用于宏观低速运动，“奋斗者号”的深海潜航、“嫦娥五号”的环月运动、新能源汽车的续航测试均属于宏观低速运动，而经典力学不适用于微观粒子的波动，故选D。 考点二　相对论 4.关于经典力学和相对论，下列说法正确的是 A.相对论是完全正确的，经典力学是完全错误的 B.相对论完全否定了经典力学 C.相对论和经典力学是两种不同的学说，二者没有联系 D.经典力学作为相对论在宏观物体低速运动时的特例，在自己的适用范 围内仍然成立 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 5.(2023·绵阳市第一中学期末)在地面附近有一高速飞行的宇宙飞行器，地面上的人和宇宙飞行器中的宇航员观察到的现象，正确的是 A.地面上的人观察到宇宙飞行器变短了 B.地面上的人观察到宇宙飞行器变长了 C.宇航员观察到宇宙飞行器内的时钟变慢了 D.宇航员观察到宇宙飞行器内的时钟变快了 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 根据狭义相对论可知，地面上的人观察到宇宙飞行器变短了，故A正确，B错误； 宇宙飞行器上的宇航员与宇宙飞行器之间没有相对运动，所以宇航员观察到宇宙飞行器中的时钟无变化，故C、D错误。 6.(多选)(2023·遂宁市射洪中学高二期中)以下说法正确的是 A.狭义相对论认为，在不同的参考系中，一切物理规律都是相同的 B.地面附近有一高速水平飞过的火箭，地面上的人观察到的火箭长度要 比火箭上的人观察到的长一些 C.狭义相对论只涉及无加速运动的惯性系 D.与经典力学体系相适应，牛顿建立了绝对时空观 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 狭义相对论认为在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的，故A错误； 地面上的人观察到的火箭长度要比火箭上的人观察到的火箭长度短一些，故B错误； 狭义相对论只涉及无加速运动的惯性系，故C正确； 经典力学有两个基本假定，其中之一就是假定时间和空间是绝对的，故D正确。 7.真空中的光速为c＝3.0×108 m/s，如果一个物体的运动速度为v1＝2.4×108 m/s时，质量为3 kg。当它的速度为1.8×108 m/s时，质量为多少？ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案　2.25 kg 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 8.(多选)如图所示，甲、乙两人分别乘坐速度为0.6c和0.8c(c为真空中光速)的飞船反向运动。则下列说法正确的是 A.甲、乙两人相对速度为1.4c B.甲观察到乙的身高不变 C.甲观察到乙所乘的飞船变短 D.甲观察到乙所带的钟表显示时间变快 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 能力综合练 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 如果把两个人中的一个看成静止，那么另一个有相对运动速度，但不是根据速度合成公式计算，而是根据相对论速度合成公式计算，合成的速度值接近光速值，也就是说，如果把甲看成静止，那么乙相对甲以接近光速的速度飞行，故A错误； 身高与他们的运动方向垂直，所以两者看到对方的身高不变，故B正确； 甲观察到乙所乘的飞船变短，故C正确； 乙相对于甲以接近光速飞行，则甲观察到乙所带的钟表显示时间变慢，故D错误。 A.式中的m0是物体以速度v运动时的质量 B.当物体的速度v>0时，物体的质量m>m0，即物体的质量改变了，故经 典力学不适用 C.当物体以较小速度运动时，质量变化十分微弱，经典力学理论仍然适 用，只有当物体以接近光速运动时，质量变化才明显，故经典力学适 用于低速运动，而不适用于高速运动 D.通常由于物体的运动速度较小，质量的变化引不起我们的感觉，故在 分析地球上物体的运动时，不必考虑质量的变化 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 公式中m0是静止时的质量，m是物体以速度v运动时的质量，A错误； 10.一个原来静止的电子，经高压加速后速度为v＝6×106 m/s，则电子的质量增大了还是减小了？改变了百分之几？(光速c＝3×108 m/s) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案　见解析 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 运动后电子的质量增大了， 所以质量改变的百分比为 11.在一个飞船上测得船的长度为100 m，高度为10 m，当飞船以0.60c的速度从你身边经过时，按你的测量，飞船的高度和长度各为多少？ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案　10 m　80 m 12.一艘宇宙飞船的船身长度为L0＝90 m，相对地面以u＝0.8c的速度在一观测站的上空飞过。已知光速c＝3×108 m/s。 (1)观测站测得飞船的船身通过观测站的时间间隔是多少？ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案　2.25×10－7 s 观测站测得船身的长度为 通过观测站的时间间隔为 (2)航天员测得飞船船身通过观测站的时间间隔是多少？ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案　3.75×10－7 s BENKEJIESHU 本课结束 更多精彩内容请登录：www.xinjiaoyu.com l0 由l＝l0知，A错误，B正确； 根据狭义相对论，m＝， 知m1＝，m2＝ 所以＝＝＝， 所以m2＝m1＝2.25 kg。 9.(多选)对于公式m＝，下列说法正确的是 由m＝可知，只有当v接近光速时，物体的质量变化才明显，低速情况下物体的质量变化十分微小，经典力学仍然适用，我们仍可按照经典力学方法去处理问题，B错误，C、D正确。 根据m＝知， 且m＝＝＝1.000 2m0。 ×100%＝0.02%。 因为“动尺收缩”现象只发生在运动的方向上，在垂直于运动方向上的长度不发生这种现象，故飞船的高度仍为10 m，若测得飞船的长度为l，由“动尺收缩”现象知l＝l0＝100× m＝80 m。 L＝L0＝90 m＝54 m， τ＝＝＝2.25×10－7 s。 航天员测得飞船船身通过观测站的时间间隔为τ′＝＝＝3.75×10－7 s。 $$