7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 导学案-2024-2025学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册

7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性 课标考纲解读 1．了解经典力学的发展历程，知道经典力学发展历程中有哪些物理学家作出了突出贡献 2．了解经典力学所取得的伟大成就及其对当时自然科学、社会发展的影响 3．认识经典力学的局限性和适用范围 一 经典力学：也叫牛顿力学，主要研究宏观物体机械运动的规律。 牛顿在伽利略等人工作的基础上，把地面上的物体的运动和行星的运动综合起来进行了深入地研究，发现了机械运动的基本规律——牛顿运动三定律和万有引力定律。其不朽名著《自然哲学的数学原理》，为经典力学奠定了基础。 二 、经典力学的巨大成就 1、牛顿运动三定律和万有引力定律把天体的运动与地上物体的运动统一起来，是人类对自然界认识的第一次大综合，是人类认识史上的一次重大飞跃。 2、作为经典力学的基础，在建立后的200多年里，几乎统治了物理学的各个领域。并取得了巨大成就。 3、经典力学是最早形成的物理理论，后来的许多理论，无不受到经典力学的影响，包括相对论和量子力学。 三、经典力学方法论的意义 1、经典力学方法的典型就是伽利略和牛顿的研究方法。 2、伽利略的方法：开创了将实验、逻辑（数学）相结合的方法，即“自然数学化”的方法。他不仅通过实验进行观察和测量，而且用理想实验的方法进行推理 3、牛顿的方法：是指“归纳—演绎法”。第一个大量使用数学方法系统地整理物理学理论的，就是牛顿。他的方法与一般演绎法的不同之处在于：演绎的结果必须诉诸实验验证。 牛顿的《自然哲学的数学原理》为以后物理理论的建立树立了一个典范，极大地促进了物理学的发展。 四、经典力学的局限性 1、机械决定论：经典力学的巨大成就，促使人们用力学观点去理解自然，把一切自然现象都归结为“机械决定论”。一切形式的运动都是机械位移和碰撞的结果（包括生命运动）。主张自然界是由完全相同的微粒组成的，自然界的千差万别，只是微粒的数量和空间排列不同。 牛顿曾说：“自然界的一切现象，全都可以根据力学的原理，用相似的推理一一演绎出来。” 2、经典力学的时空观：即机械论的时空观，牛顿认为空间和时间是不依赖人的意识而存在，即认为时间和空间是绝对的。具体讲，就是时间和空间是互不相干，而且与物质的运动无关。这种时空观也称“绝对时空观。 3、 “两朵小小的乌云” 19世纪末，在经典力学基础上发展起来的经典物理学，似乎到了尽善尽美的程度。著名物理学家威廉·汤姆生踌躇满志地宣布：“科学大厦已经基本建成”，“后辈物理学家做一些零碎的修补工作就行了”，不过还有令他担忧的问题，他说：“在物理学晴朗太空的远处，还有两朵小小的令人不安的乌云。” 这两朵“乌云”是指： i、迈克尔逊—莫雷实验的“以太漂移的零结果”，动摇了以太假设，使牛顿的绝对时空观遇到了严重的困难 ii、经典物理学在解释黑体辐射实验结果时，经典理论在紫外区出现了荒谬的结论。这被人们称为“紫外灾难”。 4、相对论和量子力学的建立 在20世纪初的几十年里，科学家们发现经典物理学在微观、高速领域不再适用，对与两朵“乌云”相关问题的深入研究，又建立了新的时空观念，创立了新的物理理论——相对论和量子力学。 5、绝对时空观在宏观物体的低速运动领域是足够精确的，但在微观与高速领域就不对了。正因为这个原因，经典力学的适用范围是“宏观（物体）”“低速（运动）”领域。 相对论的相关结论，在物体速度远小于光速的情况下正好与经典力学的结论一致。 综上所述,经典力学任何理论一样，也有它的局限性，有它的适用范围。 （1）从低速到高速——狭义相对论：当物体运动的速度比真空中的光速小得多时，质量、时间和长度的变化很小，可以忽略，经典力学完全适用。但如果物体运动速度可以和光速相比较时，质量、时间和长度的变化就很大，经典力学就不再适用，狭义相对论阐述了物体在以接近光速运动时所遵循的规律。 （2）从宏观到微观——量子力学：物理学研究深入到微观世界，发现微观粒子不但具有粒子的性质，还能产生干涉、衍射现象。干涉和衍射是波所特有的性质。也就是说微观粒子具有波动性。这是牛顿经典力学无法解释的。正是在这种情形下，量子力学应运而生，量子力学能够很好地解释微观粒子的运动规律。 （3）从弱引力到强引力——广义相对论：天文观测发现行星的轨道并不严格闭合，它们的近日点在不断地旋进。这种现象称为行星的轨道旋进。这是用牛顿万有引力定律无法得到满意解释的。爱因斯坦创立了广义相对论，根据广义相对论计算出的水星近日点的旋进与天文观测能很好地吻合, 爱因斯坦创立的广义相对论是一种新的时空引力理论，爱因斯坦还根据广义相对论预言了光线在经过大质量星体附近时会发生偏转，这也是被天文观测所证实的。根据牛顿万有引力定律，假定一个球形天体总质量不变，并通过压缩减小它的半径，天体表面上的引力将会增加。半径减小到原来的二分之一，引力增大到原来的四倍。爱因斯坦引力理论表明，这个力实际上增大得更快些。天体半径越小，这种差别越大。根据牛顿的理论，当天体被压缩成半径几乎为零的一个点时，引力趋于无穷大。爱因斯坦的理论则不然，引力趋于无穷大发生在半径接近一个“引力半径”的时候。这个引力半径的值由天体的质量决定，例如太阳的引力半径为3km，地球的引力半径为1m。因此，只要天体的实际半径远大于它们的引力半径，那么由爱因斯坦和牛顿引力理论计算出的力的差异并不大。但当天体的实际半径接近引力半径时，这种差异将急剧增大。这就是说，在强引力的情况下，牛顿引力理论将不再适用。 例题分析： 例1、简要说明伽利略的科学研究方法. 例2、请列出几个具体事例说明万有引力定律的伟大成就及其对人类文明的影响. 例题3、通常我们把相对地面静止或匀速运动的参考系看成是惯性系，若以下列系统为参考系，则属于非惯性系的有(　　) A．停在地面上的汽车 B．绕地球做圆周运动的飞船 C．在大海上匀速直线航行的轮船 D．进站时减速行驶的火车 例题4、下列关于经典力学说法正确的是(　　) A．观察、实验、假说、验证等是物理学科的基本研究方法 B．分析、综合、抽象、概括、归纳、演绎等是物理学科中常用的思维方法 C．近代自然科学建立起实证科学的方法论传统，其主要特点是实验与数学结合：从实验事实出发，通过数学推演建立理论体系，然后，再用实验或观测去验证理论的正确性 D．实证科学方法的建立，使人们判别真理的标准从盲目的信仰转向理性与实践，使科学在整个文化中的地位不断提高 随堂练习： 1、牛顿定律能适用于下列哪些情况 A．研究原子中电子的运动 B．研究“神舟”五号飞船的高速发射 C．研究地球绕太阳的运动 D．研究飞机从北京飞往纽约的航线 2、关于经典力学的局限性，下列说法正确的是(　　) A．经典力学适用于宏观低速运动的物体 B．由于经典力学有局限性，所以一般力学问题都用相对论力学来解决 C．火车提速后，有关速度问题不能用经典力学来处理 D．经典力学只适用于像地球和太阳那样大的宏观物体 3、2005年被联合国定为“世界物理年”，以表彰爱因斯坦对科学的贡献．爱因斯坦对物理学的贡献有(　　) A．创立“相对论”　　　　 B．发现“X射线” C．提出“光子说” D．建立“原子核式模型” 4、微观粒子的速度很高，它的质量明显的大于静止质量．在研究制造回旋加速器时必须考虑相对论效应的影响．如图所示，1988年中国第一座高能粒子加速器——北京正负电子对撞机首次对撞成功． 在粒子对撞中，有一个电子经过高压加速，速度达到光速的0.5倍．试求此时电子的质量变为静止时的多少倍？ 学科网（北京）股份有限公司 $$