第5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-【金版新学案】2025-2026学年高中物理必修第二册同步课堂高效讲义教师用书（教科版）

本讲义聚焦经典力学的成就与局限性、相对论时空观简介及宇宙起源和演化三大核心知识点，以经典力学到相对论的过渡为脉络，构建从宏观低速到高速领域的认知框架，为学生提供递进式学习支架。 该资料通过高铁抛球、光速火车等情境导入及师生互动任务，引导学生在问题探究中培养科学思维与科学探究能力。如通过经典力学速度合成与相对论光速不变的对比，强化模型建构与科学推理，课中助力教师引导学生主动思考，课后例题与练习帮助学生巩固知识、查漏补缺。

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 【素养目标】　1.知道经典力学的局限性，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.了解宇宙起源和演化的研究进展。 知识点一　经典力学的成就和局限性 【情境导入】　现在我们生活在一个技术飞速发展的伟大时代。科学家、技术专家和工程师们联手，打造出许多气势恢宏的“超级工程”，“可上九天揽月，可下五洋捉鳖”成为现实。如图为我国某一铁路上的高铁及其模拟图，据此情境回答以下问题。 (1)高铁上的人能在车上用抛球的力学实验判断高铁相对于地面的速度吗？ (2)以地面为参考系和以高铁为参考系的力学规律相同吗？ 提示：(1)不能。假设人竖直上抛小球，小球的运动遵从牛顿运动定律，不能从这个实验判断高铁相对于地面的速度。要判断相对速度，可以透过窗户观测树木、标杆和建筑物等参照物。 (2)以高铁为参考系，小球做竖直上抛运动；以地面为参考系，小球做斜上抛运动，水平方向的分速度就是高铁相对地面的速度。可见，不论在哪个参考系中，小球都受重力的作用，遵从牛顿第二定律，运动轨迹的描述不同是因为相对两个参考系的速度不同，但力学规律在两个参考系中是相同的。 【教材梳理】 (阅读教材P114—P116完成下列填空) 1．经典力学的成就 (1)经典力学能解释行星和卫星的轨道、开普勒的行星运动定律、彗星运动、落体运动、海洋的潮汐、汽车的运动、足球的运动以及宏观世界中的种种运动。 (2)经典力学思想方法的影响远远超出了物理学和天文学的范畴。不仅化学和生物学这样的自然科学领域，而且在艺术、政治、哲学等社会科学领域，也都按照经典力学描述宇宙的普遍方式来形成自己的体系。 2．经典力学的局限性 (1)适用范围：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)的范围。 (2)超出以上范围，经典力学不再适用，要由相对论、量子论等来取代。 【师生互动】　若情境导入的情境中火车以0.9倍的光速(即v＝0.9c)行驶，火车上的人用手电筒向火车前进方向上照射，据此回答以下问题。 任务1.按照经典力学中的速度合成法则，在火车上观察，这束光的速度是多少？ 任务2.按照经典力学中的速度合成法则，在地面上观察，这束光的速度是多少？ 学生用书第124页 任务3.事实上在地面上观察，这束光的速度是多少？经典力学还适用吗？经典力学的适用条件是什么？ 提示：任务1.在火车上观察的速度为c。 任务2.在地面上观察的速度为v＋c＝1.9c。 任务3.从地面上观察，这束光的速度仍是c；不适用；宏观物体、低速运动、弱引力场。 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．与经典力学体系相适应，牛顿建立了绝对时空观 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) 答案：C 解析：经典力学的基本定律是牛顿运动定律或与牛顿运动定律有关且等价的其他力学原理，所以经典力学又称牛顿力学，故A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，并不适用于微观物体，故C错误；经典力学只适用于宏观(线度>10-10m)、低速(v≪c)、弱引力场(例如地球附近)，故D正确。 针对练1．(2024·四川成都高一校考期中)下列说法符合史实的是(　　) A．开普勒在牛顿运动定律的基础上，总结出了行星运动的规律 B．牛顿建立的经典力学可以解决自然界中所有的问题 C．伽利略推导出了万有引力定律，并通过实验测出了引力常量 D．卡文迪许第一次在实验室里测出了引力常量 答案：D 解析：开普勒在第谷的天文观测数据的基础上，总结出了行星运动的规律；牛顿在开普勒行星运动定律的基础上推导出了万有引力定律；卡文迪许第一次在实验中测出了引力常量，A、C错误，D正确；经典力学有其适用范围，并不能解决自然界中所有的问题，没有哪个理论可以解决自然界中所有的问题，B错误。 针对练2．(2024·上海浦东新区高一校考期末)牛顿运动定律的适用范围是(　　) A．宏观物体、低速运动、弱引力场 B．宏观物体、低速运动、强引力场 C．微观物体、高速运动、弱引力场 D．微观物体、低速运动、弱引力场 答案：A 解析：牛顿运动定律的适用范围是宏观物体、低速运动、弱引力场，故选A。 知识点二　相对论时空观简介　宇宙的起源和演化 【情境导入】　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)地球的公转速度属于低速还是高速？ (2)被加速器加速后的电子的速度属于低速还是高速？ 提示：(1)低速。(2)高速。 【教材梳理】 (阅读教材P117—P127完成下列填空) 1．爱因斯坦两个基本假设 (1)对不同的惯性系，物理规律(包括力学的和电磁学的)都是一样的。 (2)光在真空中运动的速度在任何惯性系中测得的数值都是相同的。 2．狭义相对论 (1)同时的相对性。相隔一定距离发生的两件事，在一个参考系中观测是同时发生的，在相对于此参考系运动的另一个参考系中观测就可能不是同时，而是一先一后发生的。 (2)运动时钟变慢(动钟变慢)。狭义相对论的时间变换公式τ＝。 (3)长度的相对性(动尺收缩)。运动长度l会收缩，即l＝l0。 (4)相对论质量和能量。质量m和它所具有的能量E之间存在确定的关系：E＝mc2，称为质能关系，式中c是光在真空中的速率。相对质量：物体质量m随速度v的增大而变大，其关系为m＝，式中m0是v＝0时物体的质量，称为静质量。 学生用书第125页 3．广义相对论点滴 (1)引力作用使光波发生频移，从引力势能低处发出的光波在引力势能高处接收到时其频率变低，发生“红移”；相反，从引力势能高处向引力势能低处发射光波，接收到的频率变高，发生“蓝移”。 (2)爱因斯坦用新建立的引力场方程取代了经典的万有引力定律。 (3)当两个天体相互绕转时，会向外界辐射出引力波。 4．宇宙的起源和演化 宇宙起始于一次大爆炸，那时它的温度极高，密度极大，时间从此开始，空间从此扩大。 【师生互动】　如图所示，有三个完全相同的时钟，其中一时钟放在地面上，质量与身高均相同的甲、乙两人带着另外两个时钟分别乘坐速度为0.6c和0.8c(c为光速)的飞船在太空中同向运动。 任务1.哪个时钟走得最快？哪个最慢？ 任务2.若甲能观察到乙，会发现乙的身高会发生变化吗？ 提示：任务1.根据相对论时空观，乙所带的时钟最慢，地面的时钟最快。 任务2.因为人是垂直于速度方向站立的，身高方向上没有发生长度收缩效应，即甲观察到乙的身高不变。 时间延缓效应 一艘宇宙飞船的船身长为L0＝90 m，相对地面以v＝0.8c的速度从一观测站的上空飞过(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？ (2)宇航员测得船身通过观测站的时间间隔是多少？ 答案：(1)2.25×10-7 s　(2)3.75×10-7 s 解析：(1)观测站测得船身的长度为L＝L0＝90 m＝54 m 通过观测站的时间间隔为Δt＝＝ s＝2.25×10-7 s。 (2)宇航员测得飞船船身通过观测站的时间间隔为Δt′＝＝ s＝3.75×10-7 s。 长度收缩效应 (2024·四川绵阳高一统考期末)将一根长木棒沿着火车行驶的方向平放在车厢内，假设速度为c。一个站在站台上的人，测量该木棒的长度，正确的是(　　) A．火车速度v＝0.5c时测得的长度小于火车速度v＝0.2c时测得的长度 B．火车速度v＝0.5c时测得的长度等于火车速度v＝0.2c时测得的长度 C．火车速度v＝0.9c时测得的长度大于火车速度v＝0时测得的长度 D．火车速度v＝0.5c时测得的长度等于火车速度v＝0时测得的长度 答案：A 解析：根据公式l＝l0可知，火车运动的速度越大，所测长木棒的长度越小，故选A。 1．两个效应 效应 在与物体相对静止的参考系中观察 在与物体相对运动的参考系中观察 时间延缓效应 两个事件发生的时间间隔为τ0 两个事件发生的时间间隔变大 τ＝ 长度收缩效应 杆的长度为l0 若参考系沿杆的方向运动，观察到杆的长度减小 l＝l0 学生用书第126页 2．对“两个效应”的理解 (1)时间间隔、长度的变化，都是由于物体的相对运动引起的一种观测效应，它与所选取的参考系有关，物体本身的结构并没有变化。 (2)两个事件的时间间隔和物体的长度，必须与所选取的参考系相联系，如果在没有选取参考系的情况下讨论时间的长短及空间的尺寸，是没有任何意义的。 3．相对性的四个方面 (1)同时的相对性：“同时”不是绝对的，而是取决于观察者的运动状态。 (2)长度的相对性：一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度短。 (3)时间间隔的相对性：运动的时钟变慢。 (4)质量的相对性：运动的物体变重。 针对练1．假设有一名考生用90分钟完成了一场考试，一艘飞船相对此考生以0.5c的速度匀速飞过(c为真空中的光速)，则飞船上的观察者认为此考生考完这场考试所用的时间(　　) A．小于90分钟 B．等于90分钟 C．大于90分钟 D．等于45分钟 答案：C 解析：根据τ＝可得τ＝ 分钟>90分钟，C正确。 针对练2．(多选)A、B两架飞机沿地面上一足球场的长边方向在其上空高速飞过，且vA>vB，对于在飞机上人的观察结果，下列说法正确的是(　　) A．A飞机上的人观察到足球场的长度比B飞机上的人观察到的大 B．A飞机上的人观察到足球场的长度比B飞机上的人观察到的小 C．两飞机上的人观察到足球场的长度相同 D．两飞机上的人观察到足球场的宽度相同 答案：BD 解析：由l＝l0(其中l0是相对足球场静止时测得的长度)可以看出，速度越大，“动尺收缩”越明显；但是足球场的宽度与飞机速度方向垂直，所以两飞机上的人观察到足球场的宽度相同。故选BD。 1．(粤教版教材P137T1改编)下列运动中，不能用经典力学规律描述的是(　　) A．子弹的飞行 B．“和谐号”从深圳向广州飞驰 C．人造卫星绕地球运动 D．粒子接近光速运动 答案：D 解析：子弹的飞行、火车的运动以及人造卫星绕地球运动都属于宏观低速，经典力学能适用，而粒子接近光速运动，属于微观高速，经典力学不适用，A、B、C错误，D正确。 2．(粤教版教材P137T3)在狭义相对论中，下列说法正确的是(　　) A．经典物理学可视为相对论在低速运动时的特例 B．真空中的光速在不同的惯性参考系中是不相同的 C．一条沿自身长度方向运动的杆，其观测长度总比杆静止时测量的长度长 D．狭义相对论全面否定了经典物理学 答案：A 解析：相对论的出现，并没有否定经典物理学，经典物理学是相对论在低速运动条件下的特殊情形，故A正确，D错误；根据爱因斯坦的两个基本假设，真空中的光速在不同的惯性系中是相同的；一条沿自 身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度短，故B、C错误。 3．如图所示，强强乘速度为0.9c(c为真空中的光速)的宇宙飞船追赶正前方的壮壮，壮壮的飞行速度为0.5c，强强向壮壮发出一束光进行联络，则壮壮观测到该光束的传播速度为(　　 ) A．0.4c B．0.5c C．0.9c D．1.0c 答案：D 解析：根据爱因斯坦的相对论，在一切惯性系中，光在真空中的传播速度都等于c，故D正确。 4．(多选)接近光速飞行的飞船上和地球上各有一只相同的铯原子钟，飞船上和地球上的人观测这两只钟的快慢，下列说法正确的有(　　) A．飞船上的人观测到飞船上的钟较快 B．飞船上的人观测到飞船上的钟较慢 C．地球上的人观测到地球上的钟较快 D．地球上的人观测到地球上的钟较慢 答案：AC 解析：飞船相对地球高速运动，所以地球上的人观测飞船上的时钟较慢；而地球相对飞船高速运动，所以飞船上的人认为地球上的时钟较慢，故A、C正确，B、D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $