2018-2019學(xué)年高考物理 主題三 牛頓力學(xué)的局限性和相對論初步 3.1-3.3學(xué)案 粵教版

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1、主題三 牛頓力學(xué)的局限性和相對論初步 3.1　經(jīng)典力學(xué)的成就與局限性 3.2　經(jīng)典時空觀與相對論時空觀 3.3　宇宙的起源與演化 學(xué)習(xí)目標 核心提煉 1.了解經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展歷程和偉大成就。 4個概念——經(jīng)典力學(xué)、經(jīng)典時空觀、狹義相對論、相對論時空觀 3個結(jié)論——經(jīng)典時空觀及其基本推論、狹義相對論的理論基礎(chǔ)、相對論時空觀的幾個推論 2.知道經(jīng)典力學(xué)的局限性和適用范圍。 3.了解經(jīng)典時空觀及其基本推論。 4.了解狹義相對論的理論基礎(chǔ)與相對論時空觀的幾個推論。 5.了解宇宙的起源與演化。 一、經(jīng)典力學(xué)的局限性和適用范圍 [觀圖助學(xué)] 如圖是以牛頓為代表的對經(jīng)典力

2、學(xué)做出重要貢獻的科學(xué)家，那么經(jīng)典力學(xué)的適用范圍是什么？經(jīng)典力學(xué)有哪些局限性？ 1.經(jīng)典力學(xué)的適用范圍：對于宏觀、低速(相對光速)物體的運動經(jīng)典力學(xué)仍然適用。 2.經(jīng)典力學(xué)的局限性 (1)經(jīng)典力學(xué)的應(yīng)用受到物體運動速率的限制，當物體運動速率接近于真空中的光速時，經(jīng)典力學(xué)的許多觀念將發(fā)生重大變化。 (2)經(jīng)典力學(xué)不適用于微觀領(lǐng)域中物質(zhì)結(jié)構(gòu)和能量不連續(xù)的現(xiàn)象。 [理解概念] 判斷下列說法是否正確。 (1)牛頓運動定律適用于任何參考系。(×) (2)經(jīng)典時空觀認為時間間隔是絕對的。(√) (3)經(jīng)典時空觀認為物體的質(zhì)量是絕對的。(√) (4)不論是宏觀物體，還是微觀粒子，經(jīng)典力學(xué)和

3、相對論都是適用的。(×) 二、經(jīng)典時空觀與相對論時空觀 [觀圖助學(xué)] 愛因斯坦提出相對論，由相對論時空觀可知，運動的時鐘會變慢及運動的尺子會縮短，但為什么我們在日常生活中從未注意到長度收縮和時間膨脹效應(yīng)？ 1.經(jīng)典時空觀 (1)慣性系與非慣性系 ①慣性系：凡是牛頓運動定律成立的參考系，相對于慣性系靜止或做勻速直線運動的參考系都是慣性系。 ②非慣性系：牛頓運動定律不成立的參考系，相對于慣性系做變速運動的參考系是非慣性系。 (2)伽利略相對性原理：對于所有的慣性系，力學(xué)規(guī)律都是相同的，或者說，一切慣性系都是等效的。 (3)經(jīng)典時空觀(絕對時空觀)：時間永遠均勻地流逝，與任何外

4、界無關(guān)；空間與任何外界事物無關(guān)，從不運動，永遠不變。 (4)經(jīng)典時空觀的幾個具體結(jié)論 ①同時的絕對性； ②時間間隔的絕對性； ③空間距離的絕對性； ④物體質(zhì)量恒定不變。 即它們與參考系的選擇(或觀察者的運動狀態(tài))無關(guān)。 2.相對論時空觀 (1)光速不變與經(jīng)典物理學(xué)的矛盾：觀察和實驗事實表明：無論光源和觀察者如何運動，光速只能是c，這與經(jīng)典力學(xué)的速度合成法則相矛盾。 (2)狹義相對論的兩條基本假設(shè) ①相對性原理：在不同的慣性系中，一切物理規(guī)律都是相同的。 ②光速不變原理：不管在哪個慣性系中，測得的真空中的光速都相同。 (3)相對論時空觀 ①“同時”的相對性：在一個參考系

5、中同時發(fā)生的兩個事件，在另一個參考系看來是不同時的。 ②運動的時鐘變慢：時鐘相對于觀察者靜止時，走得快；相對于觀察者運動時，走得慢。運動速度越快，效果越明顯。 ③運動的尺子縮短：一個物體相對于觀察者靜止時，它的長度測量值最大；相對于觀察者運動時，觀察者在運動方向上觀測，它的長度要縮短，速度越快，縮得越短。 ④物體質(zhì)量隨速度的增加而增大。 [理解概念] 判斷下列說法是否正確。 (1)時間和空間是緊密聯(lián)系、不可分割的屬于經(jīng)典時空觀的觀點。(√) (2)時間間隔具有相對性。(√) (3)物體的質(zhì)量永遠不變。(×) (4)物體的質(zhì)量隨速度的增加而增大。(√) 　經(jīng)典力學(xué)與相對論

6、的比較 [觀察探究] 如圖1甲，質(zhì)子束被加速到接近光速；如圖1乙，中子星是質(zhì)量、密度非常大的星體。請思考： 圖1 (1)經(jīng)典力學(xué)是否適用于質(zhì)子束的運動規(guī)律？如何研究質(zhì)子束的運動規(guī)律？ (2)經(jīng)典力學(xué)是否適用于中子星的引力規(guī)律？如何研究中子星的引力規(guī)律？ 答案　(1)質(zhì)子束的運動屬于高速、微觀范疇，經(jīng)典力學(xué)不再適用，應(yīng)該應(yīng)用狹義相對論、量子力學(xué)進行研究。 (2)中子星的引力規(guī)律屬于強引力范疇，經(jīng)典力學(xué)不再適用，應(yīng)該應(yīng)用廣義相對論進行研究。 [探究歸納] 1.區(qū)別 比較項 經(jīng)典力學(xué) 相對論 形成時期 物理學(xué)形成的初期階段，受歷史發(fā)展限制，理論較膚淺、片面 形成于物

7、理學(xué)充分發(fā)展的現(xiàn)代，理論較完善、科學(xué) 適用范圍 低速運動、宏觀世界，弱引力作用 任何情況都適用 比較項 經(jīng)典力學(xué) 相對論 速度對質(zhì)量的影響 物體的質(zhì)量不隨其速度的變化而變化 物體的質(zhì)量隨其速度的增加而變大 速度的 合成 時間與空間互不相干，關(guān)系式v船岸＝v船水＋v水岸成立 速度與位移、時間的測量有關(guān)，v船岸＝v船水＋v水岸不成立 2.聯(lián)系 (1)當物體的運動速度遠小于光速時，相對論物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別。 (2)相對論并沒有否定經(jīng)典力學(xué)，經(jīng)典力學(xué)是相對論在一定條件下的特殊情形。 [試題案例] [例1] (2018·汕頭高一檢測)下列說法正確的是(　

8、　) A.在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量不隨運動狀態(tài)而改變，在狹義相對論中，物體的質(zhì)量也不隨運動狀態(tài)而改變 B.狹義相對論和經(jīng)典力學(xué)是完全不同相互矛盾的兩個理論 C.物體高速運動時，物體的運動服從狹義相對論，在低速運動時，物體的運動服從牛頓運動定律 D.以上說法都是錯誤的 解析　在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量不隨運動狀態(tài)而改變，在狹義相對論中，物體的質(zhì)量隨物體運動速度的增大而增大，選項A錯誤；狹義相對論沒有否定經(jīng)典力學(xué)，經(jīng)典力學(xué)是狹義相對論在一定條件下的特殊情形，選項B錯誤；經(jīng)典力學(xué)適用于低速運動的物體，狹義相對論闡述物體在以接近光速的速度運動時所遵循的規(guī)律，選項C正確。 答案　C [針對訓(xùn)

9、練1] (多選)牛頓運動定律能適用于下列哪些情形(　　) A.研究原子中電子的運動 B.研究“神舟五號”飛船的高速發(fā)射 C.研究地球繞太陽的運動 D.研究飛機從北京飛往紐約的航線 解析　牛頓運動定律只能用于“宏觀低速”的情形，這里的“宏觀”是相對于微觀粒子而言的。這里的“低速”是相對于光速而言的。原子、電子等是微觀粒子，它們的運動不服從牛頓運動定律，A錯誤，B、C、D中各項運動雖然是“高速”，但相對于光速來說，卻是微不足道的，完全可以用牛頓運動定律研究其規(guī)律，B、C、D正確。 答案　BCD 　相對論幾個效應(yīng)的理解 [觀察探究] 地球繞太陽公轉(zhuǎn)的速度是3×104 m/s；如圖2

10、所示，設(shè)在美國伊利諾伊州費米實驗室的圓形粒子加速器可以把電子加速到0.999 999 999 987倍光速的速度。請思考： 圖2 (1)地球的公轉(zhuǎn)速度在狹義相對論中屬于低速還是高速？被加速器加速后的電子的速度呢？ (2)加速后電子的質(zhì)量比電子的靜止質(zhì)量增大了還是減小了？ 答案　(1)狹義相對論的高速是可以與光速相比較的速度，所以地球的公轉(zhuǎn)速度屬于低速，加速后的電子速度屬于高速。 (2)物體的質(zhì)量隨速度的增大而增大，所以加速后電子的質(zhì)量比電子的靜止質(zhì)量增大了。 [探究歸納] 1.兩個基本原理 (1)相對性原理：在不同的慣性系中，一切物理規(guī)律都是相同的。表明在任何慣性系中研究某

11、個物體的某一運動過程，其運動規(guī)律形式不變。 (2)光速不變原理：不管在哪個慣性系中，測得的真空中的光速都相同。表明了經(jīng)典時空觀與相對論時空觀的不同；比較如下： 經(jīng)典時空觀 相對論時空觀 運動情況 同一運動對不同參考系描述結(jié)果不同，即速度不同 光在一切慣性參考系中傳向各個方向的速度不變 時間與空間的關(guān)系 時間均勻流逝，空間不變化，與運動情況及外部條件無關(guān) 時間、空間都隨運動情況而改變 幾個結(jié)論 ①同時的絕對性 ②時間間隔的絕對性 ③空間距離的絕對性 ④物體的質(zhì)量恒定不變 ①同時的相對性 ②運動的時鐘變慢 ③運動的尺子縮短 ④物體的質(zhì)量隨速度的增加而增大

12、2.相對論時空觀的內(nèi)容：認為時間和空間是相互聯(lián)系、相互影響的，并且與物質(zhì)的存在及運動有關(guān)。 (1)時間延緩效應(yīng)：在相對于地面以速度v勻速運動的參考系內(nèi)，測得該參考系中某一事件所經(jīng)歷的時間為Δt′，則在地面上測得該事件所經(jīng)歷的時間為Δt＝。 由于vΔt′。即用同樣標準的鐘，在靜止參考系中測得的時間比在運動參考系中測得的時間長，好比是運動的鐘走“慢”了。 當速度v?c時，Δt＝Δt′，這就回到了經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論——時間與物體的運動狀態(tài)無關(guān)。當v＝0.999 8c時，Δt＝50Δt′，時間將延緩為原來的50倍。 (2)長度收縮效應(yīng)：一把尺子，在相對于它靜止的參考系xOy中測得

13、其長度為l(稱為靜止長度)，如圖3所示。當該尺子相對另一參考系x′O′y′(如地面)沿尺子長度方向以速度v運動時，在該參考系x′O′y′(如地面)中測得尺子長度為l′＝l。 圖3 由于v

14、，下列說法正確的是(　　) A.飛船上的觀測者測得該飛船的長度小于30 m B.地球上的觀測者測得該飛船的長度小于30 m C.飛船上的觀測者測得地球上發(fā)來的光信號速度小于c D.地球上的觀測者測得飛船上發(fā)來的光信號速度小于c 解析　飛船上的觀察者測得飛船的長度不變，仍為30 m，由l＝l0

15、者來說，以下說法中正確的是(　　) 圖4 A.時鐘A走得最慢 B.時鐘B走得最慢 C.時鐘C走得最慢 D.時鐘C走得最快 解析　根據(jù)相對論的時空觀，運動的時鐘變慢，時鐘運動得越快，時鐘的時間走得越慢。 答案　C 1.(經(jīng)典力學(xué)的成就和局限)(多選)20世紀以來，人們發(fā)現(xiàn)了一些新的事實，而經(jīng)典力學(xué)卻無法解釋。經(jīng)典力學(xué)只適用于解決物體的低速運動問題，不能用來處理高速運動問題；只適用于宏觀物體，一般不適用于微觀粒子，以下說法正確的是(　　) A.隨著認識的發(fā)展，經(jīng)典力學(xué)已成了過時的理論 B.人們對客觀事物的具體認識在廣度上是有局限性的 C.不同領(lǐng)域的事物各有其本質(zhì)與規(guī)律

16、 D.人們應(yīng)當不斷擴展認識，在更廣闊的領(lǐng)域內(nèi)掌握不同事物的本質(zhì)與規(guī)律 解析　人們對客觀世界的認識要受到所處的時代的客觀條件和科學(xué)水平的制約，所以形成的看法也都具有一定的局限性，人們只有不斷擴展自己的認識，才能掌握更廣闊領(lǐng)域內(nèi)的不同事物的本質(zhì)與規(guī)律；新的科學(xué)的誕生并不意味著對原來科學(xué)的全盤否定，只能認為過去的科學(xué)是新的科學(xué)在一定條件下的特殊情形。 答案　BCD 2.(多選)下列關(guān)于狹義相對論的說法中正確的是(　　) A.狹義相對論認為在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的 B.狹義相對論認為在一切慣性參考系中，光在真空中的速度都等于c，與光源的運動無關(guān) C.狹義相對論只涉及無

17、加速運動的慣性系 D.狹義相對論在任何情況下都適用 解析　狹義相對論只涉及無加速運動的慣性系，故選項D錯誤，A、B、C正確。 答案　ABC 3.(相對論效應(yīng)的理解)如圖5所示，沿平直鐵路線有間距相等的三座鐵塔A、B和C。假想有一列車沿AC方向以接近光速行駛，當鐵塔B發(fā)出一個閃光，列車上的觀察者測得A、C兩鐵塔被照亮的順序是(　　) 圖5 A.同時被照亮 B.A先被照亮 C.C先被照亮 D.無法判斷 解析　列車上的觀察者看到的是由B發(fā)出后經(jīng)過A和C反射的光，由于列車在這段時間內(nèi)向C運動，靠近C而遠離A，所以C的反射光先到達列車上的觀察者，觀察者看到C先被照亮，故選

18、項C正確。 答案　C 4.(狹義相對論的應(yīng)用)如圖6所示，強強乘坐速度為0.9c(c為光速)的宇宙飛船追趕正前方的壯壯，壯壯的飛行速度為0.5c，強強向壯壯發(fā)出一束光進行聯(lián)絡(luò)，則壯壯觀測到該光束的傳播速度為(　　) 圖6 A.0.4c B.0.5c C.0.9c D.c 解析　由狹義相對論的光速不變原理知，真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的，可知D正確，A、B、C錯誤。 答案　D 合格性檢測 1.經(jīng)典力學(xué)不能適用于下列哪種運動(　　) A.火箭的發(fā)射 B.宇宙飛船繞地球的運動 C.“勇氣號”宇宙探測器的運動 D.以99%倍光速運行的電子束

19、解析　經(jīng)典力學(xué)在低速運動的廣闊領(lǐng)域(包括天體力學(xué)的研究)中，經(jīng)受了實踐的檢驗，取得了巨大的成就，但在高速領(lǐng)域不再適用，故選項A、B、C適用，D不適用。 答案　D 2.屬于狹義相對論基本假設(shè)的是：在不同的慣性系中(　　) A.真空中光速不變 B.時間間隔具有相對性 C.物體的質(zhì)量不變 D.物體的能量與質(zhì)量成正比 解析　狹義相對論基本假設(shè)為：一是在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的；二是真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的，即光速不變原理，由此可知A屬于狹義相對論基本假設(shè)，故A正確，B、C、D錯誤。 答案　A 3.(2018·高州高一檢測)(多選)關(guān)于經(jīng)典力學(xué)的偉大

20、成就，下列論述正確的是(　　) A.經(jīng)典力學(xué)第一次實現(xiàn)了對自然界認識的理論大綜合 B.經(jīng)典力學(xué)第一次預(yù)言了宇宙中黑洞的存在 C.經(jīng)典力學(xué)第一次向人們展示了時間的相對性 D.人們借助于經(jīng)典力學(xué)中的研究方法，建立了完整的經(jīng)典物理學(xué)體系 解析　經(jīng)典力學(xué)把天上物體和地面上物體的運動統(tǒng)一起來，從力學(xué)上證明了自然界的多樣性的統(tǒng)一，第一次實現(xiàn)了人類對自然界認識的理論大綜合。在研究方法上，人們把經(jīng)典力學(xué)中行之有效的實驗與數(shù)學(xué)相結(jié)合的方法推廣到物理學(xué)的各個分支上，相繼建立了熱學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)等，形成了完整的經(jīng)典物理學(xué)體系。綜上所述，選項A、D正確。 答案　AD 4.(多選)關(guān)于經(jīng)典力學(xué)的局限

21、性，下列說法正確的是(　　) A.經(jīng)典力學(xué)沒有局限性 B.經(jīng)典力學(xué)的應(yīng)用受到物體運動速度的限制，當物體運動的速度接近于真空中的光速時，經(jīng)典力學(xué)就不適用了 C.經(jīng)典力學(xué)不適用于微觀領(lǐng)域中物質(zhì)結(jié)構(gòu)和能量不連續(xù)的現(xiàn)象 D.經(jīng)典力學(xué)的時間和空間分離的觀點不對 解析　經(jīng)典力學(xué)僅適用于宏觀、低速運動的物體，當物體運動的速度接近于真空中的光速時，經(jīng)典力學(xué)就不再適用了，B正確；經(jīng)典力學(xué)無法解釋微觀領(lǐng)域中物質(zhì)結(jié)構(gòu)和能量不連續(xù)的現(xiàn)象，C正確；同樣D也正確。 答案　BCD 5.一列火車以接近光速的速度從我們身邊飛駛而過，我們會感到車廂、車窗變窄了，而車廂、車窗的高度并沒有變化，那么車廂內(nèi)的人看路旁的電

22、線桿間距將會(　　) A.變窄 B.變寬 C.不變 D.都有可能 解析　火車相對地面以接近光速的速度向前飛駛，如果以火車為參考系，地面向后飛駛，根據(jù)尺縮效應(yīng)知電線桿間距變窄。 答案　A 6.廣東省虎門大橋全長近15 km，在500 m高空有一架與大橋平行以接近光速飛行的飛機，飛機上人員看到大橋的長度將是(　　) A.大于15 km B.等于15 km C.小于15 km D.無法確定 解析　由于飛機相對大橋是運動的，因此在飛機上觀察者看來，大橋要縮短，故C正確。 答案　C 7.(多選)物理學(xué)的發(fā)展豐富了人類對物質(zhì)世界的認識，推動了科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新和革命

23、，促進了物質(zhì)生產(chǎn)的繁榮與人類文明的進步，下列表述正確的是(　　) A.牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律 B.牛頓通過實驗證實了萬有引力定律 C.相對論的創(chuàng)立表明經(jīng)典力學(xué)已不再適用 D.愛因斯坦建立了狹義相對論，把物理學(xué)推進到高速領(lǐng)域 解析　萬有引力定律是牛頓發(fā)現(xiàn)的，但在實驗室里加以驗證是卡文迪許進行的，A正確，B錯誤；相對論并沒有否定經(jīng)典力學(xué)，經(jīng)典力學(xué)對于低速、宏觀運動仍適用，C錯誤；狹義相對論的建立，是人類取得的重大成就，從而把物理學(xué)推到更高領(lǐng)域，D正確。 答案　AD 等級性檢測 8.(多選)繼哥白尼提出“太陽中心說”、開普勒提出行星運動三定律后，牛頓站在巨人的肩膀上，創(chuàng)立了經(jīng)典力學(xué)，

24、揭示了包括行星在內(nèi)的宏觀物體的運動規(guī)律；愛因斯坦既批判了牛頓力學(xué)的不足，又進一步發(fā)展了牛頓的經(jīng)典力學(xué)，創(chuàng)立了相對論，這說明(　　) A.世界無限擴大，人不可能認識世界，只能認識世界的一部分 B.人的意識具有能動性，能夠正確地反映客觀世界 C.人對世界的每一個正確認識都有局限性，需要發(fā)展和深化 D.每一個認識都可能被后人推翻，人不可能獲得正確的認識 解析　發(fā)現(xiàn)總是來自于認識過程，觀點總是為解釋發(fā)現(xiàn)而提出的，主動認識世界，積極思考問題，追求解決(解釋)問題，這是科學(xué)研究的基本軌跡。任何一個人對客觀世界的認識都要受當時的客觀條件和科學(xué)水平的制約，所以所形成的“正確理論”都有一定的局限性，愛

25、因斯坦的相對理論是對牛頓力學(xué)的理論的發(fā)展和深化，但也有人正在向愛因斯坦理論挑戰(zhàn)。 答案　BC 9.假設(shè)地面上有一列火車以接近光速的速度運行，其內(nèi)站立著一個中等身材的人，站在路旁的人觀察車里的人，觀察的結(jié)果是(　　) A.這個人是一個矮胖子 B.這個人是一個瘦高個子 C.這個人矮但不胖 D.這個人瘦但不高 解析　由公式l′＝l可知，在運動方向上，人的寬度要減小，在垂直于運動方向上，人的高度不變。 答案　D 10.(多選)關(guān)于靜止時質(zhì)量為m0的物體，當以速度v運動時物體的質(zhì)量為m，以下說法正確的是(　　) A.在任何情況下，物體的質(zhì)量都不會改變，即與v無關(guān) B.當物體的運動速度v>0時，物體的質(zhì)量m>m0，即物體的質(zhì)量改變了，故經(jīng)典力學(xué)不適用，是不正確的 C.當物體以較小速度運動時，質(zhì)量變化十分微弱，經(jīng)典力學(xué)理論仍然適用，只有當物體的運動接近光速時，質(zhì)量變化才明顯，故經(jīng)典力學(xué)適用于低速運動，而不適用于高速運動 D.通常由于物體的運動速度太小，故物體質(zhì)量的變化不會引起我們的感覺，在分析地球上物體的運動時，不必考慮質(zhì)量的變化 解析　只有速度v接近光速，物體增加的質(zhì)量才比較明顯，一般情況下物體質(zhì)量的變化十分微小，故經(jīng)典力學(xué)仍然在低速即遠小于光速時適用，故A、B錯誤，C、D正確。 答案　CD 12