第五章牛頓力學(xué)的局限性與相對論初步第一節(jié)牛頓力學(xué)的成就與局限性第二節(jié)相對論時(shí)空觀第三節(jié)宇宙起源和演化學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)法指導(dǎo)1．知道牛頓力學(xué)的成就和局限性，了解物理學(xué)發(fā)展的歷史2．知道光速不變原理，了解相對論的時(shí)間延緩效應(yīng)和長度收縮效應(yīng)3．了解宇宙模型和宇宙的演化過程4．知道黑洞及宇宙大爆炸理論1．通過學(xué)習(xí)和閱讀教材，初步了解相對論時(shí)空觀；了解時(shí)間延緩和長度收縮效應(yīng)；通過閱讀“科學(xué)漫步”激發(fā)關(guān)注宇宙起源和演化的科學(xué)興趣2．通過查閱資料，了解相對論，學(xué)習(xí)相對論的建立及對人類認(rèn)識(shí)世界的作用3．知道宇宙模型和宇宙大爆炸理論的由來知識(shí)導(dǎo)圖課前·自主預(yù)習(xí)1．牛頓力學(xué)的成就(1)實(shí)現(xiàn)了人類對自然界認(rèn)識(shí)的第一次理論大綜合．(2)確定了自然科學(xué)理論應(yīng)有的基本特征．(3)將“實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)”相結(jié)合的方法推廣到物理學(xué)的各個(gè)分支，形成了完整的經(jīng)典力學(xué)體系．牛頓力學(xué)的成就與局限性2．牛頓力學(xué)的局限性和適用范圍(1)牛頓力學(xué)只適用于________運(yùn)動(dòng)，不適用于高速運(yùn)動(dòng)．(2)只適用于________世界，不適用于微觀世界．(3)只適用于________情況，不適用于強(qiáng)引力情況．低速宏觀弱引力相對論與量子力學(xué)否定了牛頓力學(xué)嗎？【答案】沒有．它們各自有適用范圍．(多選)下列說法正確的是

(

)A．研究鉛球的運(yùn)動(dòng)，可以用牛頓運(yùn)動(dòng)定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)公式B．研究電子的運(yùn)動(dòng)可用牛頓運(yùn)動(dòng)定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)公式C．研究電子運(yùn)動(dòng)要用狹義相對論原理，研究鉛球運(yùn)動(dòng)可用牛頓運(yùn)動(dòng)定律D．研究鉛球和電子的運(yùn)動(dòng)都要用牛頓運(yùn)動(dòng)定律【答案】AC

【解析】以牛頓運(yùn)動(dòng)定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典物理學(xué)處理低速、宏觀物體的運(yùn)動(dòng)是相當(dāng)完美的，但對于高速的微觀的運(yùn)動(dòng)就無能為力了．顯然，鉛球的運(yùn)動(dòng)可以用牛頓運(yùn)動(dòng)定律來解決，電子的運(yùn)動(dòng)則不能用牛頓運(yùn)動(dòng)定律來解決，而要用狹義相對論原理來解決．本題主要考查經(jīng)典物理學(xué)的適用范圍，A、C正確．1．絕對時(shí)空觀(1)________的絕對性．(2)________間隔的絕對性．(3)________距離的絕對性．(4)________、________和________這三者都與參考系的運(yùn)動(dòng)無關(guān)．相對論時(shí)空觀同時(shí)時(shí)間空間時(shí)間空間質(zhì)量2．相對論時(shí)空觀(1)相對性原理：在所有的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的．(2)光速不變原理：真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是________的．(3)時(shí)間延緩效應(yīng)：相對于地面以v運(yùn)動(dòng)的慣性參考系上的人觀察到與其一起運(yùn)動(dòng)的物體完成某個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔為Δt，而地面上的人觀察到該物體在同一地點(diǎn)完成這個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔為Δt′，則Δt′＝____________．(4)長度收縮效應(yīng)：與桿相對靜止的人測得桿長為l，沿著桿的方向以v相對桿運(yùn)動(dòng)的人測得桿長為l′，則l′＝____________．相同參考系變化了，光速是否會(huì)變化？【答案】不變．假設(shè)地面上有一火車以接近光速的速度運(yùn)行，車內(nèi)站立著一個(gè)中等身材的人，站在路旁的人觀察車?yán)锏娜?，觀察的結(jié)果是(

)A．這個(gè)人是一個(gè)矮胖子

B．這個(gè)人是一個(gè)瘦高個(gè)子C．這個(gè)人矮但不胖

D．這個(gè)人瘦但不高【答案】D

【解析】根據(jù)長度的相對性，相對運(yùn)動(dòng)方向長度減小，垂直于運(yùn)動(dòng)方向上的長度不變，所以這個(gè)人瘦但不高，D正確．1．兩種近現(xiàn)代宇宙模型(1)靜態(tài)宇宙模型——由彎曲空間構(gòu)成，沒有邊界、沒有中心，但在整體上是有限的、靜態(tài)的宇宙．(2)動(dòng)態(tài)宇宙模型——宇宙中的物質(zhì)從宏觀大尺度來說分布是均勻的，從各方向看都是一樣的，并且隨著時(shí)間的變化，宇宙在不斷________．宇宙起源和演化膨脹2．宇宙膨脹模型的兩種對立的理論：穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型和______________．3．1929年，美國天文學(xué)家________通過觀測發(fā)現(xiàn)遙遠(yuǎn)的星系在彼此遠(yuǎn)離，這為動(dòng)態(tài)宇宙模型觀點(diǎn)提供了有力的證據(jù)．4．1964年，美國無線電工程師彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)了___________________，對大爆炸理論提供了有力的證據(jù)．5．2016年，激光干涉引力波天文臺(tái)科學(xué)合作組織(LIGO)宣布探測到________，打開了宇宙研究的新窗口，同時(shí)也再次印證了愛因斯坦的____________．6．一般認(rèn)為，我們所居住的太陽系大約形成于________年前．大爆炸理論哈勃宇宙微波背景輻射引力波廣義相對論46億課堂·重難探究1．經(jīng)典力學(xué)只適用于處理物體的低速運(yùn)動(dòng)(v?c)．2．經(jīng)典力學(xué)不適用于微觀領(lǐng)域中能量不連續(xù)的運(yùn)動(dòng)．3．經(jīng)典力學(xué)規(guī)律只在慣性參考系中成立——經(jīng)典力學(xué)規(guī)律只能用于宏觀、低速(與光速相比)的情形，且只在慣性參考系中成立．經(jīng)典力學(xué)(牛頓力學(xué))的適用范圍例1

(多選)(2023年茂名階段檢測)如圖甲所示，質(zhì)子束被加速到接近光速；如圖乙所示，中子星是質(zhì)量、密度非常大的星體．下列說法正確的是

(

)A．牛頓力學(xué)適用于質(zhì)子束的運(yùn)動(dòng)規(guī)律B．牛頓力學(xué)不適用于質(zhì)子束的運(yùn)動(dòng)規(guī)律C．牛頓力學(xué)適用于中子星的引力規(guī)律D．牛頓力學(xué)不適用于中子星的引力規(guī)律【答案】BD

【解析】牛頓力學(xué)適用于宏觀、低速物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，不適用于質(zhì)子束的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，也不適用于中子星的引力規(guī)律．故B、D正確．變式1

(2023年廣州番禺區(qū)期末)下列運(yùn)動(dòng)，不能用牛頓力學(xué)規(guī)律描述的是

(

)A．“天問一號(hào)”繞火星運(yùn)動(dòng)

B．粒子接近光速運(yùn)動(dòng)C．人隨電梯上升

D．高鐵從廣州駛向杭州【答案】B

【解析】“天問一號(hào)”繞火星運(yùn)動(dòng)、人隨電梯上升、高鐵從廣州駛向杭州都屬于宏觀、低速運(yùn)動(dòng)，故經(jīng)典力學(xué)均能適用，而粒子接近光速運(yùn)動(dòng)屬于微觀高速運(yùn)動(dòng)，經(jīng)典力學(xué)不適用，故A、C、D錯(cuò)誤，B正確．例2

(2023年佛山西樵中學(xué)質(zhì)檢)科學(xué)家探測到宇宙中距離我們13億光年的兩個(gè)黑洞合并而產(chǎn)生的引力波，填補(bǔ)了愛因斯坦廣義相對論實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的最后一塊“拼圖”．關(guān)于相對論下列說法正確的是(

)A．經(jīng)典時(shí)空觀認(rèn)為時(shí)間和空間是相互關(guān)聯(lián)的B．相對于觀察者運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘會(huì)變慢C．在運(yùn)動(dòng)的參照系中測得的光速與其運(yùn)動(dòng)的速度有關(guān)D．同一物體的長度不隨觀察者所處參考系的變換而改變相對論時(shí)空觀【答案】B

【解析】經(jīng)典時(shí)空觀認(rèn)為時(shí)間和空間是絕對不變的，故A錯(cuò)誤；根據(jù)鐘慢效應(yīng)，相對論時(shí)空觀認(rèn)為相對于觀察者運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘會(huì)變慢，故B正確；根據(jù)愛因斯坦的光速不變原理可知，在所有慣性參考系中光速是恒定的，故C錯(cuò)誤；根據(jù)尺縮效應(yīng)，相對論時(shí)空觀認(rèn)為同一物體的長度會(huì)隨觀察者相對參考系的運(yùn)動(dòng)而改變，故D錯(cuò)誤．變式2

(多選)接近光速飛行的飛船和地球上各有一只相同的銫原子鐘，飛船和地球上的人觀測這兩只鐘的快慢，下列說法正確的有(

)A．飛船上的人觀測到飛船上的鐘較快B．飛船上的人觀測到飛船上的鐘較慢C．地球上的人觀測到地球上的鐘較快D．地球上的人觀測到地球上的鐘較慢【答案】AC

【解析】由狹義相對論的“鐘慢效應(yīng)”原理可知，飛船上的人觀測到地球上的鐘比飛船上慢，地球上的人觀測到飛船上的鐘比地球上慢，故A、C正確，B、D錯(cuò)誤．1．由于日常生活中相對速度比較小，和光速相比可以忽略不計(jì)，故觀察不到明顯的相對論效應(yīng)．2．時(shí)鐘變慢效應(yīng)中的相對速度的大小都是針對光速來說的．宇宙的起源與演化例3關(guān)于宇宙和恒星的演化，下列說法正確的是

(

)A．宇宙已經(jīng)停止演化B．恒星在主序星階段時(shí)停留時(shí)間最長、最穩(wěn)定C．恒星最終都會(huì)演化為黑洞D．恒星最終演化為中子星【答案】B

【解析】目前宇宙的演化仍在進(jìn)行，A錯(cuò)誤．恒星在主序星階段時(shí)停留時(shí)間最長、最穩(wěn)定，B正確．根據(jù)最終質(zhì)量的不同恒星最終演化為白矮星或中子星或黑洞，C、D錯(cuò)誤．【答案】29.3km

小練·隨堂鞏固1．牛頓定律的適用范圍是

(

)A．宏觀物體、低速運(yùn)動(dòng)B．微觀物體、低速運(yùn)動(dòng)C．宏觀物體、高速運(yùn)動(dòng)D．微觀物體、高速運(yùn)動(dòng)【答案】A

【解析】牛頓定律僅適用于宏觀、低速物體的運(yùn)動(dòng)．這是牛頓定律的局限性．故A正確．2．關(guān)于宇宙起源，根據(jù)大多數(shù)宇宙科學(xué)家的認(rèn)定，你認(rèn)為下列說法正確的是

(

)①宇宙誕生于距今約137億年的一次大爆炸②大爆炸是整體的，涉及宇宙的全部物質(zhì)及時(shí)間、空間③大爆炸導(dǎo)致宇宙空間處處膨脹，溫度則相應(yīng)下降④宇宙溫度下降至一定程度，逐步形成超星系團(tuán)、星系團(tuán)、星系及恒星、行星等．A．①②③ B．①③④ C．②④ D．①②③④【答案】D

【解析】關(guān)于宇宙的起源，人類現(xiàn)在認(rèn)同“大爆炸”理論；該理論認(rèn)為，宇宙在最開始時(shí)是熾熱的“原始火球”，距今約137億年前，原始火球發(fā)生了大爆炸；大爆炸是整體的，涉及宇宙的全部物質(zhì)及時(shí)間和空間；宇宙空間在膨脹中，溫度相應(yīng)下降，最終當(dāng)溫度達(dá)到一定程度時(shí)，形成了現(xiàn)在的超星系團(tuán)、星系團(tuán)、星系及恒星、行星等，故以上說法均正確．3．(多選)關(guān)于經(jīng)典力學(xué)、狹義相對論和量子力學(xué)，下列說法正確的是

(

)A．狹義相對論和經(jīng)典力學(xué)是相互對立、互不相容的兩種理論B．在物體高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律適用狹義相對論理論．在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體的運(yùn)動(dòng)適用經(jīng)典力學(xué)C．經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀物體的運(yùn)動(dòng)，量子力學(xué)適用于微觀粒子的運(yùn)動(dòng)D．不論是宏觀物體，還是微觀粒子，經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué)都是適用的