2018-2019学年高考物理 主题三 牛顿力学的局限性和相对论初步 3.1-3.3课件 粤教版

1、3.1经典力学的成就与局限性经典力学的成就与局限性 3.2经典时空观与相对论时空观经典时空观与相对论时空观 3.3宇宙的起源与演化宇宙的起源与演化 学习目标学习目标核心提炼核心提炼 1.了解经典力学的发展历程和伟大成就。了解经典力学的发展历程和伟大成就。 4个概念个概念经典力学、经典时空观、经典力学、经典时空观、 狭义相对论、相对论时空观狭义相对论、相对论时空观 3个结论个结论经典时空观及其基本推论、经典时空观及其基本推论、 狭义相对论的理论基础、相对论时空狭义相对论的理论基础、相对论时空 观的几个推论观的几个推论 2.知道经典力学的局限性和适用范围。知道经典力学的局限性和适用范围。 3.了解

2、经典时空观及其基本推论。了解经典时空观及其基本推论。 4.了解狭义相对论的理论基础与相对论了解狭义相对论的理论基础与相对论 时空观的几个推论。时空观的几个推论。 5.了解宇宙的起源与演化。了解宇宙的起源与演化。 一、经典力学的局限性和适用范围一、经典力学的局限性和适用范围 观图助学观图助学 如图是以牛顿为代表的对经典力学做出重要贡献的科学家，那么经典力学的适用范如图是以牛顿为代表的对经典力学做出重要贡献的科学家，那么经典力学的适用范 围是什么？经典力学有哪些局限性？围是什么？经典力学有哪些局限性？ 1.经典力学的适用范围：经典力学的适用范围：对于对于_、_(相对光速相对光速)物体的运动经典力学

3、仍然物体的运动经典力学仍然 适用。适用。 2.经典力学的局限性经典力学的局限性 (1)经典力学的应用受到物体运动经典力学的应用受到物体运动_的限制，当物体运动速率接近于真空中的的限制，当物体运动速率接近于真空中的 _时，经典力学的许多观念将发生重大变化。时，经典力学的许多观念将发生重大变化。 (2)经典力学不适用于微观领域中物质结构和经典力学不适用于微观领域中物质结构和_的现象。的现象。 宏观宏观 低速低速 速率速率 光速光速 能量不连续能量不连续 理解概念理解概念 判断下列说法是否正确。判断下列说法是否正确。 (1)牛顿运动定律适用于任何参考系。牛顿运动定律适用于任何参考系。( ) (2)经

4、典时空观认为时间间隔是绝对的。经典时空观认为时间间隔是绝对的。( ) (3)经典时空观认为物体的质量是绝对的。经典时空观认为物体的质量是绝对的。( ) (4)不论是宏观物体，还是微观粒子，经典力学和相对论都是适用的。不论是宏观物体，还是微观粒子，经典力学和相对论都是适用的。( ) 二、经典时空观与相对论时空观二、经典时空观与相对论时空观 观图助学观图助学 爱因斯坦提出相对论，由相对论时空观可知，运动的时钟会变慢及运动的尺子会缩爱因斯坦提出相对论，由相对论时空观可知，运动的时钟会变慢及运动的尺子会缩 短，但为什么我们在日常生活中从未注意到长度收缩和时间膨胀效应？短，但为什么我们在日常生活中从未注

5、意到长度收缩和时间膨胀效应？ 1.经典时空观经典时空观 (1)惯性系与非惯性系惯性系与非惯性系 惯性系：凡是惯性系：凡是_定律成立的参考系，相对于惯性系静止或做匀速直定律成立的参考系，相对于惯性系静止或做匀速直 线运动的参考系都是惯性系。线运动的参考系都是惯性系。 非惯性系：非惯性系：_定律不成立的参考系，相对于惯性系做变速运动的参定律不成立的参考系，相对于惯性系做变速运动的参 考系是非惯性系。考系是非惯性系。 (2)伽利略相对性原理：对于所有的惯性系，伽利略相对性原理：对于所有的惯性系，_规律都是相同的，或者说，一规律都是相同的，或者说，一 切惯性系都是切惯性系都是_。 (3)经典时空观经典

6、时空观(绝对时空观绝对时空观)：时间永远均匀地流逝，与任何外界：时间永远均匀地流逝，与任何外界_；空间与；空间与 任何外界事物任何外界事物_，从不运动，永远不变。，从不运动，永远不变。 牛顿运动牛顿运动 牛顿运动牛顿运动 力学力学 等效的等效的 无关无关 无关无关 (4)经典时空观的几个具体结论经典时空观的几个具体结论 _的绝对性；的绝对性； _的绝对性；的绝对性； _的绝对性；的绝对性； 物体质量物体质量_。 即它们与参考系的选择即它们与参考系的选择(或观察者的运动状态或观察者的运动状态)无关。无关。 2.相对论时空观相对论时空观 (1)光速不变与经典物理学的矛盾：观察和实验事实表明：无论光

7、源和观察者如何运光速不变与经典物理学的矛盾：观察和实验事实表明：无论光源和观察者如何运 动，光速只能是动，光速只能是c，这与经典力学的，这与经典力学的_法则相矛盾。法则相矛盾。 同时同时 时间间隔时间间隔 空间距离空间距离 恒定不变恒定不变 速度合成速度合成 (2)狭义相对论的两条基本假设狭义相对论的两条基本假设 相对性原理：在不同的惯性系中，一切物理规律都是相对性原理：在不同的惯性系中，一切物理规律都是_。 光速不变原理：不管在哪个惯性系中，测得的真空中的光速都相同。光速不变原理：不管在哪个惯性系中，测得的真空中的光速都相同。 (3)相对论时空观相对论时空观 “同时同时”的相对性：在一个参考

8、系中同时发生的两个事件，在另一个参考系看来的相对性：在一个参考系中同时发生的两个事件，在另一个参考系看来 是是_的。的。 运动的时钟变慢：时钟相对于观察者运动的时钟变慢：时钟相对于观察者_时，走得快；相对于观察者时，走得快；相对于观察者_ 时，走得慢。运动速度越快，效果越明显。时，走得慢。运动速度越快，效果越明显。 运动的尺子缩短：一个物体相对于观察者运动的尺子缩短：一个物体相对于观察者_时，它的长度测量值最大；相时，它的长度测量值最大；相 对于观察者对于观察者_时，观察者在时，观察者在_方向上观测，它的长度要缩短，速度越快，方向上观测，它的长度要缩短，速度越快， 缩得越缩得越_。 物体质量随

9、速度的物体质量随速度的_而增大。而增大。 相同的相同的 不同时不同时 静止静止运动运动 静止静止 运动运动 运动运动 短短 增加增加 理解概念理解概念 判断下列说法是否正确。判断下列说法是否正确。 (1)时间和空间是紧密联系、不可分割的属于经典时空观的观点。时间和空间是紧密联系、不可分割的属于经典时空观的观点。( ) (2)时间间隔具有相对性。时间间隔具有相对性。( ) (3)物体的质量永远不变。物体的质量永远不变。( ) (4)物体的质量随速度的增加而增大。物体的质量随速度的增加而增大。( ) 经典力学与相对论的比较经典力学与相对论的比较 观察探究观察探究 如图如图1甲，质子束被加速到接近光

10、速；如图甲，质子束被加速到接近光速；如图1乙，中子星是质量、密度非常大的星体。乙，中子星是质量、密度非常大的星体。 请思考：请思考： 图图1 (1)经典力学是否适用于质子束的运动规律？如何研究质子束的运动规律？经典力学是否适用于质子束的运动规律？如何研究质子束的运动规律？ (2)经典力学是否适用于中子星的引力规律？如何研究中子星的引力规律？经典力学是否适用于中子星的引力规律？如何研究中子星的引力规律？ 答案答案(1)质子束的运动属于高速、微观范畴，经典力学不再适用，应该应用狭义质子束的运动属于高速、微观范畴，经典力学不再适用，应该应用狭义 相对论、量子力学进行研究。相对论、量子力学进行研究。

11、(2)中子星的引力规律属于强引力范畴，经典力学不再适用，应该应用广义相对论中子星的引力规律属于强引力范畴，经典力学不再适用，应该应用广义相对论 进行研究。进行研究。 探究归纳探究归纳 1.区别区别 比较项比较项经典力学经典力学相对论相对论 形成时期形成时期 物理学形成的初期阶段，受历史发展物理学形成的初期阶段，受历史发展 限制，理论较肤浅、片面限制，理论较肤浅、片面 形成于物理学充分发展的现代，理论较形成于物理学充分发展的现代，理论较 完善、科学完善、科学 适用范围适用范围低速运动、宏观世界，弱引力作用低速运动、宏观世界，弱引力作用任何情况都适用任何情况都适用 比较项比较项经典力学经典力学相对

12、论相对论 速度对质量的影响速度对质量的影响 物体的质量不随其速度的变化而变化物体的质量不随其速度的变化而变化物体的质量随其速度的增加而变大物体的质量随其速度的增加而变大 速度的速度的 合成合成 时间与空间互不相干，关系式时间与空间互不相干，关系式v船岸 船岸 v 船水船水 v水岸 水岸成立 成立 速度与位移、时间的测量有关，速度与位移、时间的测量有关，v船岸 船岸 v船水 船水 v水岸 水岸不成立 不成立 2.联系联系 (1)当物体的运动速度远小于光速时，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别。当物体的运动速度远小于光速时，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别。 (2)相对论并没有否定经典力

13、学，经典力学是相对论在一定条件下的特殊情形。相对论并没有否定经典力学，经典力学是相对论在一定条件下的特殊情形。 试题案例试题案例 例例1 (2018汕头高一检测汕头高一检测)下列说法正确的是下列说法正确的是() A.在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变，在狭义相对论中，物体的质量在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变，在狭义相对论中，物体的质量 也不随运动状态而改变也不随运动状态而改变 B.狭义相对论和经典力学是完全不同相互矛盾的两个理论狭义相对论和经典力学是完全不同相互矛盾的两个理论 C.物体高速运动时，物体的运动服从狭义相对论，在低速运动时，物体的运动服从物体高速运动时，物体的运

14、动服从狭义相对论，在低速运动时，物体的运动服从 牛顿运动定律牛顿运动定律 D.以上说法都是错误的以上说法都是错误的 解析解析在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变，在狭义相对论中，物体的在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变，在狭义相对论中，物体的 质量随物体运动速度的增大而增大，选项质量随物体运动速度的增大而增大，选项A错误；狭义相对论没有否定经典力学，错误；狭义相对论没有否定经典力学， 经典力学是狭义相对论在一定条件下的特殊情形，选项经典力学是狭义相对论在一定条件下的特殊情形，选项B错误；经典力学适用于低错误；经典力学适用于低 速运动的物体，狭义相对论阐述物体在以接近光速的速度运动

15、时所遵循的规律，选速运动的物体，狭义相对论阐述物体在以接近光速的速度运动时所遵循的规律，选 项项C正确。正确。 答案答案C 针对训练针对训练1 (多选多选)牛顿运动定律能适用于下列哪些情形牛顿运动定律能适用于下列哪些情形() A.研究原子中电子的运动研究原子中电子的运动 B.研究研究“神舟五号神舟五号”飞船的高速发射飞船的高速发射 C.研究地球绕太阳的运动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研究飞机从北京飞往纽约的航线 解析解析牛顿运动定律只能用于牛顿运动定律只能用于“宏观低速宏观低速”的情形，这里的的情形，这里的“宏观宏观”是相对于微观是相对于微观 粒子而言的。这里的粒子而

16、言的。这里的“低速低速”是相对于光速而言的。原子、电子等是微观粒子，它是相对于光速而言的。原子、电子等是微观粒子，它 们的运动不服从牛顿运动定律，们的运动不服从牛顿运动定律，A错误，错误，B、C、D中各项运动虽然是中各项运动虽然是“高速高速”，但，但 相对于光速来说，却是微不足道的，完全可以用牛顿运动定律研究其规律，相对于光速来说，却是微不足道的，完全可以用牛顿运动定律研究其规律，B、C、 D正确。正确。 答案答案BCD 相对论几个效应的理解相对论几个效应的理解 观察探究观察探究 地球绕太阳公转的速度是地球绕太阳公转的速度是3104 m/s；如图；如图2所示，设在美国伊利诺伊州费米实验室所示，

17、设在美国伊利诺伊州费米实验室 的圆形粒子加速器可以把电子加速到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：倍光速的速度。请思考： 图图2 (1)地球的公转速度在狭义相对论中属于低速还是高速？被加速器加速后的电子的地球的公转速度在狭义相对论中属于低速还是高速？被加速器加速后的电子的 速度呢？速度呢？ (2)加速后电子的质量比电子的静止质量增大了还是减小了？加速后电子的质量比电子的静止质量增大了还是减小了？ 答案答案(1)狭义相对论的高速是可以与光速相比较的速度，所以地球的公转速度属狭义相对论的高速是可以与光速相比较的速度，所以地球的公转速度属 于低速，

18、加速后的电子速度属于高速。于低速，加速后的电子速度属于高速。 (2)物体的质量随速度的增大而增大，所以加速后电子的质量比电子的静止质量增物体的质量随速度的增大而增大，所以加速后电子的质量比电子的静止质量增 大了。大了。 探究归纳探究归纳 1.两个基本原理两个基本原理 (1)相对性原理：在不同的惯性系中，一切物理规律都是相同的。表明在任何惯性系相对性原理：在不同的惯性系中，一切物理规律都是相同的。表明在任何惯性系 中研究某个物体的某一运动过程，其运动规律形式不变。中研究某个物体的某一运动过程，其运动规律形式不变。 (2)光速不变原理：不管在哪个惯性系中，测得的真空中的光速都相同。表明了经典光速不

19、变原理：不管在哪个惯性系中，测得的真空中的光速都相同。表明了经典 时空观与相对论时空观的不同；比较如下：时空观与相对论时空观的不同；比较如下： 经典时空观经典时空观相对论时空观相对论时空观 运动情况运动情况 同一运动对不同参考系描述结同一运动对不同参考系描述结 果不同，即速度不同果不同，即速度不同 光在一切惯性参考系中传向各个方光在一切惯性参考系中传向各个方 向的速度不变向的速度不变 时间与空时间与空 间的关系间的关系 时间均匀流逝，空间不变化，时间均匀流逝，空间不变化， 与运动情况及外部条件无关与运动情况及外部条件无关 时间、空间都随运动情况而改变时间、空间都随运动情况而改变 几个结论几个结论 同时的绝对性同时的绝对性 时间间隔的绝对性时间间隔的绝对性 空间距离的绝对性空间距离的绝对性 物体的质量恒定不变物体的质量恒定不变 同时的相对性同时的相对性 运动的时钟变慢运动的时钟变慢 运动的尺子缩短运动的尺子缩短 物体的质量随速度的增加而