2018届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学案粤教版.docx

主题三 牛顿力学的局限性和相对论初步3.1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3.3宇宙的起源与演化学习目标核心提炼1.了解经典力学的发展历程和伟大成就。4个概念经典力学、经典时空观、狭义相对论、相对论时空观3个结论经典时空观及其基本推论、狭义相对论的理论基础、相对论时空观的几个推论2.知道经典力学的局限性和适用范围。3.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时空观的几个推论。5.了解宇宙的起源与演化。一、经典力学的局限性和适用范围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围是什么？经典力学有哪些局限性？1.经典力学的适用范围：对于宏观、低速(相对光速)物体的运动经典力学仍然适用。2.经典力学的局限性(1)经典力学的应用受到物体运动速率的限制，当物体运动速率接近于真空中的光速时，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能量不连续的现象。理解概念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。()(2)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。()(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。()二、经典时空观与相对论时空观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？1.经典时空观(1)惯性系与非惯性系惯性系：凡是牛顿运动定律成立的参考系，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。非惯性系：牛顿运动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。(2)伽利略相对性原理：对于所有的惯性系，力学规律都是相同的，或者说，一切惯性系都是等效的。(3)经典时空观(绝对时空观)：时间永远均匀地流逝，与任何外界无关；空间与任何外界事物无关，从不运动，永远不变。(4)经典时空观的几个具体结论同时的绝对性；时间间隔的绝对性；空间距离的绝对性；物体质量恒定不变。即它们与参考系的选择(或观察者的运动状态)无关。2.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：无论光源和观察者如何运动，光速只能是c，这与经典力学的速度合成法则相矛盾。(2)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同的。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“同时”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不同时的。运动的时钟变慢：时钟相对于观察者静止时，走得快；相对于观察者运动时，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静止时，它的长度测量值最大；相对于观察者运动时，观察者在运动方向上观测，它的长度要缩短，速度越快，缩得越短。物体质量随速度的增加而增大。理解概念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。()(2)时间间隔具有相对性。()(3)物体的质量永远不变。()(4)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观察探究如图1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。请思考：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？(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？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，应该应用狭义相对论、量子力学进行研究。(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进行研究。探究归纳1.区别比较项经典力学相对论形成时期物理学形成的初期阶段，受历史发展限制，理论较肤浅、片面形成于物理学充分发展的现代，理论较完善、科学适用范围低速运动、宏观世界，弱引力作用任何情况都适用比较项经典力学相对论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随其速度的增加而变大速度的合成时间与空间互不相干，关系式v船岸v船水v水岸成立速度与位移、时间的测量有关，v船岸v船水v水岸不成立2.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。(2)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。试题案例例1 (2018汕头高一检测)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，物体的运动服从牛顿运动定律D.以上说法都是错误的解析在经典力学中，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，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C正确。答案C针对训练1 (多选)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解析牛顿运动定律只能用于“宏观低速”的情形，这里的“宏观”是相对于微观粒子而言的。这里的“低速”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，A错误，B、C、D中各项运动虽然是“高速”，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，B、C、D正确。答案BCD相对论几个效应的理解观察探究地球绕太阳公转的速度是3104 m/s；如图2所示，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0.999 999 999 987倍光速的速度。请思考：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？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大了。探究归纳1.两个基本原理(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。表明了经典时空观与相对论时空观的不同；比较如下：经典时空观相对论时空观运动情况同一运动对不同参考系描述结果不同，即速度不同光在一切惯性参考系中传向各个方向的速度不变时间与空间的关系时间均匀流逝，空间不变化，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几个结论同时的绝对性时间间隔的绝对性空间距离的绝对性物体的质量恒定不变同时的相对性运动的时钟变慢运动的尺子缩短物体的质量随速度的增加而增大2.相对论时空观的内容：认为时间和空间是相互联系、相互影响的，并且与物质的存在及运动有关。(1)时间延缓效应：在相对于地面以速度v匀速运动的参考系内，测得该参考系中某一事件所经历的时间为t，则在地面上测得该事件所经历的时间为t。由于vt。即用同样标准的钟，在静止参考系中测得的时间比在运动参考系中测得的时间长，好比是运动的钟走“慢”了。当速度vc时，tt，这就回到了经典物理学的结论时间与物体的运动状态无关。当v0.999 8c时，t50t，时间将延缓为原来的50倍。(2)长度收缩效应：一把尺子，在相对于它静止的参考系xOy中测得其长度为l(称为静止长度)，如图3所示。当该尺子相对另一参考系xOy(如地面)沿尺子长度方向以速度v运动时，在该参考系xOy(如地面)中测得尺子长度为ll。图3由于vc，所以ll，说明在相对尺子运动的参考系中测得的“运动长度”比在相对尺子静止的参考系中测得的“静止长度”短，即所谓的“长度收缩效应”。当速度vc时，ll，这就回到了经典物理学的结论空间的尺度与物体的运动状态无关。当v0.999 8c时，ll，长度将缩短为原长的。试题案例例2 一艘太空飞船静止时的长度为30 m，他以0.6c(c为光速)的速度沿长度方向飞行越过地球，下列说法正确的是()A.飞船上的观测者测得该飞船的长度小于30 mB.地球上的观测者测得该飞船的长度小于30 mC.飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度小于cD.地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度小于c解析飞船上的观察者测得飞船的长度不变，仍为30 m，由ll0l0可知，地球上的观察者测得该飞船的长度小于30 m，选项A错误，B正确；由光速不变原理可知，选项C、D错误。答案B针对训练2 如图4所示，有三个完全相同的时钟，时钟A放在地面上，时钟B、C分别放在两个火箭上，两个火箭分别以速度vB和vC朝同一方向飞行，vB0时，物体的质量mm0，即物体的质量改变了，故经典力学不适用，是不正确的C.当物体以较小速度运动时，