粤教版高中物理必修二5.1牛顿力学的成就与局限性学案

5.1牛顿力学的成就与局限性5.2相对论时空观5.3宇宙起源和演化

考点1：经典力学的成就与局限性经典力学的巨大成就（1）从地面上物体的运动到天体的运动。（2）从大气的流动到地壳的变动。（3）从拦河筑坝、修建桥梁到设计各种机械。（4）从自行车到汽车、火车、飞机等现代交通工具的运动。（5）从投出篮球到发射导弹、人造卫星、宇宙飞船……所有这些都服从经典力学的规律。2．牛顿运动定律的适用范围宏观：能用通常方法测量与观察的物体。低速：远小于光速的速度。弱引力：物体的半径远小于引力半径时物体之间存在的作用力。【例1】(多选)牛顿运动定律能适用于下列哪些情况()A．研究原子中电子的运动B．研究“神舟五号”的高速发射C．研究地球绕太阳的运动D．研究飞机从深圳飞往北京的航线【解析】BCD牛顿力学适用于宏观、低速运动的物体，要注意低速和高速的标准是相对于光速而言的，则可判定牛顿运动定律适用于B、C、D中描述的运动。研究原子中电子的运动，进入了微观世界，牛顿运动定律不再适用，所以A不适用。1．(多选)牛顿的经典力学能很好地解释下列哪些现象()A．高速公路上行驶的汽车B．空气中下落的雨滴C．原子核外电子绕核的转动D．空气中漂浮的肥皂泡【解析】ABD经典力学只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界。高速公路上行驶的汽车、空气中下落的雨滴、空气中漂浮的肥皂泡都属于宏观、低速范畴，经典力学适用；原子核外电子绕核的转动属于微观现象，经典力学不适用。考点2：狭义相对论的主要结论时间延缓效应在相对论时空观中，运动时钟与静止时钟的关系：Δt＝eq\f(Δt′,\r(1－\f(v2,c2)))，由上式可以看出v<c，Δt>Δt′，因此如果某时钟所显示的某个物理过程经历的时间间隔小，我们称该时钟走得慢，所以我们说运动的钟比静止的钟走得慢。这种效应被称为时间延缓。2．长度收缩效应按照狭义相对论时空观，空间也与运动密切相关，即对某物体空间广延性的观测，与观测者和该物体的相对运动有关。观测长度l′与静止长度l之间的关系：l′＝leq\r(1－\f(v2,c2))，由于v<c，所以l′<l。这种长度观测效应被称为长度收缩。【例2】半人马星座α星是离太阳系最近的恒星，它距地球为4.3×1016m。设有一宇宙飞船自地球往返于半人马星座α星之间。（1）若宇宙飞船的速率为0.999c，按地球上时钟计算，飞船往返一次需多少时间？（2）如以飞船上时钟计算，往返一次的时间又为多少？【解析】(1)由于题中恒星与地球的距离s和宇宙飞船的速度v均是地球上的观察者测量的，故飞船往返一次，地球时钟所测时间间隔Δt＝eq\f(2s,v)＝2.87×108s。(2)可从相对论的时间延缓效应考虑。把飞船离开地球和回到地球视为两个事件，显然飞船上的钟测出两事件的时间间隔Δt′是固定的，地球上所测的时间间隔Δt与Δt′之间满足时间延缓效应的关系式。以飞船上的时钟计算，飞船往返一次的时间间隔为Δt′＝Δteq\r(1－\f(v2,c2))＝1.28×107s。1．（1）“钟慢效应”或“动钟变慢”是在两个不同惯性系中进行时间比较的一种效应，不要认为是时钟的结构或精度因运动而发生了变化，而是在不同参考系中对时间的观测效应。（2）运动时钟变慢完全是相对的，在两个惯性参考系中的观测者都将发现对方的钟变慢了。2．(1)长度收缩效应是狭义相对论时空观的一种体现，即在不同惯性系中的观测者对同一物体的同一个空间广延性进行观测，测得的结果不同。(2)这种沿着运动方向的长度的变化是相对的；另外垂直于速度方向的长度不变。2．一支静止时长l的火箭以v的速度从观察者的身边飞过。（1）火箭上的人测得火箭的长度应为多少？（2）观察者测得火箭的长度应为多少？（3）如果火箭的速度为光速的二分之一，观察者测得火箭的长度应为多少？[解析](1)火箭上的人测得的火箭长度与火箭静止时测得的长度相同，即为l。(2)火箭外面的观察者看火箭时，有相对速度v，测量长度将变短，由相对论长度收缩效应公式知l′＝leq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up12(2))，其中c为真空中的光速。(3)将v＝eq\f(c,2)代入长度收缩效应公式得l′＝eq\f(\r(3),2)l。1．关于经典力学和相对论，下列说法正确的是()A．经典力学和相对论是各自独立的学说，互不相容B．相对论是在否定了经典力学的基础上建立起来的C．相对论和经典力学是两种不同的学说，二者没有联系D．经典力学包含在相对论之中，经典力学是相对论的特例【解析】D相对论的建立并没有否定经典力学，而是认为经典力学是相对论在一定条件下的特殊情形。所以A、B、C不对，D正确。2．经典力学只适用于“低速”和“宏观世界”，这里的“宏观世界”是指()A．行星、恒星、星系等巨大的物质领域B．地球表面的物质世界C．人眼能看到的物质世界D．不涉及分子、原子、电子等微观粒子的物质世界【解析】D在物理学中，宏观世界一般是指不涉及分子、原子、电子等微观粒子的物质世界。只有选项D正确。3．关于牛顿力学、相对论、量子力学，下列说法正确的是()A．不论是对宏观物体，还是对微观粒子，牛顿力学和量子力学都是适用的B．牛顿力学适用于低速运动的物体，相对论适用于高速运动的物体C．牛顿力学适用于宏观物体的运动，量子力学适用于微观粒子的运动D．相对论与量子力学否定了牛顿力学理论【解析】C牛顿力学适用于宏观、低速运动的物体，对于微观、高速运动的物体不再适用，量子力学适用于微观粒子运动，相对论适用于一切运动物体，故AB错误，C正确。相对论与量子力学并没有否定牛顿力学，而是在其基础上发展起来的，故D错误。4．(多选)关于经典力学理论，下列说法中正确的是()A．经典力学是物理学和天文学的基础，也是现代工程技术的理论基础B．经典力学的理论体系是经过几代科学家长期的探索，历经曲折才建立起来的C．经典力学具有丰富的理论成果，也建立了验证科学的方法体系D．当物体运动速度很大(v→c)、引力很强、活动空间很小(微观)时，经典力学理论所得的结果与实验结果之间符合的很好【解析】ABC经典力学理论的建立历程曲折，成果显著、是物理学、天文学及现代工程技术的理论基础，但也存在一些局限性，当物体运动速度很大(v→c)、引力很强、活动空间很小(微观)时，经典力学理论所得的结果与实验结果之间出现了较大的偏差，选项A、B、C正确，选项D错误。如图所示，按照狭义相对论的观点，火箭A是迎着光行驶的，火箭B是“追赶”光的，若火箭相对地面的速度为v，则两火箭上的观察者测出的光速分别为()A．c＋vc－v B．c－vc＋vC．cc D．无法确定【解析】C根据光速不变原理，在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速c都一样，因此在火箭A、B两个惯性参考系中，观察者测量到的光速一样大，均为c，故C正确。6．A、B两火箭沿同一方向高速飞过地面上的某处，vA＞vB。在火箭A上的人观察到的结果正确的是()A．火箭A上的时钟走得最快B．地面上的时钟走得最快C．火箭B上的时钟走得最快D．火箭B上的时钟走得最慢【解析】A在火箭A看来，地面和火箭B都高速远离自己，由t＝eq\f(t0,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up12(2)))知，在火箭A上的人观察到的结果是地面和火箭B的时钟都变慢了，且vA＞vB，故地面的时钟最慢，因此A正确，B、C、D错误。7．一列火车以接近光速的速度从我们身边飞驶而过，我们会感到车厢、车窗变窄了，而车厢、车窗的高度并没有变化，那么车厢内的人看路旁的电线杆间距将会()A．变窄 B．变宽C．不变 D．都有可能【解析】A火车相对地面以接近光速的速度向前飞驶，如果以火车为参考系，地面向后飞驶，根据尺缩效应知电线杆间距变窄。8．假设地面上有一列火车以接近光速的速度运行，其内站立着一个中等身材的人，站在路旁的人观察车里的人，观察的结果是()A．这个人是一个矮胖子 B．这个人是一个瘦高个子C．这个人矮但不胖 D．这个人瘦但不高【解析】D由公式l＝l0eq\r(1－\f(v2,c2))可知，在运动方向上，人的宽度要减小，在垂直于运动方向上，人的高度不变。9．例如有一对孪生兄弟A和B，其中B乘坐速度为v＝0.9c的火箭飞往大角星(牧夫座α)，而后又飞回地球。根据A在地球上的观测，大角星离地球有40万光年远，这次B往返飞行经历时间为80.8年。