教科版高中物理必修第二册第五章经典力学的局限性与相对论初步课时PPT课件

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第五章 经典力学的局限性与相对论初步1　经典力学的成就与局限性2　相对论时空观简介3　宇宙的起源和演化基础探究合作探究实践应用基础探究 形成概念·掌握新知知识点一　经典力学的成就1. 在1687年出版的著作《自然哲学的数学原理》中建立了一个完整的力学理论体系,以此为基础的经典力学体系只用几个基本的概念和原理就可以解释行星和卫星的轨道、 的行星运动定律、彗星运动、落体运动、海洋的潮汐、汽车的运动、足球的运动以及宏观世界中人们日常看到的种种运动。情境化导学牛顿开普勒2.经典力学思想方法的影响远远超出了物理学与天文学的范畴。不仅化学和生物学这样的自然科学领域,而且艺术、政治、哲学等社会科学领域也都按照经典力学描述宇宙的普遍方式来形成自己的体系。经典力学对社会和文化发展的影响巨大而深远。3.经典力学促进了技术层面的巨大创新,二百多年前,蒸汽机的发明和改进,推动了第一次工业革命,使人类由农业文明走向工业文明。知识点二　经典力学的局限性1.观测数据表明,牛顿运动定律和万有引力定律,对于高速运动的物体不适用,对受到很强引力作用的物体的运动也不适用。例如在密度很大的中子星附近,经典力学理论无法正确解释有关的现象。2.在微观领域,即对尺度在10-10m以内的微观粒子(质子、中子、电子等)来说,它们丰富多彩的运动充满了不确定性和离散性,此时经典力学也不适用。3.经典力学只适用于 (线度>10-10 m)、 (v≪c)、弱引力场(例如地球附近)的范围。超出以上范围,经典力学不再适用,要由相对论、量子论等来取代。知识点三　狭义相对论1.两个基本假设一是对不同的 ,物理规律(包括力学的和电磁学的)都是一样的;二是光在真空中运动的速度在任何惯性系中测得的数值都是 的。2.时间的相对性(1)狭义相对论的时间变换公式宏观低速惯性系相同(2)这一公式表示:同样的两件事,在它们发生于同一地点的参考系所经历的时间 ;在其他参考系内观测,这段时间要长些。这一现象称为时间的相对性,也称为“动钟变慢”。3.长度的相对性(1)狭义相对论的长度变换公式l= 。最短短4.相对论质量和能量(1)狭义相对论中,物体质量m与它所具有的能量E的关系为E= ,其中c为光在真空中的速率。mc25.相对论时空观(1)狭义相对论的时间变换公式和长度变换公式说明,同一段时间或长度在不同的惯性系内测得的结果是 的。这就是说,时间和空间的量度与物体的运动有关,是相对的。运动物体的长度测量建立在必须 进行观测的基础上,说明时间和空间的量度又是相互紧密联系的。(2)经典时空观是相对论时空观的特殊表现。在 范围内,在广泛的技术领域,建立在经典时空观的基础上的牛顿运动定律仍然成立。不变不一样同时低速知识点四　广义相对论点滴1.爱因斯坦在广义相对性原理和 的基础上建立了广义相对论。2.目前,广义相对论已被包括如下列举的大量实验所支持。(1)引力作用使光波发生频移,从引力势能低处发出的光波在引力势能高处接收到时其频率变低,发生“红移”。(2)爱因斯坦用新建立的引力场方程计算 绕太阳运动的轨道的结果与实际观测符合得很好。(3)当两个天体相互绕转时,会向外界辐射出 。引力波的发现证实了广义相对论。等效原理水星引力波知识点五　宇宙的起源和演化1.宇宙大爆炸假说:宇宙起始于一次 ,那时它的温度极高,密度极大,时间从此开始,空间从此扩大。2.宇宙的未来:在现阶段,宇宙总体上还是在 ,宇宙有着人类未知的发展“前途”。大爆炸加速膨胀的思考与自测1.思考判断(1)运动的时钟显示的时间变慢,高速飞行的μ子的寿命变长。(　 　)(2)沿着杆的方向,相对于观察者运动的杆的长度变短。(　 　)(3)经典力学只适用于世界上普通的物体,研究天体的运动经典力学就无能为力了。(　 　)(4)洲际导弹的速度可达到 6 000 m/s,在这种高速运动状态下,经典力学不适用。(　 　)(5)当物体的速度接近光速时,经典力学就不适用了。(　 　)(6)对于质子、电子的运动情况,经典力学同样适用。(　 　)√ √ ××√ ×2.思维探究(1)洲际导弹的飞行速度可达6 000 m/s,地球绕太阳公转的速度约是3×104 m/s,这两个速度在相对论中属于高速还是低速?答案:相对论中的高速是可以与光速相比拟的速度,6 000 m/s、3×104 m/s的速度都远远小于光速,都属于相对论中的低速。(2)“黑洞”(如图)是爱因斯坦广义相对论中预言的一种特殊天体。它的密度极大,对周围的物质(包括光)有极强的吸引力,在研究“黑洞”时,经典力学还适用吗?答案:不适用。经典力学适用于弱引力问题,而“黑洞”问题属于强引力问题,经典力学不再适用。合作探究 突破要点·提升关键要点一　牛顿力学的成就与局限性问题情境如图甲,质子束被加速到接近光速;如图乙,中子星是质量、密度非常大的星体。请思考:(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?答案:(1)不适用。可以用狭义相对论和量子力学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:(2)不适用。可以用相对论力学研究中子星的引力规律。归纳拓展1.经典力学的成就(1)经典力学体系是时代的产物,是现代机械、土木建筑、交通运输以至航空航天技术的理论基础。(2)经典力学的思想方法对艺术、政治、哲学等社会科学领域也有巨大影响。2.经典力学的局限性及适用范围(1)经典力学适用于低速运动的物体,相对论阐述物体在以接近光速运动时所遵循的规律。(2)经典力学适用于宏观世界;量子力学能够正确描述微观粒子的运动规律。3.相对论和量子力学没有否定经典力学(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)当另一个重要常量即“普朗克常量”可以忽略不计时,量子力学和经典力学的结论没有区别。(3)相对论和量子力学并没有否定经典力学,经典力学是二者在一定条件下的特殊情形。A[例1] 下列关于经典力学的说法正确的是(　 　)A.经典力学适用于宏观、低速(远小于光速)运动的物体B.经典力学适用于微观、高速(接近光速)运动的粒子C.相对论和量子力学的出现,表明经典力学已被完全否定了D.经典力学在理论和实践上取得了巨大的成功,从地面到天体的运动都服从经典力学的规律,因此任何情况下都适用解析:经典力学是狭义相对论在低速(v≪c)条件下的近似,即只要速度远小于光速,经过数学变换,狭义相对论的公式就全部变化为经典力学的公式,故A正确,B、D错误;相对论与量子力学并没有否定经典力学,经典力学是相对论和量子力学在一定条件下的特殊情形,故C错误。学习笔记如何解答牛顿力学局限性问题解答牛顿力学的局限性问题时,应在理解的基础上记忆牛顿力学的成就和适用范围,以及牛顿力学与相对论和量子力学的关系。[针对训练1] 下列说法中正确的是(　 　)A.牛顿力学适用于微观领域质子、电子的运动B.牛顿力学适用于投出的篮球、人造卫星的运动C.牛顿力学可以解决自然界中涉及的所有物理学问题D.相对论与量子力学的出现,表示牛顿力学失去了意义B解析:牛顿力学适用于宏观、低速物体的运动,即适用于投出的篮球、人造卫星的运动,不适用于微观领域质子、电子的运动,故A错误,B正确;牛顿力学不能解决自然界中微观粒子以及高速运动的问题,故C错误;相对论与量子力学并不否定牛顿力学,牛顿力学是相对论在低速(即物体的速度远远小于光速)条件下的近似,故D错误。要点二　对相对论时空观的理解问题情境(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属于低速还是高速?答案:(1)地球公转速度在狭义相对论中属于低速,被加速器加速后的电子的速度属于高速。(2)在地面上校准的两个钟,一个留在地面上,一个随宇宙飞船遨游太空,隔一段时间飞船返回地面时,两个钟显示的时间相同吗?有什么差别?答案:(2)不相同。随飞船遨游的时钟变慢(显示的时间少)。1.低速与高速(1)低速:通常所见物体的运动,如行驶的汽车、发射的导弹、人造地球卫星及宇宙飞船等物体皆为低速运动物体。(2)高速:有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近,这样的速度称为高速。2.相对论的两个现象归纳拓展3.对于低速运动的物体,相对论效应可以忽略不计,一般用经典力学规律来处理;对于高速运动问题,经典力学不再适用,需要用相对论知识来处理。[例2] 一高速列车通过洞口为圆形的隧道,列车上的司机对隧道的观察结果为(　 　)A.洞口为椭圆形,长度变短B.洞口为圆形,长度不变C.洞口为椭圆形,长度不变D.洞口为圆形,长度变短D解析:根据“尺缩效应”,在尺子长度方向上运动的尺子比静止的尺子短。所以高速列车通过洞口为圆形的隧道时,列车上的司机仍然会观察到圆形的洞口,但是观察到的隧道的长度变短,故选D。学习笔记应用相对论“效应”解题的一般步骤首先,通过审题确定研究对象及研究对象的运动速度。其次,明确求解的问题,即明确是求解静止参考系中的观察结果,还是运动参考系中的观察结果。最后,应用长度收缩效应公式或时间延缓效应公式进行计算。[针对训练2] 如图所示,a、b、c为三个完全相同的时钟,a放在水平地面上,b、c分别放在以速度vb、vc向同一方向飞行的两枚火箭上,且vb