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粤教版 (2019)必修 第二册第一节 牛顿力学的成就与局限性教课内容课件ppt
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这是一份粤教版 (2019)必修 第二册第一节 牛顿力学的成就与局限性教课内容课件ppt，共47页。
必备知识·自主预习储备
知识点一 牛顿力学的成就与局限性1．绝对时空观(1)惯性参考系在牛顿力学体系中，如果______________在某个参考系中成立，这个参考系就被称为惯性参考系。(2)非惯性参考系______________不成立的参考系则称为非惯性参考系。
(3)伽利略相对性原理在所有的惯性参考系中，力学规律都具有____________，这一结论被称为伽利略相对性原理。
2．牛顿力学的成就牛顿力学把宇宙中的天体和地面上的物体的运动__________，从力学上证明了自然界多样性的______，实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合。首次告诉人们一切自然科学理论应有的基本特征，且可以定量地______和界定。
3．牛顿力学的局限性和适用范围(1)牛顿力学的局限性①首先，牛顿力学的应用受到物体运动__________的限制。②其次，牛顿运动定律不适用于______领域物质结构和能量________的现象。③再者，牛顿运动定律和万有引力定律对于受到________作用的物体的运动也不适用。
(2)牛顿力学的适用范围牛顿力学只适用于______(远小于光速)、______(人类可感知尺度)、弱引力场(如地球附近)和计量精度要求不高(如全球定位系统需要用相对论进行修正)情况。提醒 所有相对于惯性参考系静止或做匀速直线运动的参考系都是惯性参考系。
体验1：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)牛顿力学一般不适用于微观粒子。( )(2)对于宏观物体的低速运动问题，相对论、量子力学与牛顿力学是一致的。( )
知识点二 相对论时空观及宇宙起源和演化1．狭义相对论的基本假设(1)相对性原理：在所有的惯性参考系中，一切物理规律都是________。(2)光速不变原理：在所有的惯性参考系中，测得的真空中的光速都______。
2．时空相对性(1)同时性的相对性在一个惯性参考系中同时发生的两个事件，在另一个惯性参考系看来是________的，这被称为同时性的相对性。(2)“时间______”，指__________的相对性，也称为“时间膨胀”或“钟慢效应”。(3)“长度收缩”，指__________的相对性，也称为“尺缩效应”。
3．时空弯曲(1)根据广义相对论，物体的引力场会使__________，引力场越强，__________越厉害。(2)广义相对论还告诉我们，引力场的存在使得空间不同位置的时间进程也存在差别，也可以说时间发生了______。
4．宇宙起源和演化(1)古代宇宙模型(2)近现代宇宙模型宇宙正在______。(3)宇宙学的新发展说明：物质决定时空的弯曲，时空决定物质的运动。
体验2：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)一根杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同，这是牛顿物理学家的观点。 ( )(2)一根杆的长度静止时为l0，不管杆如何运动，杆的长度均小于l0。( )(3)“动钟变慢”是时钟的精度因运动而发生了变化。( )
关键能力·情境探究达成
考点1 牛顿力学的局限性
考点2 相对论时空观的理解
1．粒子对撞机可以把质子加速到接近于光速，如图所示。牛顿力学是否适用于质子的运动规律？如何研究质子的运动规律？提示：不适用。牛顿力学只适用于宏观低速运动，描述微观高速粒子的运动要用到量子力学。
2．如图所示，静止在地球上的人测得地月之间的距离为l0，坐在从地球高速飞往月球的飞船里的航天员测得地月之间的距离仍为l0吗？提示：不是，航天员测得的地月之间的距离小于l0。
考点1 牛顿力学的局限性牛顿力学与相对论、量子力学的比较(1)区别①牛顿力学适用于低速运动的物体；相对论是爱因斯坦假设阐述物体在以接近光速运动时所遵循的规律。②牛顿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。
(2)联系①当物体的运动速度远小于光速时，相对论物理学与牛顿力学的结论没有区别。②当另一个重要常量即“普朗克常量”可以忽略不计时，量子力学和牛顿力学的结论没有区别。③相对论和量子力学并没有否定牛顿力学，牛顿力学是二者在一定条件下的特殊情形。
【典例1】 关于牛顿力学、爱因斯坦假设和量子力学，下列说法中正确的是( )A．爱因斯坦假设和牛顿力学是相互对立、互不相容的两种理论B．牛顿力学包含于相对论之中，牛顿力学是相对论的特例C．牛顿力学只适用于宏观物体的运动，量子力学只适用于微观粒子的运动D．不论是宏观物体，还是微观粒子，牛顿力学和量子力学都是适用的
B [相对论没有否定牛顿力学，牛顿力学是相对论在一定条件下的特殊情形，选项A错误，B正确；牛顿力学适用于宏观、低速、弱引力的领域，选项C、D错误。]
[跟进训练]1．关于牛顿力学的适用范围和局限性，下列说法正确的是( )A．牛顿力学过时了，应该被量子力学所取代B．由于超音速飞机的速度太大，其运动不能用牛顿力学来解释C．人造卫星的运动不适合用牛顿力学来描述D．当物体的速度接近光速时，其运动规律不适合用牛顿力学来描述
D [牛顿力学没有过时，在低速宏观问题中仍然适用，故A错误；超音速飞机的速度远低于光速，其运动能用牛顿力学来解释，故B错误；人造卫星的运动速度远低于光速，适合用牛顿力学来描述，故C错误；当物体的速度接近光速时，其运动规律不适合用牛顿力学来描述，故D正确。]
考点2 相对论时空观的理解1．狭义相对论的两个假设1905年，爱因斯坦提出了两条基本假设(狭义相对论的基础)。(1)相对性原理物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式。(2)光速不变原理在一切惯性参考系中，测得的真空中的光速c都相同。
理解：①对同一物理过程经历的时间，在不同的惯性系中观测，测得的结果不同，时间延缓效应是一种观测效应，不是被测过程的节奏变化了。②惯性系速度越大，地面上的人观测到的时间越长。③由于运动是相对的，故在某一参考系中观测另一参考系中发生的物理事件，总会感到时间延缓效应。即惯性系中的人观测地面上发生的事件的时间也延缓。
角度1 时间延缓效应【典例2】 已知μ子低速运动时的平均寿命是3.0 μs。当μ子以0.99c的速度飞行。(1)若选择μ子为参考系，此时μ子的平均寿命是多少？(2)对于地面上的观测者来说，平均寿命又是多少？[解析] (1)相对于光速而言，低速运动即可近似认为速度为0，即若选择与μ子一起运动的某一物体为参考系，此时μ子的平均寿命是3.0 μs。
[答案] (1)3.0 μs (2)21.3 μs
角度2 长度收缩效应【典例3】 一枚静止时长20 m的火箭以3 km/s的速度从观察者的身边掠过，观察者测得火箭的长度应为多少？火箭上的人测得火箭的长度应为多少？如果火箭的速度为光速的一半呢？
[答案] 20 m 20 m 17.32 m
规律方法 应用相对论的两个效应分析问题的注意点(1)时间延缓效应是一种观测效应，不是时钟走快了或走慢了，也不是被观测过程的节奏变化了。(2)长度收缩效应也是一种观测效应，并不是物体本身发生了收缩，另外在垂直于运动方向上不发生长度收缩效应。(3)在两个惯性参考系中的观测者(相对高速运动)都会发现对方存在时间延缓效应和长度收缩效应。
[跟进训练]2．(角度1)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
3．(角度2)地面上长100 km的铁路上空有一火箭沿铁路方向以30 km/s的速度掠过，则火箭上的人看到铁路的长度应该为多少？如果火箭的速度达到0.6c，则火箭上的人看到的铁路的长度又是多少？
[答案] 100 km 80 km
学习效果·随堂评估自测
1．对于时空观的认识，下列说法正确的是( )A．相对论给出了物体在低速运动时所遵循的规律B．相对论具有普遍性，牛顿力学为它在低速运动时的特例C．相对论的出现使牛顿力学在自己的适用范围内不再继续发挥作用D．牛顿力学建立在实验的基础上，它的结论又受到无数次实验的检验，因此在任何情况下都适用
B [相对论给出了物体在高速运动时所遵循的规律，牛顿力学为它在低速运动时的特例，在自己的适用范围内还将继续发挥作用。牛顿力学有简捷的优势。因此A、C、D错误，B正确。]
2．(多选)用相对论的观点判断下列说法正确的是( )A．时间和空间都是绝对的，在任何参考系中一个事件发生的时间和一个物体的长度都不会改变B．在地面上的人看来，以10 km/s的速度运动的飞船中的时钟会变快，但飞船中的航天员却认为时钟是准确的C．在地面上的人看来，以10 km/s的速度垂直地面向上运动的飞船在运动方向上会变短，而飞船中的航天员却感觉地面上的人看起来比飞船中的人扁一些D．当物体运动的速度v远小于c时，长度收缩效应和时间延缓效应都可以忽略不计
3．如图所示，竖直墙上挂着一面时钟，地面上的静止的观察者A观察到钟的面积为S，另一观察者B以0.8c的速度沿平行于y轴方向运动，观察到钟的面积为S′。则S和S′的大小关系是( )
A．S＞S′ B．S＝S′C．S＜S′D．无法判断
A [观察者B以0.8倍光速沿平行于y轴方向运动，根据狭义相对论的长度收缩效应可知，B观察到的钟沿y轴方向的直径将减小，而沿z轴方向的直径不变，钟的面积比地面上静止的观察者观察到的面积要小，即S＞S′，故A正确。]
4．(新情境题，以星际航行为背景，考查时间延缓效应)星际航行是行星际航行和恒星际航行的统称，行星际航行是指太阳系内的航行，恒星际航行是指太阳系外的恒星际空间的飞行。不载人行星际航行已经实现，而恒星际航行尚处于探索阶段。
探究：半人马星座α星是离太阳系最近的恒星，它距地球为4.3×1016 m，设有一宇宙飞船自地球往返于半人马星座α星之间，若宇宙飞船的速度为 0.999c，按地球上的时钟计算，飞船往返一次需多长时间？如以飞船上的时钟计算，往返一次的时间又为多长？
[答案] 9年 0.4年
回归本节知识，自我完成以下问题：1．爱因斯坦两个假设的内容是什么？提示：(1)在所有的惯性参考系中，一切物理规律的都是相同的。(2)真空中的光速在所有的惯性参考系中大小都是相同的。
2．狭义相对论的两个效应是什么？
阅读材料·拓展物理视野
时间和空间是什么？物体运动时它的空间位置在随时间变化，因而要描述物体的运动，就应该对空间(space)和时间(time)有一些认识。通过生活经验我们体会到，所谓空间就像一个广阔无边又硕大无朋的房间，它是容纳一切物体的“容器”。它给物体提供一个运动的“舞台”，但并不干扰物体的“演出”。也就是说，空间是独立于物体及其运动而存在的。
通过生活经验我们还能体会到，时间像一条看不见的“长河”，均匀地自行流逝着，它计量着物体运动的持续性，而任何物体都影响不了它。也就是说，时间也是独立于物体及其运动而存在的。令人高兴的是，我们这种认识与物理学的伟大奠基者牛顿的看法是一致的。人们对时空的这种认识称为牛顿时空观，也叫经典时空观。牛顿时空观与我们的经验是那样地吻合，以至于我们会情不自禁地想，时间和空间的概念太浅显了，牛顿时空观是天经地义的，而“时空究竟是什么”似乎是一个多余而又天真的问题！
必备知识·自主预习储备
知识点一 牛顿力学的成就与局限性1．绝对时空观(1)惯性参考系在牛顿力学体系中，如果______________在某个参考系中成立，这个参考系就被称为惯性参考系。(2)非惯性参考系______________不成立的参考系则称为非惯性参考系。
(3)伽利略相对性原理在所有的惯性参考系中，力学规律都具有____________，这一结论被称为伽利略相对性原理。
2．牛顿力学的成就牛顿力学把宇宙中的天体和地面上的物体的运动__________，从力学上证明了自然界多样性的______，实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合。首次告诉人们一切自然科学理论应有的基本特征，且可以定量地______和界定。
3．牛顿力学的局限性和适用范围(1)牛顿力学的局限性①首先，牛顿力学的应用受到物体运动__________的限制。②其次，牛顿运动定律不适用于______领域物质结构和能量________的现象。③再者，牛顿运动定律和万有引力定律对于受到________作用的物体的运动也不适用。
(2)牛顿力学的适用范围牛顿力学只适用于______(远小于光速)、______(人类可感知尺度)、弱引力场(如地球附近)和计量精度要求不高(如全球定位系统需要用相对论进行修正)情况。提醒 所有相对于惯性参考系静止或做匀速直线运动的参考系都是惯性参考系。
体验1：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)牛顿力学一般不适用于微观粒子。( )(2)对于宏观物体的低速运动问题，相对论、量子力学与牛顿力学是一致的。( )
知识点二 相对论时空观及宇宙起源和演化1．狭义相对论的基本假设(1)相对性原理：在所有的惯性参考系中，一切物理规律都是________。(2)光速不变原理：在所有的惯性参考系中，测得的真空中的光速都______。
2．时空相对性(1)同时性的相对性在一个惯性参考系中同时发生的两个事件，在另一个惯性参考系看来是________的，这被称为同时性的相对性。(2)“时间______”，指__________的相对性，也称为“时间膨胀”或“钟慢效应”。(3)“长度收缩”，指__________的相对性，也称为“尺缩效应”。
3．时空弯曲(1)根据广义相对论，物体的引力场会使__________，引力场越强，__________越厉害。(2)广义相对论还告诉我们，引力场的存在使得空间不同位置的时间进程也存在差别，也可以说时间发生了______。
4．宇宙起源和演化(1)古代宇宙模型(2)近现代宇宙模型宇宙正在______。(3)宇宙学的新发展说明：物质决定时空的弯曲，时空决定物质的运动。
体验2：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)一根杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同，这是牛顿物理学家的观点。 ( )(2)一根杆的长度静止时为l0，不管杆如何运动，杆的长度均小于l0。( )(3)“动钟变慢”是时钟的精度因运动而发生了变化。( )
关键能力·情境探究达成
考点1 牛顿力学的局限性
考点2 相对论时空观的理解
1．粒子对撞机可以把质子加速到接近于光速，如图所示。牛顿力学是否适用于质子的运动规律？如何研究质子的运动规律？提示：不适用。牛顿力学只适用于宏观低速运动，描述微观高速粒子的运动要用到量子力学。
2．如图所示，静止在地球上的人测得地月之间的距离为l0，坐在从地球高速飞往月球的飞船里的航天员测得地月之间的距离仍为l0吗？提示：不是，航天员测得的地月之间的距离小于l0。
考点1 牛顿力学的局限性牛顿力学与相对论、量子力学的比较(1)区别①牛顿力学适用于低速运动的物体；相对论是爱因斯坦假设阐述物体在以接近光速运动时所遵循的规律。②牛顿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。
(2)联系①当物体的运动速度远小于光速时，相对论物理学与牛顿力学的结论没有区别。②当另一个重要常量即“普朗克常量”可以忽略不计时，量子力学和牛顿力学的结论没有区别。③相对论和量子力学并没有否定牛顿力学，牛顿力学是二者在一定条件下的特殊情形。
【典例1】 关于牛顿力学、爱因斯坦假设和量子力学，下列说法中正确的是( )A．爱因斯坦假设和牛顿力学是相互对立、互不相容的两种理论B．牛顿力学包含于相对论之中，牛顿力学是相对论的特例C．牛顿力学只适用于宏观物体的运动，量子力学只适用于微观粒子的运动D．不论是宏观物体，还是微观粒子，牛顿力学和量子力学都是适用的
B [相对论没有否定牛顿力学，牛顿力学是相对论在一定条件下的特殊情形，选项A错误，B正确；牛顿力学适用于宏观、低速、弱引力的领域，选项C、D错误。]
[跟进训练]1．关于牛顿力学的适用范围和局限性，下列说法正确的是( )A．牛顿力学过时了，应该被量子力学所取代B．由于超音速飞机的速度太大，其运动不能用牛顿力学来解释C．人造卫星的运动不适合用牛顿力学来描述D．当物体的速度接近光速时，其运动规律不适合用牛顿力学来描述
D [牛顿力学没有过时，在低速宏观问题中仍然适用，故A错误；超音速飞机的速度远低于光速，其运动能用牛顿力学来解释，故B错误；人造卫星的运动速度远低于光速，适合用牛顿力学来描述，故C错误；当物体的速度接近光速时，其运动规律不适合用牛顿力学来描述，故D正确。]
考点2 相对论时空观的理解1．狭义相对论的两个假设1905年，爱因斯坦提出了两条基本假设(狭义相对论的基础)。(1)相对性原理物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式。(2)光速不变原理在一切惯性参考系中，测得的真空中的光速c都相同。
理解：①对同一物理过程经历的时间，在不同的惯性系中观测，测得的结果不同，时间延缓效应是一种观测效应，不是被测过程的节奏变化了。②惯性系速度越大，地面上的人观测到的时间越长。③由于运动是相对的，故在某一参考系中观测另一参考系中发生的物理事件，总会感到时间延缓效应。即惯性系中的人观测地面上发生的事件的时间也延缓。
角度1 时间延缓效应【典例2】 已知μ子低速运动时的平均寿命是3.0 μs。当μ子以0.99c的速度飞行。(1)若选择μ子为参考系，此时μ子的平均寿命是多少？(2)对于地面上的观测者来说，平均寿命又是多少？[解析] (1)相对于光速而言，低速运动即可近似认为速度为0，即若选择与μ子一起运动的某一物体为参考系，此时μ子的平均寿命是3.0 μs。
[答案] (1)3.0 μs (2)21.3 μs
角度2 长度收缩效应【典例3】 一枚静止时长20 m的火箭以3 km/s的速度从观察者的身边掠过，观察者测得火箭的长度应为多少？火箭上的人测得火箭的长度应为多少？如果火箭的速度为光速的一半呢？
[答案] 20 m 20 m 17.32 m
规律方法 应用相对论的两个效应分析问题的注意点(1)时间延缓效应是一种观测效应，不是时钟走快了或走慢了，也不是被观测过程的节奏变化了。(2)长度收缩效应也是一种观测效应，并不是物体本身发生了收缩，另外在垂直于运动方向上不发生长度收缩效应。(3)在两个惯性参考系中的观测者(相对高速运动)都会发现对方存在时间延缓效应和长度收缩效应。
[跟进训练]2．(角度1)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
3．(角度2)地面上长100 km的铁路上空有一火箭沿铁路方向以30 km/s的速度掠过，则火箭上的人看到铁路的长度应该为多少？如果火箭的速度达到0.6c，则火箭上的人看到的铁路的长度又是多少？
[答案] 100 km 80 km
学习效果·随堂评估自测
1．对于时空观的认识，下列说法正确的是( )A．相对论给出了物体在低速运动时所遵循的规律B．相对论具有普遍性，牛顿力学为它在低速运动时的特例C．相对论的出现使牛顿力学在自己的适用范围内不再继续发挥作用D．牛顿力学建立在实验的基础上，它的结论又受到无数次实验的检验，因此在任何情况下都适用
B [相对论给出了物体在高速运动时所遵循的规律，牛顿力学为它在低速运动时的特例，在自己的适用范围内还将继续发挥作用。牛顿力学有简捷的优势。因此A、C、D错误，B正确。]
2．(多选)用相对论的观点判断下列说法正确的是( )A．时间和空间都是绝对的，在任何参考系中一个事件发生的时间和一个物体的长度都不会改变B．在地面上的人看来，以10 km/s的速度运动的飞船中的时钟会变快，但飞船中的航天员却认为时钟是准确的C．在地面上的人看来，以10 km/s的速度垂直地面向上运动的飞船在运动方向上会变短，而飞船中的航天员却感觉地面上的人看起来比飞船中的人扁一些D．当物体运动的速度v远小于c时，长度收缩效应和时间延缓效应都可以忽略不计
3．如图所示，竖直墙上挂着一面时钟，地面上的静止的观察者A观察到钟的面积为S，另一观察者B以0.8c的速度沿平行于y轴方向运动，观察到钟的面积为S′。则S和S′的大小关系是( )
A．S＞S′ B．S＝S′C．S＜S′D．无法判断
A [观察者B以0.8倍光速沿平行于y轴方向运动，根据狭义相对论的长度收缩效应可知，B观察到的钟沿y轴方向的直径将减小，而沿z轴方向的直径不变，钟的面积比地面上静止的观察者观察到的面积要小，即S＞S′，故A正确。]
4．(新情境题，以星际航行为背景，考查时间延缓效应)星际航行是行星际航行和恒星际航行的统称，行星际航行是指太阳系内的航行，恒星际航行是指太阳系外的恒星际空间的飞行。不载人行星际航行已经实现，而恒星际航行尚处于探索阶段。
探究：半人马星座α星是离太阳系最近的恒星，它距地球为4.3×1016 m，设有一宇宙飞船自地球往返于半人马星座α星之间，若宇宙飞船的速度为 0.999c，按地球上的时钟计算，飞船往返一次需多长时间？如以飞船上的时钟计算，往返一次的时间又为多长？
[答案] 9年 0.4年
回归本节知识，自我完成以下问题：1．爱因斯坦两个假设的内容是什么？提示：(1)在所有的惯性参考系中，一切物理规律的都是相同的。(2)真空中的光速在所有的惯性参考系中大小都是相同的。
2．狭义相对论的两个效应是什么？
阅读材料·拓展物理视野
时间和空间是什么？物体运动时它的空间位置在随时间变化，因而要描述物体的运动，就应该对空间(space)和时间(time)有一些认识。通过生活经验我们体会到，所谓空间就像一个广阔无边又硕大无朋的房间，它是容纳一切物体的“容器”。它给物体提供一个运动的“舞台”，但并不干扰物体的“演出”。也就是说，空间是独立于物体及其运动而存在的。
通过生活经验我们还能体会到，时间像一条看不见的“长河”，均匀地自行流逝着，它计量着物体运动的持续性，而任何物体都影响不了它。也就是说，时间也是独立于物体及其运动而存在的。令人高兴的是，我们这种认识与物理学的伟大奠基者牛顿的看法是一致的。人们对时空的这种认识称为牛顿时空观，也叫经典时空观。牛顿时空观与我们的经验是那样地吻合，以至于我们会情不自禁地想，时间和空间的概念太浅显了，牛顿时空观是天经地义的，而“时空究竟是什么”似乎是一个多余而又天真的问题！
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