物理第一节 牛顿力学的成就与局限性导学案

第一节 牛顿力学的成就与局限性 第二节 相对论时空观 第三节 宇宙起源和演化

学习目标：1.[物理观念]了解牛顿力学的局限性和适用范围。　2.[物理观念]了解狭义相对论的基本假设。　3.[物理观念]了解近现代宇宙模型。

一、牛顿力学的成就与局限性

1．绝对时空观

(1)惯性参考系：牛顿运动定律成立的参考系。

(2)非惯性参考系：牛顿运动定律不成立的参考系。

(3)伽利略相对性原理：在所有的惯性参考系中，力学规律都具有相同的形式。

(4)绝对时空观：绝对的、真实的和数学的时间，由其特性决定自身均匀地流逝着，而与一切外界事物无关，绝对空间的自身特性与任何外界事物无关，它处处均匀，永不移动。

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统一起来，从力学上证明了自然界多样性的统一，实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合。

3．牛顿力学的局限性和适用范围

牛顿力学只适用于低速(远小于光速)、宏观(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的情况。

二、相对论时空观

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，一切物理规律都是相同的。

(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相同。

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不同时的。

(2)时间延缓：

①公式：Δt′＝Δt，因为＜1，所以总有Δt＞Δt′。

②意义：在站台上将观测到火车上的时间进程变慢了，而在运动参考系里的人认为一切正常，这就是时间间隔的相对性，也称为“时间延缓”。

(3)长度收缩

①公式：l′＝l，由于＜1，所以总有l′＜l。

②意义：物体相对于观察者运动时，在运动的方向上，观测者测量到该物体的长度要缩短，而垂直于运动方向的长度不会发生变化，这就是空间距离的相对性，也称为“长度收缩”。

3．时空弯曲：根据广义相对论，物体的引力场会使光线弯曲，引力场越强，光线弯曲越厉害。

三、宇宙起源和演化

1．古代宇宙模型：主要有“地心说”和“日心说”。

2．近现代宇宙模型

(1)爱因斯坦的第一宇宙模型：由弯曲空间构成，没有边界、没有中心，但在整体上是有限的、静态的宇宙。

(2)大爆炸理论是目前描述宇宙起源和演化最好的理论。

1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)在经典力学中，时间、长度和质量与运动没有关系。 (√)

(2)相对论，完全否定了经典力学的理论。 (×)

(3)时钟延缓效应是低速的时钟比高速的时钟走的慢。 (×)

(4)汽车运动时没发现长度变化，故狭义相对论是错误的。 (×)

2．(多选)20世纪以来，人们发现了一些新的事实，而经典力学却无法解释。经典力学只适用于解决物体的低速运动问题，不能用来处理高速运动问题；只适用于宏观物体，一般不适用于微观粒子。这说明(　　)

A．随着认识的发展，经典力学已成了过时的理论

B．人们对客观事物的具体认识，在广度上是有局限性的

C．经典力学与相对论是相互矛盾的一对理论

D．人们应当不断地扩展认识，在更广阔的领域内掌握不同事物的本质与规律

BD　[人们对客观世界的认识，要受到所处的时代的客观条件和科学水平的制约，所以形成的看法也都具有一定的局限性，人们只有不断地扩展自己的认识，才能掌握更广阔领域内的不同事物的本质与规律；新的科学的诞生，并不意味着对原来科学的全盘否定，只能认为过去的科学是新的科学在一定条件下的特殊情形。所以A、C错，B、D对。]

3.如图所示，沿平直铁路线有间距相等的三座铁塔A、B和C。假想有一列车沿AC方向以接近光速行驶，当铁塔B发出一个闪光，列车上的观察者测得A、C两铁塔被照亮的顺序是(　　)

A．同时被照亮　　 B．A先被照亮

C．C先被照亮 D．无法判断

C　[列车上的观察者看到的是由B发出后经过A和C反射的光，由于列车在这段时间内向C运动，靠近C而远离A，所以C的反射光先到达列车上的观察者，观察者看到C先被照亮，故只有C正确。]

1.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

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

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。]

1.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＝，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′＝l，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4.3×1016 m。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＝＝2.87×108 s。

(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′＝Δt＝1.28×107 s。

[答案]　(1)2.87×108 s　(2)1.28×107 s

时间延缓效应和长度收缩效应的应用方法

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′＝l，其中c为真空中的光速。

(3)将v＝代入长度收缩效应公式得l′＝l。

[答案]　(1)l　(2)l　(3)l

1．(多选)关于牛顿力学的伟大成就，下列论述正确的是(　　)

A．牛顿力学第一次实现了对自然界认识的理论大综合

B．牛顿力学第一次预言了宇宙中黑洞的存在

C．牛顿力学第一次向人们展示了时间的相对性

D．人们借助于牛顿力学中的研究方法，建立了完整的经典物理学体系

AD　[牛顿力学把天上物体和地面上物体的运动统一了起来，第一次实现了人类对自然界认识的理论大综合。在研究方法上，人们把牛顿力学中行之有效的实验与数学相结合的方法推广到物理学的各个分支上，相继建立了热学、声学、光学、电磁学等，形成了完整的经典物理学体系。综上所述，应选AD。]

2．(多选)下列说法中哪些属于经典时空观的观点(　　)

A．世界的过去、现在和将来都只有量的变化，而不会发生质的变化

B．时间和空间不依赖人们的意识而存在

C．时间和空间是绝对的

D．时间和空间是紧密联系、不可分割的

ABC　[经典时空观认为时间和空间都是与外界事物无关的、绝对的，选项A、B、C属于经典时空观；选项D属于相对论时空观。]

3．如图所示，强强乘坐速度为0.9c(c为光速)的宇宙飞船追赶正前方的壮壮，壮壮的飞行速度为0.5c，强强向壮壮发出一束光进行联络，则壮壮观测到该光束的传播速度为(　　)

A．0.4c　　　　 B．0.5c

C．0.9c D．c

D　[由狭义相对论的光速不变原理知，真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，可知D正确，A、B、C错误。]

4．惯性系S中有一边长为l的正方形，从相对S系沿x方向以接近光速匀速飞行的飞行器上测得该正方形的图像是(　　)

A　　　　　B　　　　 C　　　　D

C　[根据相对论的尺缩效应，可知沿速度方向(即x方向)的长度变短了，而垂直于速度方向(即y方向)的长度不变，故C正确。]

5．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？

[解析]　当火箭速度较低时，火箭上的人看到铁路的长度基本不变，还是100 km。

当火箭的速度达到0.6c时，由相对论长度公式l＝l0＝

代入相应的数据得：

l＝100×km＝80 km。

[答案]　100 km　80 km