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1、经典力学的局限性与相对论初步1.牛顿经典力学的成就2.相对论时空观3.宇宙起源和演化教学导入 设想人类可以利用飞船以 0.2c 的速度 进行星际航行。若飞船向正前方的某一星 球发射一束激光，该星球上的观察者测量 到的激光的速度是多少？问题启发 引入主题 问题的答案似乎应为 1.2c，然而，事实并非如此！因为经典力学不再适用。经典力学只适用于解决低速运动问题，不能用来处理高速运动问题，要解决这一问题就需要用到相对论时空观。知识点一：牛顿力学的成就局限性大到天体运动，小到生活中各种各样的运动，都符合牛顿经典力学，牛顿经典力学覆盖着极广大的范围。牛顿力学的局限性和适用范围天体物体多样性低速宏观弱引力
2、场牛顿力学时空观时间就是表示一个变化的过程。1.河水、树木，这些是事件还是事物？2.河水在流动，树木在生长呢？时间和空间事物事件绝对时空观：1.如果没有了时间，水还流动吗，树木还在生长吗？2.要是没有空间树木往哪里长，水往哪里流呢？时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的。事物和事件知识点二：绝对时空观知识点三：相对论时空观物理学上的里程碑牛顿力学时空观（绝对时空观）时间和空间独立于物体及其运动相对论时空观：时间和空间被联系在一起，它们互相联系又互相制约，物质的运动对时间和空间有一定的影响牛顿主要贡献牛顿伽利略、第谷哥白尼、亚里士多德笛卡尔、胡克、哈雷等经典力学金字塔的建立开普勒牛顿所说：“如
3、果说我看得远，那是因为我站在巨人们的肩上。”经典力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律更确立了牛顿的地位，牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的广阔领域，经受实践检验。麦克斯韦建立了电磁场理论电磁波的传播速度等于光速 c 这个速度是相对哪个参考系而言的？迈克耳孙一莫雷实验 在不同的参考系中，光的传播速度都是一样的！这与牛顿力学中不同参考系之问的速度变换关系不符。1、在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的；爱因斯坦两个基本假设：2、真空中的光速在不同的惯性参号系中大小都是相同的。光速不变原理例如：假设一列火车沿平直轨道飞快地匀速行驶。车厢中央的光源发出了一个闪光，闪光照到了车厢
4、的前壁和后壁。（1）车上的观察者以车厢为参考系，闪光到达前后两壁的时间相同吗？甲 参考答案：（1）如图甲所示：因为车厢是个惯性系，闪光向前、后传播的速率相同，光源又在车厢的中央，闪光当然会同时到达前后两壁。（2）车下的观察者来说，以地面为参考系，闪光到达前后两壁的时间相同吗？在闪光飞向两壁的过程中，车厢向前行进了一段距离，所以向前的光传播的路程长些即：闪光先到达后壁，后到达前壁因此，这两个事件不是同时发生的。乙根据爱因斯坦的假设：真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的，所以他以地面为参考系，闪光向前、后传播的速率对地面也是相同的。钟 慢 尺 缩 如果相对地面以v运动的某惯性参考系上的人
5、，观察与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为t0，地面上的人观察该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为t，两者之间的关系为：时间不再是绝对的，而是相对的钟慢效应。如果有一根杆，与杆相对静止的人测得杆长是l0，沿着杆的方向，以速度v相对杆运动的人测得杆长是l，那么l0与l两者之间的关系是：空间不再是绝对的，而是相对的尺缩效应。由上面两个式子可以知道，运动物体的长度（空间距离）和物理过程的快慢（时间进程）都跟物体运动状态有关。这个结论具有革命性的意义，它反映的时空观称作相对论时空观相对论时空观。钟 慢 尺 缩相对论时空观的验证 相对论时空观的第一次宏观验证是在 1971 年进行的。当时在地面
6、上将四只铯原子钟调整同步，然后把它们分别放在两架喷气式飞机上做环球飞行，一架向东飞，另一架 向西飞。两架飞机各绕地球飞行一周后回到地面，与留在地面上的铯原子钟进行比较。实验结果与相对论的理论预言符合得很好。动钟变慢按照狭义相对论而言，物体运动时质量会随着物体运动速度增大而增加(质速关系)，同时，空间和时间也会随着物体运动速度的变化而变化，即会发生尺缩效应和钟慢效应。1、狭义相对论质速关系:m=_m01-m0是物体静止时的质量，m是物体速度为 v时的质量，c是真空中的光速.知识点四：狭义相对论2、从弱引力到强引力按牛顿的万有引力定律推算，行星应该沿着一些椭圆做周期性运动，而天文观测表明，行星的轨
7、道并不是严格闭合的，它们的近日点在不断地旋进，如水星的运动，由经典力学与行星轨道的矛盾说明了什么？参考答案：经典力学只适用于弱引力场，而不适用于强引力场.1、（多选）下列说法正确的是（）A.不论是宏观物体，还是微观粒子，经典力学和量子力学都是适用的B.当物体运动速度很大（接近于光速）时，经典力学理论所得的结果与实际结果之间出现了较大的偏差C.在经典力学中，物体的质量是不变的，在狭义相对论中，物体的质量随物体速度增大而减小D.牛顿的引力理论不能用于中子星表面BD当堂检测2.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
8、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A当堂检测3.在物理学的发展过程中，许多物理学家都做出了重大贡献，他们也创造出了许多物理学研究方法，下列关于物理学史和物理学方法的叙述中正确的是（）A牛顿发现了万有引力定律，他被称为“称量地球质量”第一人B卡文迪许为了检验万有引力定律的正确性，首次进行了“月-地检验”C经典力学理论是普遍适用得，大到天体，小到微观粒子均适用D开普勒行星运动定律是开普勒在第谷留下的观测记录的基础上整理和研究出来的D当堂检测4.下列说法正确的是（）A.以牛
9、顿运动定律为基础的经典力学没有存在的价值B.物理学的发展，使人们认识到经典力学有它的适用范围C.相对论和量子力学的出现是对经典力学的否定D.经典力学对处理高速运动的微观物体具有相当高的正确性【答案】B【解析】经典力学适用于宏观低速物体，不能适用于微观高速物体；相对论和量子力学更加深入地研究运动规律，但并没有否认经典力学的意义。相对论和量子力学的推出并不意味着经典力学的全盘否定，只是它应在一定条件下使用。【解答】ABC牛顿运动定律能够解决宏观物体的低速运动问题，在生产、生活及科技方面起着重要作用；解决问题时虽然有一定误差，但误差极其微小，可以忽略不计；故经典力学仍可在一定范围内适用。虽然相对论和
10、量子力学更加深入科学地认识自然规律，它是科学的进步，但并不表示对经典力学的否定，故B正确，AC错误；D.经典力学不能用于处理高速运行的物体，故D错误。故选B。5.美国科学家2016年2月11日宣布，他们探测到引力波的存在引力波是实验验证爱因斯坦相对论的最后一块缺失的“拼图”，相对论在一定范围内弥补了经典力学的局限性关于经典力学，下列说法正确的是（）A.经典力学完全适用于宏观低速运动B.经典力学取得了巨大成就，是普遍适用的C.随着物理学的发展，经典力学将逐渐成为过时的理论D.由于相对论、量子论的提出，经典力学已经失去了它的应用价值【答案】A【解析】经典力学的适用范围是宏观、低速情形，高速情形要用
11、相对论，微观粒子运动要用量子力学明确经典力学具有一定的局限性，但并不是完全没有了使用价值【解答】A、经典力学完全适用于宏观低速运动的物体，故A正确；B、经典力学取得了巨大的成就，但它也具有一定的局限性，并不是普遍适用的，故B错误C、相对论与量子力学都没有否定过去的科学，而只认为过去的科学是自己在一定条件下的特殊情形；故CD错误；故选A。6.关于相对论时空观与牛顿力学的局限性，下列说法中正确的是（）A相对论和量子力学更加深入地研究运动规律，彻底否认了经典力学B相对论认为真空中的光速在不同的惯性参考系中是不同的C牛顿定律不适用于研究中国空间站天和核心舱的高速发射D经典力学是相对论及量子力学在一定条件下的特例【答案】D【解析】A相对论和量子力学并没有否定经典力学，认为经典力学是在一定条件下的特殊情形，故A错误；B根据狭义相对论的光速不变原理，真空中光速在不同的惯性参考系中是相同的，故B错误；C牛顿定律属于经典力学的研究范畴，适用于宏观、低速运动的物体，低速和高速的标准是相对于光速，可判定牛顿定律适用于研究中国空间站天和核心舱的高速发射，故C错误；D经典力学是相对论及量子力学在一定条件下的特例，它包含于相对论和量子力学中，故D正确。故选D。