教科版高中物理必修第二冊第五章經(jīng)典力學(xué)的局限性與相對論初步課時PPT課件

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第五章 經(jīng)典力學(xué)的局限性與相對論初步1　經(jīng)典力學(xué)的成就與局限性2　相對論時空觀簡介3　宇宙的起源和演化基礎(chǔ)探究合作探究實踐應(yīng)用基礎(chǔ)探究 形成概念·掌握新知知識點一　經(jīng)典力學(xué)的成就1. 在1687年出版的著作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中建立了一個完整的力學(xué)理論體系,以此為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)體系只用幾個基本的概念和原理就可以解釋行星和衛(wèi)星的軌道、 的行星運(yùn)動定律、彗星運(yùn)動、落體運(yùn)動、海洋的潮汐、汽車的運(yùn)動、足球的運(yùn)動以及宏觀世界中人們?nèi)粘？吹降姆N種運(yùn)動。情境化導(dǎo)學(xué)牛頓開普勒2.經(jīng)典力學(xué)思想方法的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了物理學(xué)與天文學(xué)的范疇。不僅化學(xué)和生物學(xué)這樣的自然科學(xué)領(lǐng)域,而且藝術(shù)、政治、哲學(xué)等社會科學(xué)領(lǐng)域也都按照經(jīng)典力學(xué)描述宇宙的普遍方式來形成自己的體系。經(jīng)典力學(xué)對社會和文化發(fā)展的影響巨大而深遠(yuǎn)。3.經(jīng)典力學(xué)促進(jìn)了技術(shù)層面的巨大創(chuàng)新,二百多年前,蒸汽機(jī)的發(fā)明和改進(jìn),推動了第一次工業(yè)革命,使人類由農(nóng)業(yè)文明走向工業(yè)文明。知識點二　經(jīng)典力學(xué)的局限性1.觀測數(shù)據(jù)表明,牛頓運(yùn)動定律和萬有引力定律,對于高速運(yùn)動的物體不適用,對受到很強(qiáng)引力作用的物體的運(yùn)動也不適用。例如在密度很大的中子星附近,經(jīng)典力學(xué)理論無法正確解釋有關(guān)的現(xiàn)象。2.在微觀領(lǐng)域,即對尺度在10-10m以內(nèi)的微觀粒子(質(zhì)子、中子、電子等)來說,它們豐富多彩的運(yùn)動充滿了不確定性和離散性,此時經(jīng)典力學(xué)也不適用。3.經(jīng)典力學(xué)只適用于 (線度>10-10 m)、 (v?c)、弱引力場(例如地球附近)的范圍。超出以上范圍,經(jīng)典力學(xué)不再適用,要由相對論、量子論等來取代。知識點三　狹義相對論1.兩個基本假設(shè)一是對不同的 ,物理規(guī)律(包括力學(xué)的和電磁學(xué)的)都是一樣的;二是光在真空中運(yùn)動的速度在任何慣性系中測得的數(shù)值都是 的。2.時間的相對性(1)狹義相對論的時間變換公式宏觀低速慣性系相同(2)這一公式表示:同樣的兩件事,在它們發(fā)生于同一地點的參考系所經(jīng)歷的時間 ;在其他參考系內(nèi)觀測,這段時間要長些。這一現(xiàn)象稱為時間的相對性,也稱為“動鐘變慢”。3.長度的相對性(1)狹義相對論的長度變換公式l= 。最短短4.相對論質(zhì)量和能量(1)狹義相對論中,物體質(zhì)量m與它所具有的能量E的關(guān)系為E= ,其中c為光在真空中的速率。mc25.相對論時空觀(1)狹義相對論的時間變換公式和長度變換公式說明,同一段時間或長度在不同的慣性系內(nèi)測得的結(jié)果是 的。這就是說,時間和空間的量度與物體的運(yùn)動有關(guān),是相對的。運(yùn)動物體的長度測量建立在必須 進(jìn)行觀測的基礎(chǔ)上,說明時間和空間的量度又是相互緊密聯(lián)系的。(2)經(jīng)典時空觀是相對論時空觀的特殊表現(xiàn)。在 范圍內(nèi),在廣泛的技術(shù)領(lǐng)域,建立在經(jīng)典時空觀的基礎(chǔ)上的牛頓運(yùn)動定律仍然成立。不變不一樣同時低速知識點四　廣義相對論點滴1.愛因斯坦在廣義相對性原理和 的基礎(chǔ)上建立了廣義相對論。2.目前,廣義相對論已被包括如下列舉的大量實驗所支持。(1)引力作用使光波發(fā)生頻移,從引力勢能低處發(fā)出的光波在引力勢能高處接收到時其頻率變低,發(fā)生“紅移”。(2)愛因斯坦用新建立的引力場方程計算 繞太陽運(yùn)動的軌道的結(jié)果與實際觀測符合得很好。(3)當(dāng)兩個天體相互繞轉(zhuǎn)時,會向外界輻射出 。引力波的發(fā)現(xiàn)證實了廣義相對論。等效原理水星引力波知識點五　宇宙的起源和演化1.宇宙大爆炸假說:宇宙起始于一次 ,那時它的溫度極高,密度極大,時間從此開始,空間從此擴(kuò)大。2.宇宙的未來:在現(xiàn)階段,宇宙總體上還是在 ,宇宙有著人類未知的發(fā)展“前途”。大爆炸加速膨脹的思考與自測1.思考判斷(1)運(yùn)動的時鐘顯示的時間變慢,高速飛行的μ子的壽命變長。(　 　)(2)沿著桿的方向,相對于觀察者運(yùn)動的桿的長度變短。(　 　)(3)經(jīng)典力學(xué)只適用于世界上普通的物體,研究天體的運(yùn)動經(jīng)典力學(xué)就無能為力了。(　 　)(4)洲際導(dǎo)彈的速度可達(dá)到 6 000 m/s,在這種高速運(yùn)動狀態(tài)下,經(jīng)典力學(xué)不適用。(　 　)(5)當(dāng)物體的速度接近光速時,經(jīng)典力學(xué)就不適用了。(　 　)(6)對于質(zhì)子、電子的運(yùn)動情況,經(jīng)典力學(xué)同樣適用。(　 　)√ √ ××√ ×2.思維探究(1)洲際導(dǎo)彈的飛行速度可達(dá)6 000 m/s,地球繞太陽公轉(zhuǎn)的速度約是3×104 m/s,這兩個速度在相對論中屬于高速還是低速?答案:相對論中的高速是可以與光速相比擬的速度,6 000 m/s、3×104 m/s的速度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光速,都屬于相對論中的低速。(2)“黑洞”(如圖)是愛因斯坦廣義相對論中預(yù)言的一種特殊天體。它的密度極大,對周圍的物質(zhì)(包括光)有極強(qiáng)的吸引力,在研究“黑洞”時,經(jīng)典力學(xué)還適用嗎?答案:不適用。經(jīng)典力學(xué)適用于弱引力問題,而“黑洞”問題屬于強(qiáng)引力問題,經(jīng)典力學(xué)不再適用。合作探究 突破要點·提升關(guān)鍵要點一　牛頓力學(xué)的成就與局限性問題情境如圖甲,質(zhì)子束被加速到接近光速;如圖乙,中子星是質(zhì)量、密度非常大的星體。請思考:(1)經(jīng)典力學(xué)是否適用于質(zhì)子束的運(yùn)動規(guī)律?如何研究質(zhì)子束的運(yùn)動規(guī)律?答案:(1)不適用?？梢杂锚M義相對論和量子力學(xué)研究質(zhì)子束的運(yùn)動規(guī)律。(2)經(jīng)典力學(xué)是否適用于中子星的引力規(guī)律?如何研究中子星的引力規(guī)律?答案:(2)不適用?？梢杂孟鄬φ摿W(xué)研究中子星的引力規(guī)律。歸納拓展1.經(jīng)典力學(xué)的成就(1)經(jīng)典力學(xué)體系是時代的產(chǎn)物,是現(xiàn)代機(jī)械、土木建筑、交通運(yùn)輸以至航空航天技術(shù)的理論基礎(chǔ)。(2)經(jīng)典力學(xué)的思想方法對藝術(shù)、政治、哲學(xué)等社會科學(xué)領(lǐng)域也有巨大影響。2.經(jīng)典力學(xué)的局限性及適用范圍(1)經(jīng)典力學(xué)適用于低速運(yùn)動的物體,相對論闡述物體在以接近光速運(yùn)動時所遵循的規(guī)律。(2)經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀世界;量子力學(xué)能夠正確描述微觀粒子的運(yùn)動規(guī)律。3.相對論和量子力學(xué)沒有否定經(jīng)典力學(xué)(1)當(dāng)物體的運(yùn)動速度遠(yuǎn)小于光速時,相對論物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別。(2)當(dāng)另一個重要常量即“普朗克常量”可以忽略不計時,量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別。(3)相對論和量子力學(xué)并沒有否定經(jīng)典力學(xué),經(jīng)典力學(xué)是二者在一定條件下的特殊情形。A[例1] 下列關(guān)于經(jīng)典力學(xué)的說法正確的是(　 　)A.經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀、低速(遠(yuǎn)小于光速)運(yùn)動的物體B.經(jīng)典力學(xué)適用于微觀、高速(接近光速)運(yùn)動的粒子C.相對論和量子力學(xué)的出現(xiàn),表明經(jīng)典力學(xué)已被完全否定了D.經(jīng)典力學(xué)在理論和實踐上取得了巨大的成功,從地面到天體的運(yùn)動都服從經(jīng)典力學(xué)的規(guī)律,因此任何情況下都適用解析:經(jīng)典力學(xué)是狹義相對論在低速(v?c)條件下的近似,即只要速度遠(yuǎn)小于光速,經(jīng)過數(shù)學(xué)變換,狹義相對論的公式就全部變化為經(jīng)典力學(xué)的公式,故A正確,B、D錯誤;相對論與量子力學(xué)并沒有否定經(jīng)典力學(xué),經(jīng)典力學(xué)是相對論和量子力學(xué)在一定條件下的特殊情形,故C錯誤。學(xué)習(xí)筆記如何解答牛頓力學(xué)局限性問題解答牛頓力學(xué)的局限性問題時,應(yīng)在理解的基礎(chǔ)上記憶牛頓力學(xué)的成就和適用范圍,以及牛頓力學(xué)與相對論和量子力學(xué)的關(guān)系。[針對訓(xùn)練1] 下列說法中正確的是(　 　)A.牛頓力學(xué)適用于微觀領(lǐng)域質(zhì)子、電子的運(yùn)動B.牛頓力學(xué)適用于投出的籃球、人造衛(wèi)星的運(yùn)動C.牛頓力學(xué)可以解決自然界中涉及的所有物理學(xué)問題D.相對論與量子力學(xué)的出現(xiàn),表示牛頓力學(xué)失去了意義B解析:牛頓力學(xué)適用于宏觀、低速物體的運(yùn)動,即適用于投出的籃球、人造衛(wèi)星的運(yùn)動,不適用于微觀領(lǐng)域質(zhì)子、電子的運(yùn)動,故A錯誤,B正確;牛頓力學(xué)不能解決自然界中微觀粒子以及高速運(yùn)動的問題,故C錯誤;相對論與量子力學(xué)并不否定牛頓力學(xué),牛頓力學(xué)是相對論在低速(即物體的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光速)條件下的近似,故D錯誤。要點二　對相對論時空觀的理解問題情境(1)地球的公轉(zhuǎn)速度在狹義相對論中屬于低速還是高速?被加速器加速后的電子的速度屬于低速還是高速?答案:(1)地球公轉(zhuǎn)速度在狹義相對論中屬于低速,被加速器加速后的電子的速度屬于高速。(2)在地面上校準(zhǔn)的兩個鐘,一個留在地面上,一個隨宇宙飛船遨游太空,隔一段時間飛船返回地面時,兩個鐘顯示的時間相同嗎?有什么差別?答案:(2)不相同。隨飛船遨游的時鐘變慢(顯示的時間少)。1.低速與高速(1)低速:通常所見物體的運(yùn)動,如行駛的汽車、發(fā)射的導(dǎo)彈、人造地球衛(wèi)星及宇宙飛船等物體皆為低速運(yùn)動物體。(2)高速:有些微觀粒子在一定條件下其速度可以與光速相接近,這樣的速度稱為高速。2.相對論的兩個現(xiàn)象歸納拓展3.對于低速運(yùn)動的物體,相對論效應(yīng)可以忽略不計,一般用經(jīng)典力學(xué)規(guī)律來處理;對于高速運(yùn)動問題,經(jīng)典力學(xué)不再適用,需要用相對論知識來處理。[例2] 一高速列車通過洞口為圓形的隧道,列車上的司機(jī)對隧道的觀察結(jié)果為(　 　)A.洞口為橢圓形,長度變短B.洞口為圓形,長度不變C.洞口為橢圓形,長度不變D.洞口為圓形,長度變短D解析:根據(jù)“尺縮效應(yīng)”,在尺子長度方向上運(yùn)動的尺子比靜止的尺子短。所以高速列車通過洞口為圓形的隧道時,列車上的司機(jī)仍然會觀察到圓形的洞口,但是觀察到的隧道的長度變短,故選D。學(xué)習(xí)筆記應(yīng)用相對論“效應(yīng)”解題的一般步驟首先,通過審題確定研究對象及研究對象的運(yùn)動速度。其次,明確求解的問題,即明確是求解靜止參考系中的觀察結(jié)果,還是運(yùn)動參考系中的觀察結(jié)果。最后,應(yīng)用長度收縮效應(yīng)公式或時間延緩效應(yīng)公式進(jìn)行計算。[針對訓(xùn)練2] 如圖所示,a、b、c為三個完全相同的時鐘,a放在水平地面上,b、c分別放在以速度vb、vc向同一方向飛行的兩枚火箭上,且vb