1、第五章第五章 牛顿力学的局限性与相对论初牛顿力学的局限性与相对论初 步步 第一节第一节 牛顿力学的成就与局限性牛顿力学的成就与局限性 第二节第二节 相对论时空观相对论时空观 第三节第三节 宇宙起源和演化宇宙起源和演化 学学 习习 目目 标标 STSE 情情 境境 导导 学学 1.了解经典力学的发展历了解经典力学的发展历 程和伟大成就程和伟大成就. 2.知道经典力学的局限性知道经典力学的局限性 和适用范围和适用范围. 3.了解经典时空观及其基了解经典时空观及其基 本推论本推论. 4.了解狭义相对论的理论了解狭义相对论的理论 基础与相对论时空观的几基础与相对论时空观的几 个推论个推论. 5.了解宇
2、宙的起源和演化了解宇宙的起源和演化 空间距离的相对性空间距离的相对性尺缩效应尺缩效应 知识点一知识点一 牛顿力学的成就与局限性牛顿力学的成就与局限性 1.绝对时空观绝对时空观. （1）惯性参考系与非惯性参考系）惯性参考系与非惯性参考系. 在牛顿力学体系中，如果牛顿运动定律在某个参考在牛顿力学体系中，如果牛顿运动定律在某个参考 系中系中成立成立，这个参考系就被称为惯性参考系，所有相对，这个参考系就被称为惯性参考系，所有相对 于惯性参考系于惯性参考系静止静止或或做匀速做匀速直线运动直线运动的参考系都是惯性的参考系都是惯性 参考系参考系.而牛顿运动定律而牛顿运动定律不成立不成立的参考系则称为非惯性参
3、的参考系则称为非惯性参 考系考系. （2）伽利略相对性原理）伽利略相对性原理. 在所有的惯性参考系中，力学规律都具有在所有的惯性参考系中，力学规律都具有相同相同的形的形 式，这一结论被称为伽利略相对性原理式，这一结论被称为伽利略相对性原理. （3）牛顿的绝对时空观）牛顿的绝对时空观. 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，而与一切外界事物匀地流逝着，而与一切外界事物无关无关.绝对空间的自身特绝对空间的自身特 性与任何外界事物性与任何外界事物无关无关，它处处均匀，永不移动，它处处均匀，永不移动. 2.牛顿力学的成就牛顿力
4、学的成就. （1）牛顿力学把宇宙中的）牛顿力学把宇宙中的天体天体和地面上的和地面上的物体物体的运的运 动统一起来，从力学上证明了自然界多样性的统一，实动统一起来，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现了人类对自然界认识的第一次理论大综合. （2）牛顿力学在科学技术发展和社会经济建设中一）牛顿力学在科学技术发展和社会经济建设中一 直起着重要的作用，推动着航空、航天、舰船、车辆、机直起着重要的作用，推动着航空、航天、舰船、车辆、机 械、土木、水利和能源等各行各业不断进步，促进着社会械、土木、水利和能源等各行各业不断进步，促进着社会 不断发展不断发展. 3.牛
5、顿力学的局限性和适用范围牛顿力学的局限性和适用范围. 牛顿力学只适用于低速（远小于牛顿力学只适用于低速（远小于光速光速） 、） 、宏观宏观（人类（人类 可感知尺度） 、可感知尺度） 、弱引力弱引力场（如地球附近）和计量精度要求场（如地球附近）和计量精度要求 不高不高（如全球定位系统需要用相对论进行修正）的情况（如全球定位系统需要用相对论进行修正）的情况. 超出以上范围， 牛顿力学将不再适用， 而需要用到超出以上范围， 牛顿力学将不再适用， 而需要用到相对论相对论、 量子力学等理论量子力学等理论. 知识点二知识点二 相对论时空观相对论时空观 1.狭义相对论的基本假设狭义相对论的基本假设. （1）
6、相对性原理：在所有的惯性参考系中，一切物）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）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的真空中的光速都相同. 2.时空相对性时空相对性. （1）同时性的相对性）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 惯性参考系看来是惯性参考系看来是不同时不同时的，这被称为同时性的相对性的，这被称为同时性的相对性. （2）时间延缓）时间延缓. 内容： 在运动参考系里的人认为一切正常， 并不感内容
7、： 在运动参考系里的人认为一切正常， 并不感 到自己周围的事件变得呆滞到自己周围的事件变得呆滞.这就是时间间隔的这就是时间间隔的相对相对性，性， 也称为也称为“时间延缓时间延缓” “” “时间膨胀时间膨胀”或或“钟慢效应钟慢效应”. 公式：公式： tt1 v c 2. 因为因为 1 v c 2t. （3）长度收缩）长度收缩. 内容内容. 当物体相对于观测者运动时， 在运动的方向上， 观测当物体相对于观测者运动时， 在运动的方向上， 观测 者测量到该物体的长度要者测量到该物体的长度要缩短缩短， 而垂直于运动方向的长度， 而垂直于运动方向的长度 不会发生变化不会发生变化.这就是空间距离的这就是空间
8、距离的相对相对性，也称为性，也称为“长度长度 收缩收缩”或或“尺缩效应尺缩效应”. 公式公式 ll1 v c 2. 由于由于 1 v c 21，所以总有 ，所以总有 ll. 3.时空弯曲时空弯曲. （1）光线弯曲）光线弯曲. 在大尺度的宇观时空中存在许多大质量天体，如大恒在大尺度的宇观时空中存在许多大质量天体，如大恒 星、球状星团、星系和星系团等，光线经过这些大质量天星、球状星团、星系和星系团等，光线经过这些大质量天 体附近时发生体附近时发生偏转偏转，这说明整个空间不再是，这说明整个空间不再是平直平直的，而变的，而变 成弯曲的了成弯曲的了. （2）时间弯曲）时间弯曲. 广义相对论还告诉我们，引
9、力场的存在使得空间不同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位置的时间进程也存在差别，也可以说时间发生了弯曲弯曲. 知识点三知识点三 宇宙起源和演化宇宙起源和演化 1.古代宇宙模型古代宇宙模型. （1）在古代中国，）在古代中国， “盖天盖天说说”认为认为“天圆如张盖，地天圆如张盖，地 方如棋局方如棋局”. （2）古希腊亚里士多德认识到地球是一个球体，其）古希腊亚里士多德认识到地球是一个球体，其 理论经托勒密等学者的进一步发展形成了理论经托勒密等学者的进一步发展形成了“地心地心说说” ，成，成 为中世纪在欧洲占统治地位的宇宙观为中世纪在欧洲占
10、统治地位的宇宙观. （3）1543 年哥白尼提出年哥白尼提出“日心日心说说” ，把宇宙的中心，把宇宙的中心 从地球挪向了太阳，这是人类宇宙观念的一大飞跃从地球挪向了太阳，这是人类宇宙观念的一大飞跃. 2.近现代宇宙模型近现代宇宙模型. （1）1917 年，爱因斯坦将广义相对论应用到整个宇年，爱因斯坦将广义相对论应用到整个宇 宙， 建立了现代宇宙学的第一个宇宙模型： 由宙， 建立了现代宇宙学的第一个宇宙模型： 由弯曲空间弯曲空间构构 成，没有成，没有边界边界、没有、没有中心中心，但在整体上是有限的、静态的，但在整体上是有限的、静态的 宇宙宇宙. （2）1922 年，苏联科学家费里德曼提出了年，苏
11、联科学家费里德曼提出了动态动态的宇的宇 宙模型， 认为宇宙中的物质从宇观大尺度来说其分布是均宙模型， 认为宇宙中的物质从宇观大尺度来说其分布是均 匀的，从各个方向看都是一样的，并且随着时间的变化，匀的，从各个方向看都是一样的，并且随着时间的变化， 宇宙在不断宇宙在不断膨胀膨胀. （3） 1980 年， 美国科学家固斯进一步提出年， 美国科学家固斯进一步提出暴胀暴胀理论，理论， 并指出早期宇宙的空间以并指出早期宇宙的空间以指数倍指数倍的形式膨胀， 暴胀过程发的形式膨胀， 暴胀过程发 生在宇宙大爆炸之后的生在宇宙大爆炸之后的10 36 s至 至10 32 s之间 之间.在暴胀结束在暴胀结束 后，宇
12、宙继续膨胀，但是膨胀速度则慢得多后，宇宙继续膨胀，但是膨胀速度则慢得多. 3.宇宙学的新进展宇宙学的新进展. 20 世纪后半叶至今，宇宙学研究领域取得了很多骄世纪后半叶至今，宇宙学研究领域取得了很多骄 人的成就人的成就.特别是科学家们观测到的宇宙特别是科学家们观测到的宇宙微波背景辐射微波背景辐射， 被誉为被誉为 20 世纪世纪 60 年代的四大发现之一年代的四大发现之一.该发现荣获该发现荣获 1978 年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖. 小试身手小试身手 1.关于经典力学的适用范围和局限性， 下列说法正确关于经典力学的适用范围和局限性， 下列说法正确 的是（的是（ ） A.经典力学过时了，应该
13、被量子力学所取代经典力学过时了，应该被量子力学所取代 B.由于超音速飞机的速度太大， 其运动不能用经典力由于超音速飞机的速度太大， 其运动不能用经典力 学来解释学来解释 C.人造卫星的运动不适合用经典力学来描述人造卫星的运动不适合用经典力学来描述 D.当物体速度接近光速时， 其运动规律不适合用经典当物体速度接近光速时， 其运动规律不适合用经典 力学来描述力学来描述 解析：解析： 经典力学在低速宏观物理过程中适用， 量子力经典力学在低速宏观物理过程中适用， 量子力 学不可替代，学不可替代，A 错误；超音速飞机的速度远低于光速，其错误；超音速飞机的速度远低于光速，其 运动能用经典力学来解释，运动能
14、用经典力学来解释，B 错误；人造卫星的运动速度错误；人造卫星的运动速度 远低于光速，适合用经典力学来描述，远低于光速，适合用经典力学来描述，C 错误；当物体速错误；当物体速 度接近光速时，其运动规律不适合用经典力学来描述，度接近光速时，其运动规律不适合用经典力学来描述，D 正确正确. 答案：答案：D 2.（多选）（多选）下列选项中属于狭义相对论的基本假设的下列选项中属于狭义相对论的基本假设的 是（是（ ） A.爱因斯坦相对性原理爱因斯坦相对性原理 B.经典力学的时空观经典力学的时空观 C.光速不变原理光速不变原理 D.同时的绝对性原理同时的绝对性原理 解析：解析： 狭义相对论的出发点是以下两条
15、基本假设： 第狭义相对论的出发点是以下两条基本假设： 第 一是爱因斯坦相对性原理， 在不同的惯性系中， 一切物理一是爱因斯坦相对性原理， 在不同的惯性系中， 一切物理 规律都是相同的； 第二是光速不变原理， 不管是哪个惯性规律都是相同的； 第二是光速不变原理， 不管是哪个惯性 系中，测得真空中的光速都相同系中，测得真空中的光速都相同. 答案：答案：AC 探究一探究一 经典力学与相对论比较经典力学与相对论比较 经典力学与相对论、量子力学的比较经典力学与相对论、量子力学的比较. 项目项目 经典力学经典力学 相对论、量子力学相对论、量子力学 形成时期形成时期 物理学形成的初期阶段，物理学形成的初期阶
16、段， 受历史发展限制，理论较受历史发展限制，理论较 肤浅、片面肤浅、片面 形成于物理学充分形成于物理学充分 发展的现代，理论发展的现代，理论 较完善、科学较完善、科学 适用范围适用范围 低速运动、宏观世界，弱低速运动、宏观世界，弱 引力作用引力作用 任何情况都适用任何情况都适用 速度对质速度对质 量的影响量的影响 物体的质量不随其速度的物体的质量不随其速度的 变化而变化变化而变化 物体的质量随其速物体的质量随其速 度的增加而变大度的增加而变大 速度速度 的合的合 成成 时间与空间互不相干，关时间与空间互不相干，关 系式系式v船岸 船岸 v船水 船水 v水岸 水岸成 成 立立 速度与位移、时间的
17、测量速度与位移、时间的测量 有关，有关，v船岸 船岸 v船水 船水 v水岸 水岸 不成立不成立 引力引力 规律规律 牛顿的万有引力定律认为牛顿的万有引力定律认为 物体间的引力符合物体间的引力符合“平方平方 反比反比”规律规律 爱因斯坦引力理论认为物爱因斯坦引力理论认为物 体间的引力不完全符合体间的引力不完全符合 “平方反比平方反比”规律规律 联系联系 （1）以下两种情况，相对论与经典力学的结论没有）以下两种情况，相对论与经典力学的结论没有 区别：区别： 物体的速度远小于光速物体的速度远小于光速c（3108 m/s）时；）时； “普朗克常量普朗克常量”（6.6310 34 Js）可以忽略不计 ）
18、可以忽略不计 时时. （2）相对论和量子力学都没有否定经典力学，经典）相对论和量子力学都没有否定经典力学，经典 力学是相对论、量子力学的特殊情况力学是相对论、量子力学的特殊情况 【典例【典例 1】 关于经典力学， 下列说法中正确的是 （关于经典力学， 下列说法中正确的是 （ ） A.相对论与量子力学否定了经典力学理论相对论与量子力学否定了经典力学理论 B.经典力学可以解决自然界中所有的问题经典力学可以解决自然界中所有的问题 C.经典力学适用于微观领域质子、电子的运动经典力学适用于微观领域质子、电子的运动 D.经典力学适用于发射的导弹、人造卫星、宇宙飞船的经典力学适用于发射的导弹、人造卫星、宇宙
19、飞船的 运动运动 解析：解析： 相对论与量子力学并没有否定经典力学， 而是相对论与量子力学并没有否定经典力学， 而是 在其基础上发展起来的，有各自成立范围，在其基础上发展起来的，有各自成立范围，A 错误；经典错误；经典 力学只能解决宏观低速物体，对于微观高速物体不再适力学只能解决宏观低速物体，对于微观高速物体不再适 用，用，B、C 错误；经典力学适用于宏观低速物体，适用于错误；经典力学适用于宏观低速物体，适用于 发射的导弹、人造卫星、宇宙飞船的运动，发射的导弹、人造卫星、宇宙飞船的运动，D 正确正确. 答案：答案：D 1.下列运动中经典力学不适用的是（下列运动中经典力学不适用的是（ ） A.火
20、箭的发射火箭的发射 B.速度接近光速的物体的运动速度接近光速的物体的运动 C.“墨子号墨子号”在太空的运动在太空的运动 D.宇宙飞船绕地球的运动宇宙飞船绕地球的运动 解析：解析：经典力学适用于宏观、低速物体的运动，而不经典力学适用于宏观、低速物体的运动，而不 适用于微观、高速物体的运动，故选适用于微观、高速物体的运动，故选 B. 答案：答案：B 2.下列说法正确的是（下列说法正确的是（ ） A.在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变；在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变； 在狭义相对论中，物体的质量也不随运动状态而改变在狭义相对论中，物体的质量也不随运动状态而改变 B.狭义相对论和经
21、典力学是完全不同、 相互矛盾的两狭义相对论和经典力学是完全不同、 相互矛盾的两 个理论个理论 C.在高速运动时， 物体的运动服从狭义相对论； 在低在高速运动时， 物体的运动服从狭义相对论； 在低 速运动时，物体的运动服从牛顿运动定律速运动时，物体的运动服从牛顿运动定律 D.以上说法都是错误的以上说法都是错误的 解析：解析： 在经典力学中， 物体的质量不随运动状态而改在经典力学中， 物体的质量不随运动状态而改 变； 在狭义相对论中， 物体的质量随物体运动速度的增大变； 在狭义相对论中， 物体的质量随物体运动速度的增大 而增大，选项而增大，选项 A 错误错误.狭义相对论没有否定经典力学，经狭义相对
22、论没有否定经典力学，经 典力学是狭义相对论在一定条件下的特殊情形，选项典力学是狭义相对论在一定条件下的特殊情形，选项 B 错误错误.经典力学适用于低速运动的物体，狭义相对论阐述经典力学适用于低速运动的物体，狭义相对论阐述 物体在以接近光速运动时所遵循的规律，选项物体在以接近光速运动时所遵循的规律，选项 C 正确，正确， 选项选项 D 错误错误. 答案：答案：C 探究二探究二 对相对论中对相对论中“两个基本原理两个基本原理”和和“相对论效应相对论效应” 的理解的理解 两个基本原理两个基本原理. （1）相对性原理：所有物理规律在一切惯性参考系相对性原理：所有物理规律在一切惯性参考系 中都具有相同的
23、形式，表明在任何惯性系中研究某个物中都具有相同的形式，表明在任何惯性系中研究某个物 体的某一运动过程，其运动规律的形式不变体的某一运动过程，其运动规律的形式不变. （2）光速不变原理：在一切惯性参考系中，测量到）光速不变原理：在一切惯性参考系中，测量到 的真空中的光速的真空中的光速 c 都一样， 表明了经典时空观与相对论时都一样， 表明了经典时空观与相对论时 空观的不同，比较如下：空观的不同，比较如下： 时空观时空观 经典时空观经典时空观 相对论时空观相对论时空观 运动情况运动情况 同一运动对不同参考系同一运动对不同参考系 描述结果不同，即速度描述结果不同，即速度 不同不同 光在一切惯性参考系
24、中光在一切惯性参考系中 传向各个方向的速度不传向各个方向的速度不 变变 时间与空时间与空 间的关系间的关系 时间均匀流逝，空间不时间均匀流逝，空间不 变化，与运动情况及外变化，与运动情况及外 部条件无关部条件无关 时间、空间都随运动情时间、空间都随运动情 况而改变况而改变 几个结论几个结论 同时的绝对性；同时的绝对性； 时间间隔的绝对性；时间间隔的绝对性； 空间距离的绝对性；空间距离的绝对性； 物体的质量恒定不变物体的质量恒定不变 同时的相对性；同时的相对性； 运动的时钟变慢；运动的时钟变慢； 运动的尺子缩短；运动的尺子缩短； 物体的质量随速度的物体的质量随速度的 增大而增大增大而增大 【典例
25、【典例 2】 例如有一对孪生兄弟例如有一对孪生兄弟 A 和和 B， 其中， 其中 B 乘乘 坐速度为坐速度为 v0.9c 的火箭飞往大角星（牧夫座的火箭飞往大角星（牧夫座 ） ，而后） ，而后 又飞回地球又飞回地球.根据根据 A 在地球上的观测，大角星离地球有在地球上的观测，大角星离地球有 40 万光年远， 这次万光年远， 这次 B 往返飞行经历时间为往返飞行经历时间为 80.8 年年.如果如果 B 在在 离开地球时，他们的年龄都为离开地球时，他们的年龄都为 20 岁，试问当岁，试问当 B 回到地球回到地球 时，他们的年龄各有多大？时，他们的年龄各有多大？ 解析：解析： 设设 B 在飞船惯性系
26、中经历时间为在飞船惯性系中经历时间为 t， 根据钟慢， 根据钟慢 效应得：效应得：t t 1v 2 c2 ，即，即 80.8 t 10.92，解得 ，解得 t35.2 年年.所以所以 B 回到地球时的年龄为回到地球时的年龄为 2035.255.2（岁）（岁）.此此 时时 A 的年龄为的年龄为 2080.8100.8（岁）（岁）. 答案：答案：此时此时 A 的年龄为的年龄为 100.8 岁，岁，B 的年龄为的年龄为 55.2 岁岁 3.（多选）（多选）在地面附近有一高速飞过的火箭，关于地面上在地面附近有一高速飞过的火箭，关于地面上 的人和火箭中的人观察到的现象，以下说法正确的是（的人和火箭中的人
27、观察到的现象，以下说法正确的是（ ） A.地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变 快了快了 B.地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变 慢了慢了 C.火箭上的人观察到地面上的物体的长度和时间进程均火箭上的人观察到地面上的物体的长度和时间进程均 无变化无变化 D.火箭上的人看到地面上的物体长度变小，时间进程变火箭上的人看到地面上的物体长度变小，时间进程变 慢了慢了 解析：解析：根据根据“尺缩效应尺缩效应” “” “动钟变慢动钟变慢”原理，地面上原理，地面上 的人观察到火箭变短了，火箭上的时
28、间进程应该变慢了，的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程应该变慢了， A 错误，错误，B 正确；根据相对性，火箭上的人看到地面上的正确；根据相对性，火箭上的人看到地面上的 物体长度变小，时间进程变慢了，物体长度变小，时间进程变慢了，C 错误，错误，D 正确正确. 答案：答案：BD 4.一高速列车通过洞口为圆形的隧道， 列车上的司机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（对隧道的观察结果为（ ） A.洞口为椭圆形，隧道长度变短洞口为椭圆形，隧道长度变短 B.洞口为圆形，隧道长度不变洞口为圆形，隧道长度不变 C.洞口为椭圆形，隧道长度不变洞口为椭圆形，隧道长度不变 D.洞口为圆形，隧道长度变短洞口为圆形，隧道长度变短 解析：解析：在运动方向上，由于有在运动方向上，由于有“尺缩效应尺缩效应” ，故隧道，故隧道 长度变短；在垂直运动方向上，没有长度变短；在垂直运动方向上，没有“尺缩效应尺缩效应” ，即洞，即洞 口为圆形，故口为圆形，故 D 正确正确. 答案：答案：D
