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    7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性 学案 高中物理新人教版必修第二册(2022年)
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    人教版 (2019)必修 第二册5 相对论时空观与牛顿力学的局限性学案

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    这是一份人教版 (2019)必修 第二册5 相对论时空观与牛顿力学的局限性学案,共9页。学案主要包含了相对论时空观,牛顿力学的成就与局限性等内容,欢迎下载使用。


    1.了解经典力学的发展历程和伟大成就.
    2.知道经典力学的局限性和适用范围.
    3.知道速度对质量的影响及光速不变原理.
    4.了解科学理论的相对性,体会科学理论是不断发展和完善的.
    知识点一、相对论时空观
    【点睛】
    1.低速与高速的概念
    (1)低速:远小于光速的速度为低速,通常所见物体的运动,如行驶的汽车、发射的导弹、人造地球卫星及宇宙飞船等物体的运动皆为低速运动.
    (2)高速:有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近,这样的速度称为高速.
    2.速度对质量的影响
    (1)在经典力学中,物体的质量不随速度而变.根据牛顿第二定律F=ma知,物体在力F作用下做匀变速运动,只要时间足够长,物体的运动速度就可以增加到甚至超过光速c.
    (2)爱因斯坦的狭义相对论指出,物体的质量随速度的增大而增大,即m=eq \f(m0,\r(1-\f(v2,c2))),其中m0为物体静止时的质量,m是物体速度为v时的质量,c是真空中的光速.在高速运动时,质量的测量是与运动状态密切相关的.
    3.速度对物理规律的影响:对于低速运动问题,一般用经典力学规律来处理.对于高速运动问题,经典力学已不再适用,需要用狭义相对论知识来处理.
    知识点二、牛顿力学的成就与局限性
    1.微观世界
    电子、质子、中子等微观粒子的运动规律在很多情况下不能用经典力学来说明,而量子力学能够正确地描述微观粒子的运动规律.
    2.经典力学的适用范围
    经典力学适用于低速运动,不适用于高速运动,适用于宏观世界,不适用于微观世界.
    3.从弱引力到强引力
    (1)1915年,爱因斯坦创立了广义相对论,这是一种新的时空与引力的理论.在强引力的情况下,牛顿的引力理论不再适用.
    (2)当物体的运动速度远小于光速c(3×108 m/s)时,相对论物理学与经典物理学的结构没有区别.当另一个重要常数即“普朗克常量”(6.63×10-34 J·s)可以忽略不计时,量子力学和经典力学的结论没有区别.
    【探讨】
    如图甲,质子束被加速到接近光速;如图乙,中子星是质量、密度非常大的星体.请思考:
    甲 乙
    探讨1:经典力学是否适用于质子束的运动规律?如何研究质子束的运动规律?
    【提示】 不适用.可以用量子力学研究质子束的运动规律.
    探讨2:经典力学是否适用于中子星的引力规律?如何研究中子星的引力规律?
    【提示】 不适用.可以用相对论力学研究中子星的引力规律.
    【点睛】
    1.现对于发射地球同步卫星的过程分析,如图所示,卫星首先进入椭圆轨道Ⅰ,P点是轨道Ⅰ上的近地点,然后在Q点通过改变卫星速度,让卫星进入地球同步轨道Ⅱ,则( )
    A.卫星在同步轨道Ⅱ上的运行速度大于第一宇宙速度7.9 km/s
    B.该卫星的发射速度必定大于第二宇宙速度11.2 km/s
    C.在轨道Ⅰ上,卫星在P点的速度大于第一宇宙速度7.9 km/s
    D.在轨道Ⅰ上,卫星在Q点的速度大于第一宇宙速度7.9 km/s
    【答案】C
    【详解】
    第一宇宙速度是卫星在近地轨道运行的线速度,根据可知,故轨道半径越大,线速度越小,所以同步卫星的运行速度小于第一宇宙速度,A错误;该卫星为地球的卫星,所以发射速度小于第二宇宙速度,B错误;P点为近地轨道上的一点,但要从近地轨道变轨到Ⅰ轨道,则需要在P点加速,所以卫星在P点的速度大于第一宇宙速度,C正确;在Q点要从轨道Ⅰ变轨到轨道Ⅱ,则需要在Q点加速,即卫星在轨道Ⅱ上经过Q点的速度大于在轨道Ⅰ上经过Q点的速度,而轨道Ⅱ上的速度小于第一宇宙速度,故卫星在轨道Ⅰ上经过Q点时的速度小于第一宇宙速度,D错误.
    2.我国将发射“天宫二号”空间实验室,之后发射“神州十一号”飞船与“天宫二号”对接假设“天宫二号”与“神州十一号”都围绕地球做匀速圆周运动,为了实现飞船与空间实验室的对接,下列措施可行的是
    A.使飞船与空间实验室在同一轨道上运行,然后飞船加速追上空间实验室实现对接
    B.使飞船与空间实验室在同一轨道上运行,然后空间实验室减速等待飞船实现对接
    C.飞船先在比空间实验室半径小的轨道上加速,加速后飞船逐渐靠近空间实验室,两者速度接近时实现对接
    D.飞船先在比空间实验室半径小的轨道上减速,减速后飞船逐渐靠近空间实验室,两者速度接近时实现对接
    【答案】C
    【详解】
    试题分析:在同一轨道上运行加速做离心运动,减速做向心运动均不可实现对接.则AB错误;飞船先在比空间实验室半径小的轨道上加速,则其做离心运动可使飞船逐渐靠近空间实验室,两者速度接近时实现对接.则C正确;飞船先在比空间实验室半径小的轨道上减速,则其做向心运动,不可能与空间实验室相接触.则D错误.故选C.
    考点:人造地球卫星
    【名师点睛】此题是关于人造卫星的变轨问题,明确正常运行的卫星加速做离心运动会达到高轨道,若减速则会做向心运动达到低轨道.
    1.下列说法正确的是( )
    A.狭义相对论表明物体运动时的质量总小于静止时的质量
    B.不管光源与观察者是否存在相对运动,观察者测得的光速是不变的
    C.飞机远离卫星时,卫星接收到飞机的信号频率大于飞机发出的信号频率
    D.“和谐号”动车组高速行驶时,地面上测得其车厢长度将明显变短
    【答案】B
    【详解】
    A.根据相对论的基本理论可知,物体运动时的质量总大于静止时的质量,A错误;
    B.根据光速不变理论,知不管光源与观察者是否存在相对运动,观察者测得的光速是不变的,B正确;
    C.飞机远离卫星时,产生多普勒效应,卫星接收到飞机的信号频率小于飞机发出的信息频率,C错误;
    D.“和谐号”动车组高速行驶时,根据相对论效应,可知地面上测得其车厢长度会变短,但由于车速与光速相比太小,测得其车厢长度的变化非常小,D错误。
    故选B。
    2.学习物理学史,了解物理学的发展历程和科学家们所做出的贡献,有助于我们深刻理解物理概念、掌握物理规律并养成科学的学习态度。下列说法正确的是( )
    A.开普勒提出了日心说
    B.卡文迪许利用扭秤装置,第一次比较准确地测出了万有引力常量
    C.牛顿发现了万有引力定律,并最先测出了地球的质量
    D.牛顿力学不仅适用于宏观世界也适用于微观世界
    【答案】B
    【详解】
    A.哥白尼提出了日心说,故A错误;
    BC.牛顿发现了万有引力定律,卡文迪许利用扭秤装置,第一次比较准确地测出了万有引力常量,被称为称出地球质量的人,故B正确,C错误;
    D.牛顿力学只适用于宏观低速,不适用于微观高速,故D错误。
    故选B。
    3.按照相对论的时空观,下列说法正确的是( )
    A.时间和空间都是独立于物体及其运动而存在的
    B.在不同的惯性参考系中,光的传播速度都是相同的
    C.运动物体的长度跟物体的运动快慢无关
    D.在高速运动的飞机上,原子钟的计时会变快
    【答案】B
    【详解】
    A.相对论的时空观认为时间和空间与物体及其运动都有关系,故A错误;
    B.相对论的时空观认为在不同的惯性参考系中,光的传播速度都是相同的,故B正确;
    C.相对论的时空观认为运动物体的长度跟物体的运动快慢有关,故C错误;
    D.相对论的时空观认为在高速运动的飞机上,原子钟的计时会变慢,故D错误。
    故选B。
    4.如图所示,两艘飞船A,B沿同一直线同向飞行,相对地面的速度均为(接近光速)。地面上测得它们相距为,根据相对论时空观,则A测得两飞船间的距离( )
    A.大于B.等于C.小于D.与无关
    【答案】A
    【详解】
    根据
    L0为在相对静止参考系中的长度,L为在相对运动参考系中的长度,地面上测得它们相距为L,是以高速飞船为参考系,而A测得的长度为以静止参考系的长度,大于L。
    故选A。
    5.爱因斯坦于1905年在德国《物理年鉴》发表了论文《论动体的电动力学》,论文首先提出狭义相对论。根据狭义相对论,下列说法正确的是( )
    A.真空中的光速在不同惯性参考系中是不相同的
    B.物体在接近光速运动时,它沿运动方向上的长度会变短
    C.质量的测量结果与物体相对观察者的相对运动状态无关
    D.狭义相对论彻底推翻了牛顿的经典物理学
    【答案】B
    【详解】
    A.真空中的光速在不同惯性参考系中是相同的,A错误;
    B.根据狭义相对论的几个基本结论可得,物体在接近光速运动时,它沿运动方向上的长度会变短,B正确;
    C.根据狭义相对论的几个基本结论可得,质量的测量结果会随物体相对观察者的相对运动状态的改变而改变,C错误;
    D.相对论的出现,并没有否定经典物理学,经典物理学是相对论在低速运动条件下的特殊情形,D错误。
    故选B。
    6.如下图所示,惯性系S中有一边长为l的立方体,从相对S系沿x方向以接近光速匀速飞行的飞行器上观察该立方体的形状是( )
    A.B.
    C.D.
    【答案】D
    【详解】
    根据相对论效应可知,沿x轴方向正方形边长缩短,沿y轴方向正方形边长不变。
    故选D。
    7.我国未来将建立月球基地,并在绕月轨道上建造空间实验室。如图所示,关闭发动机的航天飞机仅在月球引力作用下沿椭圆轨道向月球靠近,并将在椭圆轨道的近月点B处与空间实验室对接。已知空间实验室C绕月轨道半径为r,周期为T,引力常量为G,月球的半径为R,忽略月球自转。那么以下选项正确的是( )
    A.月球的质量为
    B.航天飞机到达B处由椭圆轨道进入空间实验室圆轨道时必须加速
    C.航天飞机从A处到B处做减速运动
    D.月球表面的重力加速度为
    【答案】A
    【详解】
    A.设空间实验室质量为m,月球质量为M,在圆轨道上,由
    G=m

    M=
    A正确;
    B.要使航天飞机在椭圆轨道的近月点B处与空间实验室C对接,必须在B点时减速,使航天飞机做近心运动,B错误;
    C.航天飞机飞向B处,根据开普勒第二定律可知,向近月点靠近做加速运动,C错误;
    D.月球表面物体重力等于月球对物体的引力,则有
    mg月=G
    可得
    g月==
    D错误;
    故选A。
    8.宇宙间存在一些离其他恒星较远的三星系统,其中有一种三星系统如图所示,三颗质量均为m的星体位于等边三角形的三个顶点,三角形边长为L,忽略其他星体对它们的引力作用,三星在同一平面内绕三角形中心O做匀速圆周运动,引力常量为G,下列说法正确的是( )
    A.每颗星做圆周运动的角速度为
    B.每颗星做圆周运动的加速度大小与三星的质量无关
    C.若距离L和每颗星的质量m都变为原来的2倍,则周期变为原来的2倍
    D.若距离L和每颗星的质量m都变为原来的2倍,则线速度变为原来的4倍
    【答案】C
    【详解】
    AB.任意两星间的万有引力
    F=G
    对任一星受力分析,如图所示,由图中几何关系知
    r=L
    F合=2Fcs30°=F
    由牛顿第二定律可得
    F合=mω2r
    联立可得
    ω=
    an=ω2r=
    AB错误;
    C.由周期公式可得
    T==2π
    L和m都变为原来的2倍,则周期
    T′=2T
    C正确;
    D.由速度公式可得
    v=ωr=
    L和m都变为原来的2倍,则线速度
    v′=v
    大小不变,D错误。
    故选C。速度远小于光速
    接近光速运动
    物理理论
    经典力学
    相对论
    质量与速度的关系
    物体的质量是不随运动状态改变的
    物体的质量随着物体运动速度的增大而增大.m=m0/eq \r(1-\f(v2,c2))
    位移、时间与参考系的关系
    位移的测量、时间的测量都与参考系无关
    同一过程的位移和时间的测量在不同参考系中是不同的
    狭义相对论
    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
    量子力学
    经典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
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