人教版高中物理必修二 （相对论时空观与牛顿力学的局限性）万有引力与宇宙航行 课件

相对论时空观与牛顿力学的局限性核心素养目标物理观念知道爱因斯坦的两条假设，了解时间延缓效应、长度收缩效应，认识牛顿力学的成就与局限性。科学思维知道牛顿力学的适用范围，认识物理学中理论的相对稳定性，要有质疑精神。科学探究认识迈克耳孙—莫雷实验对光速不变原理的推动作用，体会实验和理论的相互关系。知识点一相对论时空观1.爱因斯坦假设 (1)在不同的_________参考系中，物理规律的形式都是________的。 (2)真空中的________在不同的惯性参考系中大小都是________的。2.时间延缓效应惯性相同光速相同惯性参考系同一地点>静止<惯性参考系凡是牛顿运动定律成立的参考系，称为惯性参考系，简称惯性系。①所有相对于惯性系做匀速直线运动的参考系都是惯性系。②所有相对于惯性系做变速运动的参考系都是非惯性系。运动物体的长度(空间距离)和物理过程的快慢(时间进程)都跟物体的运动状态有关。知识点二牛顿力学的成就与局限性1.牛顿力学的成就

从地面上物体的运动到天体的运动，从拦河筑坝、修建桥梁到设计各种机械，从自行车到汽车、火车、飞机等现代交通工具的运动，从投出篮球到发射导弹、人造地球卫星、宇宙飞船……所有这些都服从___________的规律。2.牛顿力学的局限性 (1)牛顿力学不适用于______运动。 (2)物理学研究深入到微观世界，发现了电子、质子、中子等微观粒子，而且发现它们不仅具有粒子性，同时还具有波动性，它们的运动规律在很多情况下不能用___________来说明。牛顿力学高速牛顿力学3.牛顿力学的适用范围

只适用于_______运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于________世界。

牛顿力学经历了实验检验，不会被新的科学所否定。它以某种特殊情形被包含在新的理论之中。低速微观核心要点一相对论时空观牛顿力学时空观与相对论时空观比较比较项目牛顿力学时空观相对论时空观同时绝对性相对性光速可变(遵循经典速度变换规律)不变物理规律——在不同惯性参考系中其形式相同[例1]

(多选)关于相对论时空观的说法，正确的是(

) A.在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的 B.在一切惯性参考系中，光在真空中的速度都等于c，与光源的运动无关 C.在牛顿力学时空观中认为同时发生的事件，在相对论时空观中也是同时发生的 D.时间和空间是永恒不变的解析相对论时空观中，在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的，选项A正确；在一切惯性参考系中，光在真空中的速度都等于c，与光源的运动无关，选项B正确；相对论时空观中，时间和空间具有相对性，故选项C、D错误。答案AB[例2]

(2019·江西吉安高一月考)如图所示，a、b、c为三个完全相同的时钟，a放在水平地面上，b、c分别放在以速度vb、vc向同一方向飞行的两枚火箭上，且vb<vc，则地面的观察者认为走得最慢的钟为(

)A.a B.b

C.c D.无法确定答案C[例3]

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v(v接近光速c)。地面上测得它们相距为L，则A测得两飞船间的距离________(选填“大于”“等于”或“小于”)L。当B向A发出一光信号，A测得该信号的速度为________。解析从飞船A测量时飞船B是静止的，从地面上测量时两飞船都是运动的，由相对论的“长度收缩效应”知运动长度要缩短，故从地面测得的飞船间距小。由光速不变原理知光信号的传播速度与参考系是无关的，故A测得该信号的速度仍为光速c。答案大于c(或光速)[针对训练1]

(2016·江苏高考)一艘太空飞船静止时的长度为30m，他以0.6c(c为光速)的速度沿长度方向飞行越过地球，下列说法正确的是(

) A.飞船上的观测者测得该飞船的长度小于30m B.地球上的观测者测得该飞船的长度小于30m C.飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度小于c D.地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度小于c答案B[针对训练2]

在一个高速旋转的巨大转盘上放置三个完全相同的时钟，a放在转轴处，b放在中间，c放在边缘处，如图所示。对于地面上的观察者，根据相对论认为三个时钟的快慢情况，下列说法正确的是(

)A.a钟最快，b、c钟一样慢

B.a钟最慢，b、c钟一样快C.a钟最快，c钟最慢

D.a钟最慢，c钟最快答案C核心要点二对牛顿力学的理解1.牛顿力学

牛顿力学通常指以牛顿运动定律为核心的矢量力学，有时也泛指描述低速宏观物体机械运动的经典力学体系。2.发展历程

从亚里士多德和阿基米德的物理学发展到经典力学体系经历了约两千年，经历了以哥白尼、开普勒和伽利略为代表的科学革命。牛顿在伽利略、笛卡儿、开普勒、惠更斯等人研究的基础上，进行了一次科学的伟大的综合，形成了一个以实验为基础、以数学为表达形式的力学科学体系。3.牛顿力学的伟大成就

牛顿力学和天文学相结合，建立了天体力学；牛顿力学和工程实际相结合，建立了各种应用力学，如流体力学、材料力学、结构力学等。所有宏观物体的运动问题，都服从牛顿力学的规律。4.牛顿力学的局限性

牛顿力学有自身的局限性，它不适用于高速运动，也不适用于微观领域。在高速运动中，相对论可以描述其运动规律，量子力学可以描述微观粒子的运动规律。但相对论和量子力学并未否定牛顿力学，只认为牛顿力学是自己在一定条件下的特殊情形。[例4]

下列说法中正确的是(

) A.牛顿运动定律就是牛顿力学 B.牛顿力学的基础是牛顿运动定律 C.牛顿运动定律可以解决自然界中的所有问题 D.牛顿力学可以解决自然界中的所有问题解析牛顿力学并不等同于牛顿运动定律，牛顿运动定律只是牛顿力学的基础；牛顿力学并非万能，也有其适用范围，并不能解决自然界中的所有问题，没有哪个理论可以解决自然界中的所有问题。因此只有弄清牛顿运动定律和牛顿力学的隶属关系，明确牛顿力学的适用范围才能正确解答此类问题，选项B正确。答案B[针对训练3]

牛顿力学不适用于下列哪些运动(

) A.火箭的发射 B.宇宙飞船绕地球的运动 C.“勇气号”宇宙探测器的运行 D.微观粒子的波动性解析牛顿力学适用于宏观、低速物体的运动，而研究微观粒子的波动性时牛顿力学不再适用，选项D正确，A、B、C错误。答案D[针对训练4]

(多选)关于牛顿力学、相对论和量子力学，下列说法中正确的是(

) A.相对论和牛顿力学是相互对立、互不相容的两种理论 B.在物体高速运动时，物体的运动规律适用相对论理论，在低速运动时，物体的运动适用牛顿运动定律 C.牛顿力学适用于宏观物体的运动，量子力学适用于微观粒子的运动 D.不论是宏观物体，还是微观粒子，牛顿力学和量子力学都是适用的解析首先必须知道，牛顿力学解决低速宏观问题，高速问题应由相对论理论解决，微观问题应由量子力学解决。相对论并没有否定牛顿力学，而是认为牛顿力学是相对论理论在一定条件下的特殊情况，故选项A、D错误，B、C正确。答案BC5相对论时空观与牛顿力学的局限性第七章万有引力与宇宙航行1.了解相对论时空观，知道时间延缓效应和长度收缩效应.2.认识牛顿力学的成就，适用范围及局限性.3.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.学习目标梳理教材夯实基础探究重点提升素养随堂演练逐点落实内容索引NEIRONGSUOYIN梳理教材夯实基础011.19世纪，英国物理学家

根据电磁场理论预言了电磁波的存在，并证明电磁波的传播速度

光速c.2.1887年迈克耳孙—莫雷实验以及其他一些实验表明：在不同的参考系中，光的传播速度

！这与牛顿力学中不同参考系之间的速度变换关系

(填“相符”或“不符”).3.爱因斯坦假设：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是

的；真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的.相对论时空观一麦克斯韦等于都是一样的不符相同4.时间延缓效应(1)如果相对于地面以v运动的惯性参考系上的人观察到与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为Δτ，地面上的人观察到该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为Δt，那么两者之间的关系是Δt＝

.(2)Δt与Δτ的关系总有

，即物理过程的快慢(时间进程)与运动状态

.(填“有关”或“无关”)Δt＞Δτ有关5.长度收缩效应：(1)如果与杆相对静止的人测得杆长是l0，沿着杆的方向，以v相对杆运动的人测得杆长是l，那么两者之间的关系是l＝

.(2)l与l0的关系总有

，即运动物体的长度(空间距离)跟物体的运动状态

.(填“无关”或“有关”)l＜l0有关牛顿力学的成就与局限性二1.牛顿力学的成就：牛顿力学的基础是

，

定律的建立与应用更是确立了人们对牛顿力学的尊敬.2.牛顿力学局限性：牛顿力学的适用范围是

(填“高速”或“低速”)运动的

(填“宏观”或“微观”)物体.(1)当物体以接近光速运动时，有些与牛顿力学的结论

.(2)电子、质子、中子等微观粒子的运动

用牛顿力学来说明.3.牛顿力学

被新的科学成就所否定，当物体运动的速度

时，相对论物理学与牛顿力学的结论没有区别.牛顿运动定律万有引力低速宏观不相同不能不会远小于光速c即学即用1.判断下列说法的正误.(1)运动的时钟显示的时间变慢，高速飞行的μ子的寿命变长.(

)(2)沿着杆的方向，相对于观察者运动的杆的长度变短.(

)(3)经典力学只适用于世界上普通的物体，研究天体的运动经典力学就无能为力了.(

)(4)洲际导弹的速度可达到6000m/s，在这种高速运动状态下，经典力学不适用.(

)(5)当物体的速度接近光速时，经典力学就不适用了.(

)(6)对于质子、电子的运动情况，经典力学同样适用.(

)√√××√×2.以约8km/s的速度运行的飞船上，一只完好的手表走过1h，地面上的时钟显示的时间______(填“大于”“等于”或“小于”)1h.大于探究重点提升素养02相对论时空观一导学探究地球绕太阳公转的速度是3×104m/s，设在美国伊利诺斯州费米实验室的圆形粒子加速器可以把电子加速到0.999999999987倍光速的速度，请思考：(1)地球的公转速度在狭义相对论中属于低速还是高速？被加速器加速后的电子的速度属于低速还是高速？答案地球公转速度属于低速，被加速器加速后的电子的速度属于高速.(2)在地面上校准的两只钟，一只留在地面上，一只随宇宙飞船遨游太空，隔一段时间飞船返回地面时，两只钟显示的时间相同吗？有什么差别？答案不相同，随飞船旅行的时钟变慢(显示的时间少).知识深化1.低速与高速(1)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皆为低速运动物体.(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.相对论的两个效应3.对于低速运动的物体，相对论效应可以忽略不计，一般用经典力学规律来处理；对于高速运动问题，经典力学不再适用，需要用相对论知识来处理.例1

在静止坐标系中的正立方体边长为l0，另一坐标系以相对速度v平行于正立方体的一边运动.问在后一坐标系中的观察者测得的立方体的体积是多少？总结提升相对于地面以速度v运动的物体，从地面上看：(1)沿着运动方向上的长度变短了，速度越大，变短得越多.(2)在垂直于运动方向不发生长度收缩效应现象.例2

A、B两火箭沿同一方向高速飞过地面上的某处，vA＞vB，在地面上的人观察到的结果正确的是A.火箭A上的时钟走得最快

B.地面上的时钟走得最快C.火箭B上的时钟走得最快

D.火箭B上的时钟走得最慢√牛顿力学的成就与局限性二导学探究如图1所示，质子束被加速到接近光速，经典力学适用于质子束的运动规律吗？图1答案不适用.知识深化1.经典力学的成就(1)经典力学体系是时代的产物，是现代机械、土木建筑、交通运输以至航空航天技术的理论基础.(2)经典力学的思想方法对艺术、政治、哲学等社会科学领域也有巨大影响.2.经典力学的局限性及适用范围(1)经典力学适用于低速运动的物体，相对论阐述物体在以接近光速运动时所遵循的规律.(2)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.3.相对论和量子力学没有否定经典力学(1)当物体的运动速度远小于光速时，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别；(2)当另一个重要常量即“普朗克常量”可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别.(3)相对论和量子力学并没有否定经典力学，经典力学是二者在一定条件下的特殊情形.例3

(2019·北师大附中高二上期中)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解析经典力学是狭义相对论在低速(v≪c)条件下的近似，即只要速度远小于光速，经过数学变换狭义相对论的公式就全部变化为经典力学的公式，故A正确，B、D错误；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，故C错误.√例4

下列运动中不能用经典力学规律描述的是A.子弹的飞行B.和谐号从深圳向广州飞驰C.人造卫星绕地球运动D.粒子接近光速的运动解析子弹的飞行、火车的运动及人造卫星绕地球的运动，都属于宏观、低速，经典力学能适用.而粒子接近光速的运动，不能适用于经典力学，故选D.√随堂演练逐点落实031.(长度收缩效应)假设地面上有一火车以接近光速的速度运行，其内站立着一个中等身材的人，站在路旁的人观察车里的人，观察的结果是A.这个人是一个矮胖子 B.这个人是一个瘦高个子C.这个人矮但不胖 D.这个人瘦但不高12345√解析取路旁的人为惯性系，车上的人相对于路旁的人高速运动，根据长度收缩效应，人在运动方向上将变窄，但在垂直于运动方向上没有发生变化，故选D.62.(时间延缓效应)话说有兄弟两个，哥哥乘坐宇宙飞船以接近光的速度离开地球去遨游太空，经过一段时间返回地球，哥哥惊奇地发现弟弟比自己要苍老许多，则该现象的科学解释是A.哥哥在太空中发生了基因突变，停止生长了B.弟弟思念哥哥而加速生长了C.由相对论可知，物体速度越大，在其上时间进程就越慢，生理过程也越慢D.这是神话，科学无法解释1234√5解析根据相对论的时间延缓效应，当飞船速度接近光速时，时间会变慢，时间延缓效应对生命过程、化学反应等也是成立的.飞船运行的速度越大，时间延缓效应越明显，人体新陈代谢越缓慢.63.(相对论效应)来自太阳和宇宙深处的高能粒子流，与高层大气作用产生一种叫作μ子的次级宇宙射线，μ子低速运动时的寿命只有3.0μs，按常理，μ子不可能穿过高度大于100km的大气层到达地面，但实际上在地面上可以观测到许多μ子.则根据相对论可以确定：在地球上测量向地球高速飞行的该粒子的平均寿命______(选填“大于”“等于”或“小于”)3.0μs.如果观察者和μ子一起以接近光速的速度飞向地面，观察者认为大气层厚度______(选填“大于”“等于”或“小于”)100km；如果观察者和μ子一起以0.99c的速度飞向地面，观察者观察同方向向地球照射的太阳光的光速______c.(选填“大于”“等于”或“小于”)12345大于小于等于6解析μ子低速运动时的寿命只有3.0μs，根据时间延缓效应知在地球上测量向地球高速飞行的该粒子的平均寿命大于3.0μs；根据长度收缩