相对论时空观与牛顿力学的局限性

目标素养1.通过电磁波的传播与牛顿力学理论的矛盾,初步形成对爱因斯坦相对论的正确认识,形成正确的物理观念2.通过实例分析,理解相对论的时空观3.掌握时间延缓效应和长度收缩效应,并能进行简单运算4.知道牛顿力学的局限性和适用范围5.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概览课前•基础认知课堂•重难突破随堂训练课前•基础认知一、相对论时空观1.绝对时空观:时间与空间都是独立于物体及其

运动

而存在的,也叫牛顿力学时空观。

2.爱因斯坦的假设:(1)在不同的惯性参考系中,物理规律的形式都是

相同

的;(2)真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是

相同

的。

5.相对论时空观: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。

微思考若一列火车的速度是10m/s,一个人在车上相对于车以10m/s的速度向前跑,那么他相对于地面的速度为20m/s。若火车的速度为0.9c(c为光速),火车上的人向前发出一束激光(相对于车的速度为c)。激光相对于地面的速度是否为1.9c?提示:根据光速不变原理光速仍为c,对于高速运动的物体,例如本题中以0.9c的速度行驶的列车,牛顿力学中的结论不能简单套用。二、牛顿力学的成就与局限性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.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牛顿力学来说明,而

量子力学

能够正确地描述微观粒子的运动规律。3.牛顿力学的适用范围。牛顿力学适用于

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。

当物体的运动速度远小于光速c(3×108m/s)时,相对论物理学与牛顿力学的结论

没有区别

。当另一个重要常数即“普朗克常量”(6.63×10-34J·s)可以忽略不计时,量子力学和牛顿力学的结论

没有区别

。

微判断1.牛顿力学一般不适用于微观粒子。(

)2.量子力学不能描述微观粒子的运动规律。(

)3.量子力学和相对论都没有否定过去的科学。(

)√×√课堂•重难突破重难归纳1.时间延缓。2.长度收缩。

一相对论时空观地面上A、B两个事件同时发生。如图所示,一人坐在火箭内沿两个事件发生地点A、B连线飞行,A、B事件发生时火箭位于A、B连线中点,则对于此人来说哪个事件先发生?提示:B事件先发生。以地面为参考系,A、B两个事件同时发生,即如果在A、B连线中点C放一时钟,将同时接收到来自A、B的信号。设想该时钟以与火箭相同的速度飞行,则先接收到来自B的信号,后接收到来自A的信号,即以火箭(或火箭内的人)为参考系,B事件先发生。典例剖析1.π+介子是一种不稳定粒子,平均寿命是2.6×10-8s(在自己的参考系中测得)。(1)如果此粒子相对于实验室以0.8c的速度运动,那么在实验室坐标系中测量的π+介子寿命多长?(2)π+介子在衰变前运动了多长距离?答案:(1)4.3×10-8s

(2)10.32m解析:(1)π+介子在实验室中的寿命为

(2)该粒子在衰变前运动的距离为x=vΔt=0.8×3×108×4.3×10-8

m=10.32

m。误区警示一个相对我们做高速运动的惯性系中发生的物理过程,我们观察到此过程所经历的时间长,表现为时间上的延缓或时钟变慢,用式子表示为Δt=

,显然v越大,Δt与Δτ差别越大,但一定有Δt>Δτ,即在某一个参考系中观察另一个不同参考系里发生的物理事件时,总感到时间延缓。2.地面上长100km的铁路上空有一火箭沿铁路方向以30km/s的速度掠过,则火箭上的人看到铁路的长度应该为多少?如果火箭的速度达到0.6c,则火箭上的人看到的铁路的长度又是多少?答案:100km

80km解析:当火箭速度较小时,长度基本不变,还是100

km。当火箭的速度达到0.6c时,由相对长度公式2.在低速时,长度基本不变,在高速即与光速可比拟时,长度的变化就不能忽略了。学以致用1.如图所示,A、B、C是三个完全相同的时钟,A放在地面上,B、C分别放在两个火箭上,以不同的速度向同一个方向飞行,B的速度小于C的速度,地面上的观察者认为哪个时钟走得最慢?哪个时钟走得最快?答案:C

A解析:地面上的人认为C钟走得最慢,是因为它相对于观察者的速度最大。根据时间延缓效应的公式Δt=

可知,相对于观测者的速度越大,其上的时间进程越慢。地面上A钟相对于观察者的速度v=0,即地面上的观察者认为A钟走得最快。2.如果两条平行的等长的杆在沿自己的长度方向做相对运动,与它们一起运动的两位观察者会对两杆的长短作出什么判断?答案:这两位观察者都会认为对方的杆缩短了。解析:每一位观察者如果测出与自己相对静止的杆长为l0,则可由长度的相对性知他测出另一根杆的长度l=l0

。重难归纳1.区别。二狭义相对论与量子理论的比较2.联系。(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)当另一个重要常数即“普朗克常量”可以忽略不计时,量子力学和牛顿力学的结论没有区别。如图甲所示,质子束被加速到接近光速;如图乙所示,中子星是质量、密度非常大的星体。请思考:牛顿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。典例剖析(多选)以下说法正确的是(

)A.牛顿力学理论普遍适用,大到天体,小到微观粒子均适用B.牛顿力学理论具有一定的局限性C.在牛顿力学中,物体的质量不随运动状态的改变而改变D.相对论和量子力学否定了牛顿力学理论答案:BC解析:牛顿力学理论具有一定的局限性,它只适用于低速、宏观物体的运动,选项A错误,B正确;在牛顿力学中,物体的质量不随运动状态的改变而改变,即物体的质量和物体的运动状态无关,选项C正确;相对论和量子力学并没有否定过去的科学,而是认为牛顿力学理论是在一定条件下的特殊情形,选项D错误。规律总结科学的成就总是在某些条件下的局部形成,在新的科学成就形成后,它将被包括在其中。爱因斯坦的相对论并没有否定牛顿力学的理论,而是把它看成是在一定条件下的特殊情形。学以致用(多选)关于牛顿力学、狭义相对论和量子力学,下列说法正确的是(

)A.狭义相对论和牛顿力学是相互对立的两种理论B.在物体高速运动时,物体的运动规律服从狭义相对论理论;在低速运动时,物体的运动规律服从牛顿运动定律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BC解析: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形,选项A错误;牛顿力学适用于宏观物体的低速运动,对于微观粒子的高速运动问题,牛顿力学不再适用,但相对论、量子力学适用,选项B、C正确,D错误。随堂训练1.用相对论的观点判断,下列说法不正确的是(

)A.时间和空间都是绝对的,在任何参考系中一个事件发生的时间和一个物体的长度总不会改变B.在地面上的人看来,以10km/s的速度运动的飞船中的时钟会变慢,但是飞船中的航天员却看到时钟是准确的C.在地面上的人看来,以10km/s的速度运动的飞船在运动方向上会变窄,而飞船中的航天员却感觉到地面上的人看起来比飞船中的人扁一些D.当物体运动的速度v≪c时,“时间延缓”和“长度收缩”效应可忽略不计A2.下列说法正确的是(

)A.牛顿力学适用于任何情况下的任何物体B.狭义相对论否定了牛顿力学C.量子力学能够描述微观粒子运动的规律D.万有引力定律也适用于强相互作用力答案:C解析:牛顿力学只适用于宏观、低速、弱引力的情况,选项A错误。狭义相对论没有否定牛顿力学,在宏观低速情况下,相对论的结论与牛顿力学没有区别,选项B错误。量子力学正确地描述了微观粒子运动的规律,选项C正确。万有引力定律适用于弱相互作用力,而对于强相互作用力是不适用的,选项D错误。3.假设甲在接近光速的火车上看地面上乙手中沿火车前进方向放置的尺,同时地面上的乙看甲手中沿火车前进方向放置的相同的尺,则下列说法正确的是(

)A.甲看到乙手中的尺长度比乙看到自己手中的尺长度大B.甲看到乙手中的尺长度比乙看到自己手中的尺长度小C.乙看到甲手中的尺长度比甲看到自己手中的尺长度大D.乙看到甲手中的尺长度与甲看到自己手中的尺长度相同答案:B解析:由l=l0

可知,运动的观察者观察静止的尺子和静止的观察者观察运动的尺子时,都出现尺缩效应,即都发现对方手中的尺子比自己手中的短,选项B正确,A、C、D错误。4.如图所示,在一个高速转动的巨大转盘上,放着A、B、C三个时钟,下列说法正确的是(

)A.A时钟走时最慢,B时钟走时最快B.A时钟走时最慢,C时钟走时最快C.C时钟走时最慢,A时钟走时最快D.B时钟走时最慢,A时钟走时最快答案:C5.如图所示,假设强强乘坐速度为0.9c(c为光速)的宇宙飞船追赶正前方的壮壮,壮壮的飞行速度为0.5c,强强向壮壮发出一束光进行联络,则壮壮观测到该光束的传播速度为(

)A.0.4c B.0.5c

C.0.9c D.1.0c答案:D6.如图所示,车厢长为