新教材同步备课2024春高中物理第7章万有引力与宇宙航行5.相对论时空观与牛顿力学的局限性学生用书新人教版必修第二册

5．相对论时空观与牛顿力学的局限性1．知道爱因斯坦两个假设的基本内容，初步了解相对论时空观。2．知道光速不变原理，会用长度收缩效应和时间延缓效应分析问题。3．认识牛顿力学的局限性，体会人类对自然界的探索是不断深入的。相对论时空观1．爱因斯坦的两个假设(1)在不同的____参考系中，物理规律的形式都是____的。(2)真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是____的。2．时间和空间的相对性(1)时间延缓效应。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完成这个动作的时间间隔为Δt，那么两者之间的关系是Δt＝_______由于物体的速度不可能达到光速，所以1－vc2＜1，总有Δt>Δτ(2)长度收缩效应。如果与杆相对静止的人测得杆长是l0，沿着杆的方向，以速度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＝_______。由于1－vc2<1，所以总有l<l3．相对论时空观Δt＝Δτ1-vc2和l＝l01-vc2表明：运动物体的长度(空间距离运动物体的长度(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，如图所示，静止在地球上的人测得地月之间的距离为l0。【问题】(1)坐在从地球高速飞往月球的飞船里的航天员测得地月之间的距离仍为l0吗？__________________________________________________________________________________________________________________________________________(2)实际上物体长度和时间的长度真的变化了吗？__________________________________________________________________________________________________________________________________________(3)我们平时为何观察不到长度收缩效应呢？__________________________________________________________________________________________________________________________________________1．狭义相对论的两个假设(1)相对性原理物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式。(2)光速不变原理在一切惯性参考系中，测得的真空中的光速c都相同。2．相对论时空观得到的两个效应(1)时间延缓效应：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，那么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，有Δt＝Δτ1-vc2，c理解：①对同一物理过程经历的时间，在不同的惯性参考系中观测，测得的结果不同，时间延缓效应是一种观测效应，不是被测过程的节奏变化了。②惯性参考系速度越大，地面上的人观测到的时间越长。③由于运动是相对的，故在某一参考系中观测另一参考系中发生的物理事件，总会感到时间延缓效应。即惯性参考系中的人观测地面上发生的事件的时间也延缓。(2)长度收缩效应：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，有l＝l01-vc2，总有l理解：①长度收缩效应也是一种观测效应，不是物体本身发生了收缩。②在垂直于运动方向上，物体不会发生收缩效应。③由于运动是相对的，故在某一参考系中观测另一参考系中沿杆方向的长度，总有长度收缩效应。即在静止惯性参考系中的人观测运动的杆，沿杆运动方向的长度发生收缩。【典例1】一支静止时30m的火箭以3km/s的速度从观察者的身边飞过。(1)观察者测得火箭的长度应为多少？(2)火箭上的人测得火箭的长度应为多少？(3)如果火箭的速度为光速的二分之一，观察者测得火箭的长度应为多少？(4)火箭内完好的手表走过了1min，地面上的人认为经过了多少时间？[思路点拨]解此题的关键是理解公式l＝l01-v2c2、[听课记录]_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________理解相对论效应的两点注意(1)时间延缓效应是一种观测效应，不是时钟走快了或走慢了，也不是被观测过程的节奏变化了。(2)长度收缩效应也是一种观测效应，不是物体本身发生了收缩。另外，在垂直于运动方向上不会发生收缩效应。[跟进训练]1．A、B两火箭沿同一方向高速飞过地面上的某处，vA＞vB，在火箭A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2．在一个飞船上测得船的长度为100m，高度为10m，当飞船以0.60c的速度从你身边经过时，按你的测量，飞船的高度和长度各为多少？__________________________________________________________________________________________________________________________________________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，都服从________的规律。2．牛顿力学的局限性(1)微观世界：电子、质子、中子等微观粒子，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牛顿力学来说明。(2)牛顿力学只适用于____运动，不适用于____运动。如图所示是粒子对撞机，它是人类研究物质基本微观结构的重要工具，通过持续输入能量，让亚原子粒子在管道中以极限接近光速的速度高速运动。【问题】(1)牛顿力学是否适用于质子的运动规律？__________________________________________________________________________________________________________________________________________(2)如何研究质子的运动规律？__________________________________________________________________________________________________________________________________________(3)相对论、量子力学否定了牛顿力学吗？__________________________________________________________________________________________________________________________________________1．牛顿力学与相对论、量子力学的区别(1)牛顿力学适用于低速运动的物体；相对论是爱因斯坦阐述物体在以接近光速运动时所遵循的规律。(2)牛顿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。2．牛顿力学与相对论、量子力学的联系(1)当物体的运动速度远小于光速时，相对论物理学与牛顿力学的结论没有区别。(2)当另一个重要常数即普朗克常量h可以忽略不计时，量子力学和牛顿力学的结论没有区别。(3)相对论和量子力学并没有否定牛顿力学，牛顿力学是二者在一定条件下的特殊情形。【典例2】关于牛顿力学、爱因斯坦假设和量子力学，下列说法正确的是()A．爱因斯坦假设和牛顿力学是相互对立、互不相容的两种理论B．牛顿力学包含于相对论之中，牛顿力学是相对论的特例C．牛顿力学只适用于宏观物体的运动，量子力学只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[听课记录]_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________[跟进训练]3．关于牛顿力学的适用范围和局限性，下列说法正确的是()A．牛顿力学过时了，应该被量子力学所取代B．由于超音速飞机的速度太大，其运动不能用牛顿力学来解释C．人造卫星的运动不适合用牛顿力学来描述D．当物体的速度接近光速时，其运动规律不适合用牛顿力学来描述1．对于时空观的认识，下列说法正确的是()A．相对论给出了物体在低速运动时所遵循的规律B．相对论具有普遍性，经典物理学为它在低速运动时的特例C．相对论的出现使经典物理学在自己的适用范围内不再继续发挥作用D．经典物理学建立在实验的基础上，它的结论又受到无数次实验的检验，因此在任何情况下都适用2．(多选)下列说法正确的是()A．物理规律在所有惯性系中都具有相同的形式B．在真空中，光的速度与光源的运动状态无关C．在惯性系和非惯性系中光都是沿直线传播的D．在所有惯性系中，光在真空中沿任何方向传播的速度都相同3．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，以速度vb和vc朝同一方向飞行，vb>vc。在地面上的人看来，关于时钟快慢的说法正确的是()A．B钟最快，C钟最慢 B．A钟最快，C钟最慢C．C钟最快，B钟最慢 D．A钟最快，B钟最慢4．甲、乙两人站在地面上时身高都是L0，甲、乙分别乘坐速度为0.6c和0.8c(c为光速)的飞船同向运动，如图所示。此时乙观察到甲的身高L________L0；若甲向乙挥手，动作时间为t0，乙观察到甲动作时间为t1，则t1________t0。(均选填“＞”“＝”或“＜”)回归本节知识，自我完成以下问题：1．爱因斯坦两个假设的内容是什么？2．狭义相对论的两个效应是什么？5．相对论时空观与牛顿力学的局限性[关键能力·情境探究达成]知识点一挖掘教材·梳理要点1．(1)惯性相同(2)相同2．(1)Δτ1-vc2(2)创设情境·启发思考提示：(1)不是，航天员测得的地月之间的距离小于l0。(2)没有，这只是一种观测效果。(3)根据长度收缩效应表达式l＝l01-vc2，因为我们生活在低速世界中，v≪c，l互动探究·深化提升典例1解析：火箭上的人相对火箭永远是静止的，无论火箭速度是多少，火箭上的人测得火箭长与静止时测得的火箭的长均是l0＝30m，而火箭外面的观察者看火箭时，有相对速度v，则它的测量值要缩短，即l＜l0，由l＝l01-v2c2，当v＝3×103m/s时，l＝30×1-10-10m≈30m，当v＝c2时，l′≈26mΔt＝Δτ1-v2c答案：(1)约30m(2)30m(3)约26m(4)约1min跟进训练1．A[在火箭A上的人看来，地面和火箭B都高速远离自己，由Δt＝Δτ1-vc2知，在火箭A上的人观察到的结果是地面和火箭B上的时钟都变慢了，且vA＞vB，故火箭A上的时钟走得最快，地面上的时钟最慢，故A正确，B2．解析：因为长度收缩只发生在运动的方向上，在垂直于运动方向上的长度不发生这种效应，故飞船的高度仍为10m，若测得飞船的长度为l，由长度收缩效应知l＝l01-v2c2＝100×答案：10m80m知识点二挖掘教材·梳理要点1．牛顿力学2．(2)低速高速创设情境·启发思考提示：(1)不适用，牛顿力学只适用于宏观低速运动。(2)描述微观高速粒子的运动要用到量子力学。(3)相对论、量子力学没有否定牛顿力学，牛顿力学是相对论、量子力学在一定条件下的特例。互动探究·深化提升典例2B[相对论没有否定牛顿力学，牛顿力学是相对论在一定条件下的特殊情形，A错误，B正确；牛顿力学适用于宏观、低速、弱引力的领域，C、D错误。]跟进训练3．D[牛顿力学没有过时，在低速宏观问题中仍然适用，故A错误；超音速飞机的速度远低于光速，其运动能用牛顿力学来解释，故B错误；人造卫星的运动速度远低于光速，适合用牛顿力学来描述，故C错误；当物体的速度接近光速时，其运动规律不适合用牛顿力学来描述，故D正确。][学习效果·随堂评估自测]1．B[相对论给出了物体在高速运动时所遵循的规律，经典物理学为它在低速运动时的特例，在自己的适用范围内还将继续发挥作用；经典物理学适用于宏观、低速运动，不适用于微观、高速运动，故A、C、D错误，B正确。]2．ABD[根据相对性原理知，物理规律在所有惯性系中都具有相同的形式，A