【讲与练】高中物理人教版(2019)必修2：7.5 相对论时空观与牛顿力学局限性学案

5．相对论时空观与牛顿力学局限性课程标准1．知道牛顿力学的局限性，体会人类对自然界的探索是不断深入的。2．初步了解相对论时空观。3．关注宇宙起源和演化的研究进展。素养目标知识点1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．爱因斯坦的两个假设：(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。3．时间延缓效应：Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2))。4．长度收缩效应l＝l0eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2)。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。『判一判』(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。(√)『想一想』世界上各式各样的钟：砂钟、电钟、机械钟、光钟和生物钟。既然运动可以使某一种钟变慢，它一定会使所有的钟都一样变慢。这种说法对吗？答案：对。知识点2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_牛顿力学__的规律。2．牛顿力学的局限性：牛顿力学对于_高速运动__的物体和电子、质子、中子等微观粒子是不适用的。3．量子力学的建立能够很好地描述_微观__运动的规律，并在现代科学技术中发挥了重要作用。4．相对论与量子力学都没有_否定__过去的科学，而只认为过去的科学是自己在一定条件下的_特殊__情形。『判一判』(1)在经典力学中，位移的测量与参考系的运动情况无关。(√)(2)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。(×)(3)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。(×)(4)对于宏观物体的低速运动问题，相对论、量子力学与经典力学是一致的。(√)『选一选』(2023·全国高一单元测试)下列说法中不正确的是(B)A．牛顿运动定律适用于宏观、低速、弱作用力领域B．经典力学适用于微观、高速、强引力场等物体的运动C．一旦测出了引力常量，就可以算出地球的质量D．17世纪，牛顿把天空中的现象与地面上的现象统一起来，成功的解释了天体运动的规律解析：牛顿运动定律适用于宏观、低速、弱作用力领域，不适用微观、高速、强相互作用，故A正确，B错误；卡文迪什利用扭秤实验测量出了引力常量G＝6.67×10－11N·m2/kg，由Geq\f(Mm,R2)＝mg知，一旦测出了引力常量，就可以算出地球的质量，故C正确；根据牛顿对万有引力的研究史知D正确。本题选不正确的，故选B。相对论时空观的理解探究相对论时空观的理解要点提炼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长度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典例剖析典题1(多选)用相对论的观点判断下列说法正确的是(CD)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都不会改变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快，但飞船中的宇航员却认为时钟是准确的C．在地面上的人看来，以10km/s的速度垂直地面向上运动的飞船在运动方向上会变短，而飞船中的宇航员却感觉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远小于c时，长度收缩效应和时间延缓效应都可以忽略不计解析：根据相对论可知，时间和空间都是相对的，没有绝对准确的时间和空间，A项错误；由Δt＝eq\f(Δt′,\r(1－\f(v2,c2)))知，在地面上看运动的时钟，发现运动的时钟会变慢，B项错误；由l′＝leq\r(1－\f(v2,c2))可知两处的人都感觉l′<l，C项正确；由时间延缓效应公式和长度收缩效应公式可知，当v远小于c时，时间延缓效应和长度收缩效应都可以忽略不计，D项正确。对点训练❶如图所示，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(D)A．0.4c B．0.5cC．0.9c D．1.0c解析：根据光速不变原理，在一切惯性参考系中测量到真空中的光速c都一样，而壮壮所处参考系即为惯性参考系，因此壮壮观察到的光速为1.0c，选项D正确。牛顿力学的成就与局限性探究牛顿力学的成就与局限性要点提炼1.牛顿力学的成就牛顿力学的基础是牛顿运动定律，在低速、宏观、弱引力的广阔领域，牛顿力学取得了巨大的成就。牛顿力学又称为经典力学。研究方法的代表伽利略的“自然数学法”和牛顿的“归纳演绎法”推动了物理、数学和哲学的发展主要成就天体力学、材料力学和结构力学等得到了广泛的应用18世纪60年代，力学和热力学的发展及应用，引发了第一次工业革命动量守恒定律、机械能守恒定律等是航空航天技术的理论基础2.牛顿力学的局限性20世纪20年代，建立了量子力学，它能够很好地描述微观粒子运动的规律，并在现代科学技术中发挥了重要作用；爱因斯坦的广义相对论表明，在强引力的作用下，牛顿的引力理论将不再适用；相对论和量子力学都没有否定牛顿力学，而是认为牛顿力学是相对论在低速情况下的近似。典例剖析典题2关于牛顿力学、相对论和量子力学，下列说法正确的是(B)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，也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：牛顿力学解决低速、宏观问题，高速运动和强引力作用问题应由相对论解决，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、C、D错误，B正确。对点训练❷(多选)关于牛顿力学理论，下列说法正确的是(ABC)A．牛顿力学是物理学和天文学的基础，也是现代工程技术的理论基础B．牛顿力学的理论体系是经过几代科学家长期的探索，历经曲折才建立起来的C．牛顿力学具有丰富的理论成果，也建立了验证科学的方法体系D．当物体运动速度很大(v→c)、引力很强、活动空间很小(微观)时，牛顿力学理论所得的结果与实验结果之间符合得很好解析：牛顿力学理论的建立历程曲折，成果显著，是物理学、天文学及现代工程技术的理论基础，但也存在一些局限性，当物体运动速度很大(v→c)、引力很强、活动空间很小(微观)时，牛顿力学理论所得的结果与实验结果之间出现了较大的偏差，选项A、B、C正确，选项D错误。易错点：不能灵活运用相对论时空观案例与相对论有关的问题，下列说法正确的是(C)A．火箭内有一时钟，当火箭高速运动后，此火箭内观察者发现时钟变慢了B．一根杆的长度静止时为l0，不管杆如何运动，杆的长度均小于l0C．如果两根平行的杆在沿自己的长度方向上做相对运动，则与它们一起运动的两位观察者都会认为对方的杆缩短了D．相对论只适用于高速运动(速度接近真空中的光速的运动)，不适用于低速运动易错分析：不理解牛顿力学与相对论之间的区别与联系而错选D，对相对论的内容理解不透彻而错选A、B。正确解答：当火箭高速运动后，火箭内观察者相对于时钟的速度为0，所以发现时钟走时速度不变，A错误；一根杆的长度静止时为l0，当杆运动方向与杆垂直时，杆的长度不发生变化，B错误；根据相对论时空观，两根平行的杆在沿自己的长度方向上做相对运动，与它们一起运动的两位观察者都认为对方的杆缩短了，C正确；相对论和牛顿力学在低速运动中的结论没有区别，D错误。一、相对论时空观1．(多选)接近光速飞行的飞船和地球上各有一只相同的铯原子钟，飞船和地球上的人观测这两只钟的快慢，下列说法正确的是(BC)A．飞船上的人观测到飞船上的钟较慢B．飞船上的人观测到飞船上的钟较快C．地球上的人观测到地球上的钟较快D．地球上的人观测到地球上的钟较慢解析：飞船上的人以飞船为参考系，故地球是高速运动的，根据时间延缓效应，飞船上的人观测到地球上的铯原子钟较慢，即飞船上的人观测到飞船上的铯原子钟较快，故A错误，B正确；地球上的人以地球为参考系，飞船是高速运动的，同样根据时间延缓效应，观测到飞船上的钟较慢，故地球上的人观测到地球上的钟较快，故C正确，D错误。2．(2023·福建福州高一月考)下列说法中不正确的是(C)A．杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同，这是经典物理学家的观点B．由静止的人来测，沿自身长度方向运动的杆的长度总比杆静止时的长度小C．杆静止时的长度为l0，不管杆如何运动，杆的长度均小于l0D．如果两根平行的杆在沿自己的长度方向上做相对运动，与它们分别相对静止的两位观察者都会认为对方的杆缩短了解析：经典物理学家认为，空间是绝对的，杆的长度与观察者相对其是否运动无关，故A说法正确，不符合题意；狭义相对论认为，沿杆子方向运动的杆子的长度比它静止时的长度短，故B说法正确，不符合题意；当杆运动的方向与杆垂直时，杆的长度不发生变化，故C说法错误，符合题意；根据相对论时空观的观点，两根平行的杆在沿自己的长度方向上做相对运动，与它们分别相对静止的两位观察者都会认为对方的杆缩短了，故D说法正确，不符合题意。3．(2023·辽宁本溪县高一月考)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(D)解析：根据相对论效应可知，沿x轴方向正方形边长缩短，沿y轴方向和z轴方向正方形边长不变。故选D。二、牛顿力学的成就与局限性4．下列物体的运动，不能用经典力学描述的是(B)A．“复兴”号列车高速行驶B．电子以接近光的速度运动C．“神舟十号”飞船在轨道上运行D．“辽宁”号航空母舰在大海上航行解析：经典力学适用于低速、宏观的物体，不适用于高速、微观的物体，故电子以接近光的速度运动时不能用经典力学描述，列车的行驶、飞船的运行以及航空母舰在大海中行驶都能用经典力学描述，故不能用经典力学描述的只有B，B正确，A、C、D错误。5．关于牛顿力学的局限性，下列说法正确的是(A)A．牛顿力学适用于宏观低速运动的物体B．由于牛顿力学有局限性，所以一般力学问题都用相对论来解决C．火车提速后，有关速度问题不能用牛顿力学来处理D．牛顿力学只适用于像地球和太阳那样大的宏观物体解析：牛顿力学适用于宏观低速物体，它不仅仅适用于像地球和太阳这样大的宏观物体，还适用于体积较小一些的宏观物体，故A正确，D错误；虽然牛顿力学有局限性，但它适用于一般的宏观低速物体，对于常见力学问题仍可以用牛顿力学求解，B错误；火车提速后，仍处于宏观低速状态，相对论中“高速”指速度接近光速，C错误。6．(多选)来自中国的全国首颗量子科学实验卫星“墨子号”从太空发出两道红色的光，射向青海德令哈站与千公里外的云南丽江高美古站，首次实现人类历史上第一次距离达“千公里级”的量子密钥分发。下列说法正确的是(AC)A．牛顿力学适用于描述“墨子号”绕地球运动的规律B．牛顿力学适用于描述光子的运动规律C．量子力学可以描述“墨子号”发出的“