《相对论时空观与牛顿力学的局限性》 素养导学

5.相对论时空观与牛顿力学的局限性

一、相对论时空观任务驱动一架飞机在上海杨浦大桥上空匀速飞过，飞机飞行方向与大桥平行，问飞机上的乘客看到的大桥长度与静止观察时相比有什么变化？提示：变短了。1.爱因斯坦两个假设：(1)在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是_____的；(2)真空中的光速在不同的参考系中大小都是_____的。相同相同2.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在同一地点完成这个动作的时间间隔为Δt，则Δt=_______。由于1-()2<1，所以总有Δt>Δτ，此种情况称为时间延缓效应。3.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，则l=__________。由于1-()2<1，所以总有l<l0，此种情况称为长度收缩效应。二、牛顿力学的成就与局限性任务驱动能根据牛顿运动定律研究原子中电子的运动吗？提示：不能。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，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牛顿力学来说明。(2)牛顿力学只适用于_____运动，不适用于_____运动。牛顿力学低速高速主题一相对论时空观【生活情境】【问题探究】(1)如图1所示子弹相对飞船速度是多少？提示：子弹相对于飞船速度为v1+v。(2)如图2所示光相对飞船的速度是多少？提示：光相对于飞船速度仍然为c。实验现象表明，不论光源和观察者做怎样的相对运动，光速都是恒定的。(3)在经典力学和狭义相对论中位移和时间的测量结果在不同参考系中有何区别？提示：在经典力学中，同一过程的位移和时间的测量结果在不同参考系中是相同的；在狭义相对论中，同一过程的位移和时间的测量结果在不同参考系中是不同的。【结论生成】1.经典时空观和相对论时空观： (科学思维)经典时空观狭义相对论时空观光速相对的绝对的(不变)同时绝对的相对的时间与空间与运动无关，绝对的与运动有关，相对的2.爱因斯坦的狭义相对论重要结论：(科学思维)时间、长度都与参考系的选择有关。①同时是相对的。②运动的时钟变慢(钟慢效应)：运动时钟的“指针”行走的速率比时钟静止时的速率慢，这就是时钟变慢或时间膨胀效应，即Δt=。③运动的尺子缩短(尺缩效应)：如果以l0表示尺子的静止长度，l表示运动时的长度，v表示尺子在其长度方向上运动的速度，则l=l0

。【典例示范】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？【解析】当火箭速度较低时，火箭上的人看到铁路的长度基本不变，还是100km。当火箭的速度达到0.6c时，由相对论长度公式l=l0

代入相应的数据得：l=100×km=80km。答案：100km

80km【探究训练】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。若vB<vC，地面上的观察者认为哪个时钟走得最慢？哪个走得最快？【解析】地面上的观察者认为C钟走得最慢，因为它相对于观察者的速度最大。根据公式Δt=可知，相对于观察者的速度v越大，其上的时间进程越慢。A钟v=0，它记录的两事件的时间间隔最大，即A钟走得最快。答案：地面上的观察者认为C钟走得最慢，A钟走得最快。主题二牛顿力学的成就与局限性【生活情境】【问题探究】(1)图1《自然哲学的数学原理》是牛顿重要的物理学哲学著作，是经典力学的基础，牛顿力学的适用范围是什么？提示：适用于宏观世界、低速运动。(2)经典力学与行星轨道的矛盾是什么？说明了什么问题？提示：按牛顿的万有引力定律推算，行星应该沿着一些椭圆做周期性运动，而天文观测表明，行星的轨道并不是严格闭合的，它们的近日点在不断地旋进，如水星的运动，说明经典力学只适用于弱引力场，而不适用于强引力场。(3)图2是相对论的时空观，经典力学和相对论及量子力学的关系如何？提示：经典力学是相对论及量子力学在一定条件下的特例，它包含于相对论和量子力学中，相对论和量子力学的建立并没有否定经典力学。【结论生成】经典力学与相对论、量子力学的比较(科学思维)经典力学相对论、量子力学形成时期物理学形成的初期阶段，受历史发展限制，理论较肤浅、片面形成于物理学充分发展的现代，理论较完善、科学适用范围低速运动、宏观世界，弱引力作用任何情况都适用经典力学相对论、量子力学速度的合成时间与空间互不相干，关系式v船岸=v船水+v水岸成立速度与位移、时间的测量有关，v船岸=v船水+v水岸不成立引力规律牛顿的万有引力定律认为物体间的引力符合“平方反比”规律爱因斯坦引力理论认为物体间的引力不完全符合“平方反比”规律经典力学相对论、量子力学联系(1)以下两种情况，相对论与经典力学的结论没有区别：①物体的速度远小于光速c(3×108m/s)时。②普朗克常量(6.63×10-34J·s)可以忽略不计时。(2)相对论和量子力学都没有否定经典力学，经典力学是相对论、量子力学的特殊情况【典例示范】(多选)以下说法正确的是 (

)A.经典力学理论普遍适用，大到天体，小到微观粒子均适用B.经典力学理论的成立具有一定的局限性C.在经典力学中，物体的质量不随运动状态的改变而改变D.相对论与量子力学否定了经典力学理论【解析】选B、C。经典力学理论只适用于宏观、低速运动的物体，A错误；经典力学只在一定条件下适用，具有一定局限性，B正确；经典力学研究的是低速运动问题，物体的质量变化很小，可以认为不变，C正确；相对论和量子力学并没有否定经典力学，认为经典力学是在一定条件下的特殊情形，D错误。【探究训练】1.牛顿定律不适用于下列哪些情况 (

)A.研究原子中电子的运动B.研究“神舟十号”飞船的高速发射C.研究地球绕太阳的运动D.研究飞机从北京飞往纽约的航线【解析】选A。牛顿定律属于经典力学的研究范畴，适用于宏观、低速运动的物体，低速和高速的标准是相对于光速，可判定牛顿定律适用于B、C、D项中描述的运动，而A项不适用。2.(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】选B、C。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。【补偿训练】关于经典力学和量子力学，下列说