第5节　相对论时空观与牛顿力学的局限性 教学课件

物理第七章万有引力与宇宙航行第5节相对论时空观与牛顿力学的局限性01必备知识素养奠基02关键能力素养形成[学习目标]1．了解经典力学的发展历程和伟大成就．2．认识经典力学的局限性和适用范围．3．初步了解微观和高速世界中的奇妙现象．4．了解相对论、量子力学和经典力学的关系．知识点1相对论时空观1．19世纪，英国物理学家麦克斯韦根据电磁场理论预言了__________的存在，并证明电磁波的传播速度等于_________．2．1887年的迈克耳孙—莫雷实验以及其他一些实验表明：在不同的参考系中，光的传播速度都是_______的．电磁波光速c一样相同相同运动状态[判一判]1．(1)洲际导弹的速度有时可达到6000m/s，此速度在相对论中属于高速．(

)(2)时间间隔和长度在任何时候都不会变．(

)(3)对于高速运动的物体，它的长度随着速度的增大而减小．(

)√××知识点2牛顿力学的成就与局限性1．电子、质子、中子等微观粒子不仅具有_________，同时还具有波动性，它们的运动规律在很多情况下不能用经典力学来说明，而______________能够很好地描述微观粒子的运动规律．2．经典力学的适用范围：只适用于_______运动，不适用于_______运动；只适用于_______世界，不适用于_______世界．粒子性量子力学低速高速宏观微观[判一判]2．(1)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．(

)(2)牛顿力学适用于低速、宏观物体．(

)(3)相对论时空观否定了牛顿力学时空观．(

)√×√1．(光速不变原理)在高速世界里，时间和空间都是相对的，都会随惯性参考系的选择不同而不同．基于爱因斯坦的假设，下列说法正确的是(

)A．物理规律在一切参考系中都具有相同的形式B．在一切参考系中，测量到的真空中的光速c都一样C．在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速c都一样D．上面所述均不正确√解析：关于相对论时空观，爱因斯坦的假设是：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的；真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的，故A、B错误，C正确．2．(相对时空观)通过一个加速装置对电子施加一很大的恒力，使电子从静止开始加速，则对这个加速过程，下列描述正确的是(

)A．根据牛顿第二定律，电子将一直做匀加速直线运动B．电子先做匀加速直线运动，后以光速做匀速直线运动C．电子开始近似于匀加速直线运动，后来质量增大，牛顿运动定律不再适用D．电子是微观粒子，整个加速过程根本就不能用牛顿运动定律来解释√解析：电子在加速装置中由静止开始加速运动，初始阶段速度较小，远小于光速，此时牛顿运动定律基本适用，可以认为在它被加速的最初阶段，它做匀加速运动；随着电子速度越来越大，接近光速时，相对论效应越来越明显，质量增大，它不再做匀加速直线运动，牛顿运动定律不再适用．3．(经典力学与相对论)

关于经典力学和相对论，下列说法正确的是(

)A．经典力学和相对论是各自独立的学说，互不相容B．相对论是在否定了经典力学的基础上建立起来的C．相对论和经典力学是两种不同的学说，二者没有联系D．经典力学包含于相对论之中，经典力学是相对论的特例解析：经典力学包含于相对论之中，经典力学是相对论的特例，即当速度远小于光速时的特殊情形，故D正确．√探究一相对论时空观与牛顿力学

1．绝对时空观绝对时空观认为时间和空间是两个独立的观念，彼此之间没有联系，分别具有绝对性．绝对时空观首先由牛顿明确提出，也叫牛顿力学时空观．在绝对时空观中，时间与空间的度量与惯性参考系的运动状态无关．(1)惯性系：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，相对一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系．惯性系就是没有加速度的参考系，如地面．(2)非惯性系：牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性参考系，如加速中的汽车，这个汽车作为参考系就是非惯性参考系．2．相对论时空观(1)爱因斯坦提出一个假设：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的．(2)爱因斯坦提出另一个假设：真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的．在上述两个假设的基础上，爱因斯坦对时间和空间进行了新的诠释：时间和空间会随物体运动而发生变化，具有相对性，而产生这些变化是由于观测者在不同的惯性参考系中观测到的效果不一样．这就是相对论时空观．【例1】牛顿力学的基础是牛顿运动定律，但它也有自己的局限性，以下说法正确的是(

)A．牛顿力学适用于研究接近光速运行的物体的规律B．牛顿力学一般不适用于微观粒子C．牛顿力学和相对论是完全对立的D．牛顿运动定律不适用于研究在高速公路上行驶的汽车的运动规律√[解析]

牛顿力学适用于研究宏观低速物体的运动，而不适用于研究接近光速运行的物体的规律，A错误；牛顿力学适用于研究宏观低速物体的运动，一般不适用于微观粒子，B正确；相对论是在牛顿力学的基础上发展起来的，不是对牛顿力学的全面否定，C错误；牛顿运动定律适用于研究在高速公路上行驶的汽车的运动规律，D错误．[针对训练1]经典力学只适用于“宏观世界”，这里的“宏观世界”是指(

)A．行星、恒星、星系等巨大的物质领域B．地球表面上的物质世界C．人眼能看到的物质世界D．不涉及分子、原子、电子等微观粒子的物质世界解析：“宏观世界”是指牛顿力学适用的体系，包括非常广阔的范围，前三个选项说的当然都属于“宏观世界”，但都很片面，没有全面描述，D正确．√探究二时间延缓效应

1．同时的相对性(1)绝对时空观对“同时”的认识：在同一个惯性参考系不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察也是同时的．(2)相对论的时空观对“同时”的认识：“同时”具有相对性，即在同一个惯性参考系不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察不一定是同时的．【例2】如图所示，有三个完全相同的时钟，时钟A放在地面上，时钟B、C分别放在两个火箭上，两个火箭分别以速度vB和vC朝同一方向飞行，vB＜vC，对于地面上的观察者来说，以下说法中正确的是(

)

A．时钟A走得最慢

B．时钟B走得最慢C．时钟C走得最慢

D．时钟C走得最快√[解析]

根据相对论的时空观，运动的时钟变慢，时钟C的速度最大，时钟C走得最慢，C正确，A、B、D错误．[针对训练2]某星际飞船正在遥远的外太空飞行，假如它的速度可以达到0.7c，在地球上观测到其经过8.76×104h的时间到达某星球，则在飞船上的人看来，其到达此星球需要的时间是(

)A．8.76×104h

B．6.26×104hC．12.27×104h

D．16.52×104h√【例3】一高速列车通过洞口为圆形的隧道，列车上的司机对隧道的观察结果为(

)A．洞口为椭圆形，长度变短B．洞口为圆形，长度不变C．洞口为椭圆形，长度不变D．洞口为圆形，长度变短√[解析]

根据长度收缩效应，在尺子长度方向上运动的尺子比静止时短，所以高速列车通过洞口为圆形的隧道时，列车上的司机观察到隧道口的形状仍然是圆形，但是观察到隧道的长度变短，故选D.[针对训练3]两个惯性系S和S′，沿x(x′)轴方向做匀速相对运动．设在S′系中某点先后发生两个事件，用静止于该系的钟测出两事件的时间间隔为τ0,而用固定在S系的钟测出这两个事件的时间间隔为τ.又在S′系x′轴上放置一静止于该系长度为l0的细杆，从S系测得此杆的长度为l，则判断τ与τ0、l与l0的大小关系．解析：牛顿力学认为，无论静止还是运动，