2024-2025学年新教材高中物理第七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案新人教版必修2

PAGE13-相对论时空观与牛顿力学的局限性学问结构导图核心素养目标物理观念：惯性系的概念，经典时空观与相对论时空观．科学探究：查阅相对论时空观的验证资料，体会人类对自然界的探究是不断深化的．科学思维：经典理论与狭义相对论的区分．科学看法与责任：会利用相对论时空观说明与日常生活相关的时间和长度的相对性问题学问点一相对论时空观阅读教材第65～67页“相对论时空观”部分．1．惯性系与非惯性系(1)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)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．经典相对性原理：表述一：力学规律在任何________中都是相同的．表述二：在一个惯性参考系内进行的任何力学试验都不能推断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做________运动．表述三：任何惯性系都是________的．3．狭义相对论的两个基本假设：(1)试验基础：不论光源与观测者做怎样的相对运动，光速都是________．(2)两个基本假设.项目内容狭义相对性原理在不同的________参考系中，物理规律的形式都是相同的光速不变原理真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是________的4.时间和空间的相对性(1)时间延缓效应假如相对于地面以v运动的________上的人视察到与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为Δτ，地面上的人视察到该物体在________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1－eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2<1，所以总有Δt>Δτ，此种状况称为时间________．(2)长度收缩效应假如与杆________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，那么两者之间的关系是l＝________由于1－eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2<1，所以总有l<l0，此种状况称为长度________．图解1：图解2：小车的加速度a＝0时，单摆和小球的状态符合牛顿运动定律；小车的加速度a≠0时，单摆和小球的状态不符合牛顿运动定律．点睛：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．

学问点二牛顿力学的成就与局限性阅读教材第68页“牛顿力学的成就与局限性”部分．1．牛顿力学的成就(1)从地面上物体的运动到________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________工具的运动，从投出篮球到放射________、人造地球卫星、宇宙飞船……全部这些都听从牛顿力学的规律．(2)牛顿力学在如此广袤的领域里与实际相________，显示了________的正确性和牛顿力学的魅力．像一切科学一样，牛顿力学没有也不会穷尽一切真理，它也有自己的局限性．它像一切科学理论一样，是一部“未完成的交响曲”．2.牛顿力学的局限性(1)19世纪末和20世纪初，物理学探讨深化到________，发觉了电子、________、中子等微观粒子，而且发觉它们不仅具有粒子性，同时还具有波动性，它们的运动规律在许多状况下不能用________来说明．(2)20世纪20年头，________建立了，它能够很好地描述________运动的规律，并在现代科学技术中发挥了重要作用．3．牛顿力学与相对论的关系(1)当物体的运动速度____________于光速c时(c＝3×108(2)当另一个重要常数即普朗克常量h可以忽视不计时(h＝6.63×10－34J·s)，________和牛顿力学的结论没有区分．(3)相对论与量子力学都没有________过去的科学，而只认为过去的科学是自己在肯定条件下的特别情形．【思索辨析】(1)在牛顿力学中，位移的测量与参考系的运动状况无关．()(2)牛顿运动定律在物体速度达到几千米每秒时就不再适用了．()(3)真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的．()(4)在相对论时空观中，运动物体的长度跟物体的运动状态有关．()(5)量子力学不能描述微观粒子的运动规律．()要点一时间延缓效应和长度收缩效应时间延缓效应是不是指时钟走得慢了？长度收缩效应是不是指物体长度变短了？1．两个效应与物体相对静止的参考系中视察与物体相对运动的参考系中视察时间延缓效应两个事务发生的时间间隔为Δτ两事务发生的时间间隔变大Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2))长度收缩效应杆的长度为l0若参考系沿杆的方向运动，视察到的杆的长度减小l＝l0eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2)2.对“两个效应”的理解(1)时间间隔、长度的改变，都是由于物质的相对运动引起的一种观测效应，它与所选取的参考系有关，物质本身的结构并没有改变．(2)两个事务的时间间隔和物体的长度，必需与所选取的参考系相联系，假如在没有选取参考系的状况下探讨时间的长短及空间的尺寸，是没有任何意义的．3．相对性的四个方面(1)“同时”的相对性：“同时”不是肯定的，而是取决于视察者的运动状态．(2)长度的相对性：一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度短．(3)时间间隔的相对性：运动的时钟变慢．(4)相对论时空观：空间和时间与物体的运动状态有关．题型一对长度的相对性的理解点拨：时间延缓和长度收缩．可以通俗地理解为：运动的钟比静止的钟走得慢，而且运动速度越快，钟走得越慢，接近光速时，钟就几乎停止了；在尺子长度方向上运动的尺子比静止时短，这就是所谓的长度收缩效应，当速度接近光速时，尺子缩成一个点．【例1】一艘太空飞船静止时的长度为30m，它以0.6c(cA．飞船上的观测者测得该飞船的长度小于30mB．地球上的观测者测得该飞船的长度小于30mC．飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度小于cD．地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度小于c题型二对时间间隔的相对性的理解【例2】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分别放在以速度vB和vC朝同一方向飞行的两枚火箭上，且vB<vC.地面上的视察者认为哪个时钟走得最慢？哪个时钟走得最快？练1假设有一名考生用90分钟完成了一场考试，一艘飞船相对此考生以0.5c的速度匀速飞过(cA．小于90分钟B．等于90分钟C．大于90分钟D．等于45分钟练2(多选)A、B两架飞机沿地面上一足球场的长边方向在其上空高速飞过，且vA>vB，对于在飞机上人的视察结果，下列说法正确的是()A．A飞机上的人视察到足球场的长度比B飞机上的人视察到的大B．A飞机上的人视察到足球场的长度比B飞机上的人视察到的小C．两飞机上的人视察到足球场的长度相同D．两飞机上的人视察到足球场的宽度相同要点二对牛顿力学、相对论及量子力学的相识牛顿力学、相对论及量子力学的比较牛顿力学自然界中宏观、低速物体的运动，都听从牛顿力学的规律相对论空间、时间、质量与运动相联系；阐述了物体在以接近光速运动时所遵循的规律量子力学微观粒子不仅具有粒子性，同时还具有波动性；正确描述微观粒子的运动规律【例3】(多选)2017年6月16日，来自中国的“墨子号”量子卫星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()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“两道红光”的运动规律D．量子力学的发觉说明牛顿力学已失去了好用价值练3关于牛顿力学的局限性，下列说法正确的是()A．牛顿力学适用于宏观低速运动的物体B．由于牛顿力学局限性，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练4(多选)关于牛顿力学、相对论与量子力学的说法正确的是()A．当物体的速度接近光速时，牛顿力学就不适用了B．相对论和量子力学的出现，使牛顿力学失去了意义C．量子力学能够描述微观粒子运动的规律性D．万有引力定律也适用于强引力场思索与探讨(教材P67)已知μ子低速运动时的平均寿命是3.0μs.当μ子以0.99c提示：依据Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2))可知，若选择μ子为参考系，此时μ子的平均寿命是3.0μs.对于地面上的观测者来说Δt＝eq\f(3,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(0.99c,c)))2))≈21μs.1．下列运动中不能用经典力学规律描述的是()A．子弹的飞行B．粒子接近光速的运动C．人造卫星绕地球运动D．和谐号从深圳向广州疾驰2．如图所示，强强乘速度为0.9c(c为真空中的光速)的宇宙飞船追逐正前方的壮壮，壮壮的飞行速度为0.5A．0.4cB．C．0.9cD．3．某宇航员要到离地球5光年的星球上去旅行．假如希望把路程缩短为3光年，则他所乘飞船相对地球的速度为()A．0.5cB．0.6C0.8cD．4.(多选)如图所示，你站在水平木杆AB的中心旁边，并且看到木杆落在地面上时是两端同时着地的，所以，你认为该木杆是平着落到了地面上；若此时飞飞小姐正以接近光速的速度从你前面拂过，她看到B端比A端先落地，因而她认为木杆是向右倾斜着落地的．她的看法是()A．正确的B．错误的C．她应感觉到木杆在朝她运动D．她应感觉到木杆在远离她运动5．(多选)甲乘客乘坐在接近光速的火车上，乙视察者站在铁轨旁边的地面上，甲、乙两人手中各持一把沿火车前进方向放置的米尺．则下列说法正确的是()A．甲看到乙手中尺子长度比甲看到自己手中的尺子长度要长B．甲看到乙手中尺子长度比甲看到自己手中的尺子长度要短C．乙看到甲手中尺子长度比乙看到自己手中的尺子长度要长D．乙看到甲手中尺子长度比乙看到自己手中的尺子长度要短6．地面上长100km的铁路上空有一火箭沿铁路方向以30km/s的速度拂过，则火箭上的人看到铁路的长度应当为多少？假如火箭的速度达到0.6ceq\x(温馨提示：请完成单元素养评价三)5．相对论时空观与牛顿力学的局限性课前自主学习学问点一2．惯性系匀速直线平权3．(1)一样的(2)惯性相同4．(1)惯性参考系同一地点eq\f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2))延缓效应(2)相对静止l0eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2)收缩效应学问点二1．(1)天体现代交通导弹(2)符合牛顿运动定律2．(1)微观世界质子牛顿力学(2)量子力学微观粒子3．(1)远小没有(2)量子力学(3)否定思索辨析答案：(1)√(2)×(3)√(4)√(5)×互动课堂·合作探究要点一提示：不是．时间延缓效应和长度收缩效应说明在不同惯性系观测时，测得的结果不同，是相对论时空观的体现，不是时钟真的变慢了或物体长度真的变短了．【例1】【解析】飞船上的视察者相对飞船静止，则他测得的是飞船的静止长度，即为30m，A项错误；地球上的观测者看到飞船是运动的，依据长度的相对性可知他看到飞船长度比静止时的长度小，B项正确；依据光速不变原理得飞船上的观测者和地球上的观测者观测到的光信号速度均为c，C、D项错误．【答案】B【例2】【解析】地面上的视察者认为C时钟走得最慢，因为它相对于视察者的速度最大．依据公式Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2))可知，相对于视察者的速度v越大，钟走得越慢，所以C走得最慢．地面上的A时钟相对于视察者的速度为零，A走得最快．【答案】C时钟走得最慢，A时钟走得最快练1解析：依据Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2))可得Δt＝eq\f(90,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(0.5c,c)))2))(分钟)>90(分钟)，C正确．答案：C练2解析：由l＝l0eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2)(其中l0是相对足球场静止时测得的长度)，可以看出，速度越大，“动尺变短”的效应越明显，选项B正确；但是足球场的短边与飞机速度方向垂直，所以两飞机上的人视察到足球场的宽度相同．答案：BD要点二【例3】【解析】牛顿力学可以用来描述物体的宏观低速运动，故牛顿力学适用于描述“墨子号”绕地球运动的规律，故A正确；对于运动速度接近光速的物体的运动，不适合用牛顿力学来描述，故B错误；量子力学可以描述“墨子号”发出的“两道红光”的运动规律，因为红光运动速度为光速，所以需考虑相对论效应，运用量子力学描述，故C正确；量子力学和牛顿力学适用范围不同，量子力学适用于高速运动，在宏观低速运动中，牛顿力学仍旧适用，不能说牛顿力学已经失去了好用价值，故D错误．【答案】AC练3解析：牛顿运动定律属于牛顿力学的探讨范畴，适用于宏观低速运动的物体，并留意到低速和高速的标准是相对于光速而言的，可判定牛顿运动定律适用于B、C、D中描述的运动，而A中状况不适用．答案：A练4解析：牛顿力学只适用于低速宏观的物体，故A正确；相对论和量子力学的出现，并没有否定牛顿力学，只是说牛顿力学有肯定的适用范围，故B错误；量子力学描述了微观粒子运动的规律性，故C正确；万有引力定律只适用于较弱的引力场，而对于如白矮星、中子星的强引力场是不适用的，故D错误．答案：AC随堂演练·达标检测1．解析：子弹的飞行、火车的运动及人造卫星绕地球的运动，都属于宏观低速，经典力