2024-2025学年新教材高中物理第七章万有引力与宇宙航行第五节相对论时空观与牛顿力学的局限性学案新人教版必修2

PAGE1-第五节相对论时空观与牛顿力学的局限性目标体系构建明确目标·梳理脉络【学习目标】1．知道什么是肯定时空观和相对论时空观。2．知道爱因斯坦的两个假设。3．知道时间延缓效应和长度收缩效应。4．了解牛顿力学的局限性和适用范围。【思维脉络】课前预习反馈教材梳理·落实新知学问点1相对论时空观1．肯定时空观：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－\f(v,c)2))__。4．长度收缩效应：l＝__l0eq\r(1－\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。学问点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，从投出篮球到放射导弹、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肯定条件下的__特别__情形。预习自测『判一判』(1)在不同的惯性系中，光速是不同的。(×)(2)由于在任何惯性系中力学规律都是相同的，因此，探讨力学问题时可以选择任何惯性系。(√)(3)依据经典时空观，某一事务的发展过程，在不同的惯性系中视察，它们的时间间隔是相同的。(√)(4)相对论和量子力学的出现，说明经典力学已失去意义。(×)(5)原子中电子的运动能用经典力学进行说明。(×)(6)空气中灰尘的运动能用经典力学进行说明。(√)『选一选』如图所示，强强乘坐速度为0.9c(c为光速)的宇宙飞船追逐正前方的壮壮，壮壮的飞行速度为0.5c，强强向壮壮发出一束光进行联络，则壮壮丽测到该光束的传播速度为(D)A．0.4c B．0.5cC．0.9c D．c解析：由狭义相对论的基本假设：光速不变原理，真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，可知D正确。『想一想』世界上各种各样的钟：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，它肯定会使全部的钟都一样变慢。这种说法对吗？提示：对。课内互动探究细研深究·破疑解难探究相对论时空观┃┃情境导入■如图，高速运行的列车车厢，车顶上有一个反光镜，列车上一个人对着反光镜照耀一束光。思索：列车上的人和地面上的人视察到的光的来回时间是否相同？提示：不同。┃┃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肯定性相对性长度肯定性相对性光速可变(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如图，假设一根10m长的梭镖以光速穿过一根10m长的管子，它们的长度都是在静止状态下测量的。以下叙述中最好的描述了梭镖穿过管子的状况的是(D)A．梭镖收缩变短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它B．管子收缩变短，因此在某些位置上，梭镖从管子的两端伸出来C．两者都收缩，且收缩量相等，因此在某个位置，管子恰好遮住梭镖D．全部这些都与视察者的运动状况有关思路引导：“尺缩”效应公式l＝l0eq\r(1－\f(v,c)2)中的l和l0是具有相对性的，究竟是管子收缩变短还是梭镖收缩变短，要看视察者所处的参考系。解析：假如你是在相对于管子静止的参考系中视察运动着的梭镖，那么梭镖看起来就比管子短，在某些位置梭镖会完全在管子内部，然而当你和梭镖一起运动时，你看到的管子就缩短了，所以在某些位置，你可以看到梭镖两端都伸出管子。┃┃对点训练■1．如图所示，在一个高速转动的巨大转盘上，放着A、B、C三个时钟，下列说法正确的是(C)A．A时钟走得最慢，B时钟走得最快B．A时钟走得最慢，C时钟走得最快C．C时钟走得最慢，A时钟走得最快D．B时钟走得最慢，A时钟走得最快解析：A、B、C在同一转盘上，它们的角速度相同，由v＝r·ω可知r越大，线速度v越大。Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2))可知，v越大，Δt越大，也就是说钟走得越慢。从图中可以看出，A时钟的线速度最小，C时钟的线速度最大，故A时钟走得最快，C时钟走得最慢。探究牛顿力学的成就与局限性┃┃情境导入■能依据牛顿运动定律探讨原子中电子的运动吗？提示：不能。┃┃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、弱引力的广袤领域，牛顿力学取得了巨大的成就。牛顿力学又称为经典力学。探讨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年头，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年头，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状况下的近似。┃┃典例剖析■典题2(多选)20世纪以来，人们发觉了一些新的事实，而牛顿力学却无法说明。牛顿力学只适用于解决物体的低速运动问题，不能用来处理高速运动问题；只适用于宏观物体，一般不适用于微观粒子。这说明(BCD)A．随着相识的发展，牛顿力学已成了过时的理论B．人们对客观事物的详细相识在广度上是有局限性的C．不同领域的事物各有其本质与规律D．人们应当不断扩展相识，在更广袤的领域内驾驭不同事物的本质与规律思路引导：相对论和量子力学的出现，说明人类对自然界的相识更加广袤和深化，但并不表示牛顿力学失去了意义。历史上的科学成就不会被新的科学成就完全否定，而是作为某些条件下的特别情形，被包括在新的科学成就之中。解析：人们对客观世界的相识要受到所处的时代的客观条件和科学水平的制约，所以形成的看法也都具有肯定的局限性，人们只有不断扩展自己的相识，才能驾驭更广袤领域内的不同事物的本质与规律；新的科学的诞生并不意味着对原来科学的全盘否定，只能认为过去的科学是新的科学在肯定条件下的特别情形。┃┃对点训练■2．(2024·广东佛山一中高一下学期期中)牛顿力学不适用于下列哪些运动(B)A．火箭的放射B．速度接近光速的物体的运动C．“墨子号”在太空的运动D．宇宙飞船绕地球的运动解析：牛顿力学适用于宏观、低速物体的运动，而不适用于微观、高速物体的运动，故选B。核心素养提升以题说法·启智培优易错点：不深刻理解长度的相对性而致错案例假设地面上有一火车以接近光速的速度运行，其内站立着一个中等身材的人，站在路旁的人视察车里的人，视察的结果是(D)A．这个人是一个矮胖子B．这个人是一个瘦高个子C．这个人矮但不胖D．这个人瘦但不高易错分析：不理解尺缩效应只发生在相对运动的方向上，但在垂直运动方向上长度不变而错选A、