专题7-5-相对论时空观与牛顿力学的局限性(讲)(解析版)

专题7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性（讲）讲教材本节课所采用的教材是人教版高中物理必修第二册第七章第5节的内容。本节内容是学习完经典力学以后所做的介绍性质内容，它可以拓展学生的知识面、展示科学探究的无限可能，建立科学思想、科学的思维方法，培养科学精神，在情感、态度与价值观方面发挥应有的教育功能。本节教材先介绍相对论时空观，并给出了时间延缓效应，长度收缩效应。然后讲解了牛顿力学的成就与局限性，让学生体会任何学科都有局限性，并不是牛顿力学过时了，要理解各自成立的条件。讲核心素养物理观念：了解相对论-量子论的建立对人类深入认识客观世界的作用，知道物理学改变人们世界观的作用。科学思维：经历科学家建立相对论和量子论的思维探索过程，认识科学思维的意义。科学探究：通过阅读课文体会一切科学都有自己的局限性，新的理论会不断完善和补充旧的理论，人类对科学的认识是无止境的。科学态度与责任：通过对牛顿力学适用范围的讨论，使学生知道物理中的结论和规律一般都有其适用范围，认识知识的变化性和无穷性，培养献身于科学的时代精神。讲图片思维导图讲考点和题型【考点一】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电磁波的存在，并证明电磁波的传播速度等于光速c．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，光的传播速度都是一样的．3．爱因斯坦假设(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．4．时间和空间的相对性(1)时间延缓效应如果相对于地面以速度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，那么两者之间的关系是Δt＝eq\f(Δτ,1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up20(2)).由于1－eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up20(2)<1，所以总有Δt>Δτ，此种情况称为时间延缓效应．(2)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，那么两者之间的关系是l＝l0eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up20(2)).由于1－eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2<1，所以总有l<l0，此种情况称为长度收缩效应．5．相对论时空观Δt＝eq\f(Δτ,1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up20(2))和l＝l0eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up20(2))表明运动物体的长度(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．它所反映的时空观称作相对论时空观．【例1】下列说法中正确的是（）A．伽利略发现了万有引力定律，并测得了引力常量B．当r趋近于零时，两个物体间的万有引力趋近于无穷大C．处于静电平衡状态的导体，其内部的电场强度不为零D．相对论时空观认为在不同的惯性参考系中，一切物理规律相同【答案】D【解析】A．牛顿发现了万有引力定律，卡文迪许测出了引力常量G，故A错误；B．当r趋近于零时，物体不能看成质点，不再成立，所以不能得到万有引力趋近于无穷大的结论，故B错误；C．处于静电平衡状态的导体，其内部的电场强度处处为零，故C错误；D．相对论时空观认为在不同的惯性参考系中，一切物理规律相同，故D正确。故选D。【变式训练1】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（）A．B．C． D．【答案】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轴方向正方形边长不变。故选D。【考点二】牛顿力学的成就与局限1．牛顿力学的局限性电子、质子、中子等微观粒子，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证明．2．牛顿力学的适用范围只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界．3．相对论物理学与经典物理学的联系当物体的运动速度远小于光速c时(c＝3×108m/s)，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别；当另一个重要常数即普朗克常量h可以忽略不计时(h＝6.63×10－34J·s)，量子力学和牛顿力学的结论没有区别．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．【例2】下列说法正确的是（）A．经典力学能够说明微观粒子的规律性B．对于宏观物体的高速运动问题，经典力学仍适用C．相对论与量子力学的出现，说明经典力学已失去意义D．经典力学适用于宏观物体的低速运动问题，不适用于高速运动的物体【答案】D【解析】ABD．经典力学适用于宏观、低速，不适用于微观、高速，AB错误，D正确；C．相对论和量子力学并没有否定经典力学，C错误。故选D。【变式训练2】以下说法不正确的是（）A．开普勒通过研究第谷的行星观察记录，最终提出行星绕太阳运动的轨道都是椭圆B．海王星的发现验证了万有引力定律的正确性，显示了理论对实践的巨大指导作用C．绝对时空观认为空间和时间是独立于物体及其运动而存在的D．当物体的运动速度远小于光速时，相对论和牛顿力学的结论仍有很大的区别【答案】D【解析】A．开普勒通过研究第谷的行星观察记录，最终提出行星绕太阳运动三大定律，其中第一定律指明行星的轨道是椭圆，A正确，不符合题意；B．海王星的发现验证了万有引力定律的正确性，显示了理论对实践的巨大指导作用，B正确，不符合题意；C．绝对时空观认为空间和时间是独立于物体及其运动而存在的，相对时空观认为空间、时间、质量三者是相互联系的，不是彼此孤立存在的，C正确，不符合题意；D．当物体的运动速度远小于光速时，相对论的结论和牛顿力学的结论就相同了，在接近光速时，牛顿力学不再使用，只能用相对论解释，D错误，符合题意；故选D。讲课堂练习1．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于相对论，在低速运动时，物体的运动规律适用于牛顿运动定律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【答案】B【解析】A．经典力学是狭义相对论在低速（）条件下的近似，即只要速度远远小于光速，经过数学变换狭义相对论的公式就全部变化为牛顿经典力学的公式，故A错误；B．在物体高速运动时，物体的运动规律服从狭义相对论理论，在低速运动时，物体的运动服从牛顿定律，故B正确；CD．牛顿经典力学只适用于宏观低速物体，而微观、高速适用于狭义相对论，故CD错误。故选B。2．美国科学家于2016年2月11日宣布，他们探测到引力波的存在。引力波是实验验证爱因斯坦相对论的最后一块缺失的“拼图”。相对论在一定范围内弥补了牛顿力学的局限性。关于牛顿力学，下列说法正确的是（）A．牛顿力学完全适用于宏观低速运动B．牛顿力学取得了巨大成就，是普遍适用的C．随着物理学的发展，牛顿力学将逐渐成为过时的理论D．由于相对论的提出，牛顿力学已经失去了它的应用价值【答案】A【解析】A．牛顿力学适用于低速运动的宏观物体，故A正确；B．牛顿力学取得了巨大的成就，但它具有一定的局限性，并不是普遍适用的，故B错误；CD．在微观高速领域，要用量子力学和相对论理论来解释，但是并不会因为相对论和量子力学的出现，就否定了牛顿力学，牛顿力学作为某些条件下的特殊情形，被包括在新的科学成就之中，不会过时，不会失去价值，故C、D错误。故选A。3.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（）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“两道红色的光”的运动规律D．量子力学的发现说明牛顿力学已失去了实用价值【答案】AC【解析】A．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，A正确；B．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；C．量子力学可以描述“墨子号”发出的“两道红色的光”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，使用量子力学描述，故C正确；D．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，牛顿力学仍然适用，不能说牛顿力学已经失去了实用价值，故D错误。故选AC。4.用相对论的观点判断，下列说法正确的是（）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慢，但是飞船中的宇航员却看到时钟是准确的C．在地面上的人看来，以10km/s的速度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到地面上的人看起来比飞船中的人扁一些D．当物体运动的速度时，时间变化和长度变化效果可忽略不计【答案】BCD【解析】A．按照相对论的观点，时间和空间都是相对的，A错误；B．由可知，运动的时钟变慢了，但飞船中的时钟相对宇航员静止，时钟准确，B正确；C．由可知，地面上的人看飞船和飞船上的人看地面上的人都沿运动方向长度减小，C正确；D．当v≪c时，时间变化和长度变化效果可忽略不计，D正确。故选BCD。5．年成功发射的“东方红一号”是我国第一颗人造地球卫星，该卫星至今仍沿椭圆轨道绕地球运动。如图所示，设卫星在近地点、远地点的速度分别为v1、v2，近地点到地心的距离为，地球质量为，引力常量为。则（）A．，B．，C．地面上的观察者观察到飞船上的钟在近地点比在远地点走得更慢D．根据相对论，飞船中的观察者发现静止于地面的钟走快了【答案】BC【解析】AB．根据开普勒第二定律可知，从远地点到近