24秋-25春物理人教必修第二冊 18 第七章 5 相對論時空觀與牛頓力學(xué)的局限性

第七章萬有引力與宇宙航行5相對論時空觀與牛頓力學(xué)的局限性學(xué)習(xí)任務(wù)目標(biāo)1．了解狹義相對論的理論基礎(chǔ)與相對論時空觀。(科學(xué)思維)2．知道經(jīng)典力學(xué)的局限性和適用范圍。(科學(xué)思維)問題式預(yù)習(xí)

知識點一相對論時空觀1．1887年的邁克耳孫—莫雷實驗以及其他一些實驗表明：在不同的參考系中，______________是一樣的。2．愛因斯坦假設(shè)：在不同的____________中，物理規(guī)律的形式都是相同的；真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是________。光的傳播速度慣性參考系相同的

知識點二牛頓力學(xué)的成就與局限性1．牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)是______________。2．微觀世界：電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子不僅具有________，同時還具有波動性，它們的運動規(guī)律在很多情況下不能用牛頓力學(xué)來說明。20世紀(jì)20年代建立的__________能夠很好地描述微觀粒子運動的規(guī)律。3．當(dāng)物體的運動速度遠(yuǎn)小于光速c(為3×108m/s)時，相對論物理學(xué)與牛頓力學(xué)的結(jié)論__________；當(dāng)另一個重要常數(shù)即普朗克常量h(為6.63×10-34J·s)可以忽略不計時，量子力學(xué)和牛頓力學(xué)的結(jié)論__________。牛頓運動定律粒子性量子力學(xué)沒有區(qū)別沒有區(qū)別[微訓(xùn)練]根據(jù)預(yù)習(xí)內(nèi)容判斷以下說法的正誤。1．光速在不同的參考系中數(shù)值是不相同的。(

)2．運動的時鐘比靜止的時鐘走得慢些。(

)3．沿自己長度方向高速運動的物體，測量長度要變短。(

)4．時間延緩效應(yīng)是說時鐘走得慢了。(

)5．相對論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，說明牛頓力學(xué)已失去意義。(

)×××√√6．原子中電子的運動都能用牛頓力學(xué)進(jìn)行解釋。(

)7．牛頓運動定律適用于低速、宏觀的研究領(lǐng)域。(

)8．空氣中灰塵的運動能用經(jīng)典力學(xué)進(jìn)行解釋。(

)[微思考]能根據(jù)牛頓運動定律研究原子中電子的運動嗎？提示：不能?！痢獭倘蝿?wù)型課堂

對相對論時空觀的理解[探究活動]如圖所示，一列車以速度v經(jīng)過站臺，站臺中部的觀察者C看到列車車頭正好到達(dá)站臺最右端的人A的位置時，車尾正好到達(dá)站臺最左端的人B的位置。(1)若此時站臺上的觀察者C看到A、B兩人同時面向列車舉起手中的小紅旗，那么站在列車中點位置的觀察者C′看到A、B兩人是同時舉旗的嗎？如果不是，他會看到哪個人先舉旗？(2)站臺上的觀察者C看到列車長度剛好和站臺長度相同，列車上的觀察者C′會認(rèn)為列車長度和站臺長度相同嗎？如果不相同，他會認(rèn)為列車長還是站臺長？(3)假定列車上的觀察者C′舉起小紅旗向站臺上的A、B兩人揮動示意，他測得自己從舉起小紅旗到放下小紅旗的時間為t，那么站臺上的觀察者C觀察到C′舉旗的時間也為t嗎？如果不是t，他測得的這個時間比t長還是短？提示：(1)不是同時舉旗，他會看到A先舉旗。(2)觀察者C′會認(rèn)為列車長度和站臺長度不相同；認(rèn)為列車長。(3)不是t，他得到的這個時間比t長。[評價活動]1．能用來計時的鐘表有多種，如圖所示，從左到右依次為沙漏計時儀器、電子表、機械鬧鐘、生物鐘。由相對論的知識可知，物體的運動可以使得某一種計時儀器變慢，則也一定能使所有的計時儀器變得一樣慢。則對上述表述理解正確的是(

)A．說法正確，對各式計時儀器的影響一定相同B．說法錯誤，對各式計時儀器的影響不一定相同C．A、B兩個選項分別說明了兩種不同情況下的影響D．以上答案均錯誤A

解析：根據(jù)愛因斯坦相對論的鐘慢效應(yīng)可知，若與觀察者有相對運動，所有的計時儀器都會變慢，而且變慢的程度均相同，與計時儀器的構(gòu)造和原理無關(guān)?！?/p>

1．“同時”的相對性(1)經(jīng)典物理的時空觀：同時是絕對的，即如果兩個事件在一個參考系中被認(rèn)為是同時的，在另一個參考系中一定也被認(rèn)為是同時的。(2)相對論的時空觀：同時是相對的，即在一個慣性系中“同時”發(fā)生的兩個事件，在另一個慣性系中可能是不同時的。2．長度的相對性(1)經(jīng)典物理的時空觀：一根桿的長度不會因為觀察者是否相對桿運動而不同。(2)相對論的時空觀：長度也具有相對性，一根沿自身長度方向運動的桿，其長度總比靜止時的長度小，但若運動方向垂直于桿，桿的長度沒有變化。

3．時間間隔的相對性(1)經(jīng)典物理的時空觀：兩個事件，在不同的慣性系中觀察，它們的時間間隔總相同。(2)相對論的時空觀：兩個事件，在不同的慣性參考系中觀察，它們的時間間隔是不同的，慣性系相對于觀察者的速度越大，慣性系中的時間進(jìn)程進(jìn)行得越慢。非但如此，慣性系中的一切物理、化學(xué)和生命過程都變慢了。

牛頓力學(xué)的成就與局限性1．(多選)以下說法正確的是(

)A．經(jīng)典力學(xué)理論普遍適用，大到天體，小到微觀粒子均適用B．經(jīng)典力學(xué)理論具有一定的局限性C．在經(jīng)典力學(xué)中，物體的長度不隨運動狀態(tài)的改變而改變D．相對論和量子力學(xué)否定了經(jīng)典力學(xué)理論√√BC

解析：經(jīng)典力學(xué)理論具有一定的局限性，它只適用于宏觀、低速運動的物體，選項A錯誤，B正確；在經(jīng)典力學(xué)中，物體的長度不隨運動狀態(tài)的改變而改變，即物體的長度和物體運動的速度無關(guān)，選項C正確；相對論和量子力學(xué)并沒有否定經(jīng)典力學(xué)，而是認(rèn)為經(jīng)典力學(xué)理論是在一定條件下的特殊情形，選項D錯誤。2．(多選)下列情況，牛頓運動定律適用的情形是(

)A．研究原子中電子的運動B．研究“神舟十三號”飛船的高速發(fā)射C．研究地球繞太陽的運動D．研究飛機從北京飛往廣州的航行BCD

解析：牛頓力學(xué)屬于經(jīng)典力學(xué)的研究范疇，適用于宏觀、低速運動的物體，區(qū)分低速和高速的標(biāo)準(zhǔn)是相對于光速而言，可判定牛頓運動定律適用于B、C、D中描述的運動，而A不適用?！獭獭?．微觀世界電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子的運動規(guī)律在很多情況下不能用經(jīng)典力學(xué)來說明，而量子力學(xué)能夠很好地描述微觀粒子運動的規(guī)律。2．經(jīng)典力學(xué)的適用范圍只適用于低速運動，不適用于高速運動；只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界。3．經(jīng)典力學(xué)與相對論、量子力學(xué)的比較(1)區(qū)別狹義相對論經(jīng)典力學(xué)適用于低速運動的物體；狹義相對論闡述物體在接近光速運動時所遵循的規(guī)律量子力學(xué)經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀世界；量子力學(xué)能夠很好地描述微觀世界中粒子運動的規(guī)律(2)聯(lián)系①當(dāng)物體的運動速度遠(yuǎn)小于光速時，相對論物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別。②當(dāng)另一個重要常數(shù)即普朗克常量可以忽略不計時，量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別。③相對論和量子力學(xué)并沒有否定經(jīng)典力學(xué)，經(jīng)典力學(xué)是二者在一定條件下的特殊情形。

過程性達(dá)標(biāo)1．如圖所示，沿平直鐵路旁有間距相等的三座鐵塔A、B和C。假想有一輛列車從左向右以接近光的速度行駛時，鐵塔B同時向四周發(fā)出閃光，列車上的觀測者測得A、C兩鐵塔被照亮的順序是(

)A．同時被照亮 B．A先被照亮C．C先被照亮 D．無法判斷C

解析：列車上的觀測者看到的是由B發(fā)出后經(jīng)過A和C反射的光，由于列車在這段時間內(nèi)靠近C，而遠(yuǎn)離A，所以C反射的光先到達(dá)列車上的觀測者，則看到的現(xiàn)象是C先被照亮，故C正確?！?．(多選)甲在接近光速的火車上看地面上乙手中沿火車前進(jìn)方向放置的尺子，同時乙在地面上看甲手中沿火車前進(jìn)方向放置的尺子，則下列說法正確的是(

)A．甲看到乙手中的尺子長度比乙看到自己手中的尺子長度大B．甲看到乙手中的尺子長度比乙看到自己手中的尺子長度小C．乙看到甲手中的尺子長度比甲看到自己手中的尺子長度大D．乙看到甲手中的尺子長度比甲看到自己手中的尺子長度小√√BD

解析：乙手中的尺子相對于甲以接近光的速度運動，所以甲看到乙手中的尺子長度比乙看到自己手中的尺子長度小，故A錯誤，B正確；甲手中的尺子相對于乙以接近光的速