2020-2021學年新教材物理人教版必修第二冊教案：第7章 5.相對論時空觀與牛頓力學的局限性 Word版含解析

1、好好學習，天天向上5相對論時空觀與牛頓力學的局限性學習目標：1.物理觀念知道經(jīng)典力學的概念及發(fā)展歷程。2.物理觀念知道經(jīng)典力學的適用范圍和局限性。3.科學思維（1）知道愛因斯坦狹義相對論的基本假設(shè)。(2）知道長度相對性和時間間隔相對性的表達式。會分析時間延緩效應和長度收縮效應問題。4?？茖W態(tài)度與責任了解宇宙起源的大爆炸理論,知道科學真理是相對的，未知世界必將在人類不懈地探索中被揭開更多的謎底。閱讀本節(jié)教材，回答第65頁“問題并梳理必要知識點。教材第65頁“問題提示：由邁克耳孫莫雷實驗知,激光的速度為光速c。一、相對論時空觀1愛因斯坦假設(shè)(1）在不同的慣性參考系中,物理規(guī)律的形式都是相同的。（2

2、）真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的。2時間和空間的相對性（1）時間延緩效應如果相對于地面以v運動的慣性參考系上的人觀察到與其一起運動的物體完成某個動作的時間間隔為,地面上的人觀察到該物體完成這個動作的時間間隔為t,那么兩者之間的關(guān)系是t.由于物體的速度不可能達到光速,所以11，總有t，此種情況稱為時間延緩效應.(2)長度收縮效應如果與桿相對靜止的人測得桿長是l0，沿著桿的方向,以v相對桿運動的人測得桿長是l，那么兩者之間的關(guān)系是ll0。由于11，所以總有l(wèi)l0，此種情況稱為長度收縮效應。3相對論時空觀t和ll0表明運動物體的長度(空間距離）和物理過程的快慢（時間進程）都跟物體的運

3、動狀態(tài)有關(guān)。它所反映的時空觀稱作相對論時空觀。二、牛頓力學的成就與局限性1牛頓力學的成就：從地面上物體的運動到天體的運動，都服從牛頓力學的規(guī)律.2牛頓力學的局限性:(1）微觀世界:電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子，它們不僅具有粒子性，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來說明。(2)牛頓力學只適用于低速運動，不適用于高速運動。1思考判斷(正確的打“，錯誤的打“”)(1）在經(jīng)典力學中，位移的測量與參考系的運動情況無關(guān)。()(2)在相對論力學中，運動的時鐘和靜止的時鐘快慢相同。()（3)經(jīng)典力學一般不適用于微觀粒子.(）(4)對于宏觀物體的低速運動問題，相對論、量子力學與經(jīng)典力學是

4、一致的。（)2下列物體的運動不能用經(jīng)典力學描述的是(）a飛機的飛行b人造衛(wèi)星的運行c小汽車的行駛d光子的運動d經(jīng)典力學適用于低速宏觀的物體，a、b、c不符合題意，選項d符合題意，故d正確。3關(guān)于經(jīng)典力學的局限性,下列說法正確的是（）a火車提速后，有關(guān)速度問題不能用經(jīng)典力學來處理b由于經(jīng)典力學有局限性，所以一般力學問題都用相對論力學來解決c經(jīng)典力學適用于宏觀低速運動的物體d經(jīng)典力學只適用于像地球和太陽那樣大的宏觀物體c經(jīng)典力學有局限性，經(jīng)典力學適用于宏觀低速運動的物體，但對于一般力學問題仍能用經(jīng)典力學來解決，所以即使在火車提速后,有關(guān)速度問題仍能用經(jīng)典力學來處理，故a、b錯誤，c正確；經(jīng)典力學不

5、僅適用于像地球和太陽那樣大的宏觀物體，也適用一般尺寸的宏觀物體，故d錯誤.相對論時空觀的理解(教師用書獨具)教材第67頁“思考與討論答案提示：以子為參考系，子的平均壽命為3.0 s。以地面為參考系，子的平均壽命為21.3 s.如圖所示，靜止在地球上的人測得地月之間的距離為l0，坐在從地球高速飛往月球的飛船里的宇航員測得地月之間的距離仍為l0嗎?提示：不是，宇航員測得的地月之間的距離小于l0。1狹義相對論的兩個假設(shè)在經(jīng)典力學中,v船岸v船水v水岸成立，但在兩個不同參考系中，愛因斯坦認為該式不成立。1905年,愛因斯坦提出了兩條基本假設(shè)(狹義相對論的基礎(chǔ))。（1）相對性原理物理規(guī)律在一切慣性參考系

6、中都具有相同的形式。(2)光速不變原理在一切慣性參考系中，測得的真空中的光速c都相同。例如：在粒子對撞機中，有一個電子經(jīng)過加速器加速后,速度可達到光速的.此時由于電子的速度接近光速，所以質(zhì)量變化明顯,根據(jù)愛因斯坦狹義相對論中運動質(zhì)量與靜止質(zhì)量的關(guān)系得m1。155m0.2愛因斯坦假設(shè)中的主要效應（1）時間延緩效應:運動時鐘會變慢，即t。（2）長度收縮效應：運動長度l會收縮，即ll0.【例1】地面上長100 km的鐵路上空有一火箭沿鐵路方向以30 km/s的速度掠過，則火箭上的人看到鐵路的長度應該為多少？如果火箭的速度達到0.6c,則火箭上的人看到的鐵路的長度又是多少？解析當火箭速度較低時，長度基

7、本不變，還是100 km。當火箭的速度達到0.6c時,由相對論長度公式ll0 代入相應的數(shù)據(jù)解得l100 km80 km.答案100 km80 km由公式ll0知，相對于地面以速度v運動的物體，從地面上看，沿著運動方向上的長度變短了，速度越大，變短得越多。,兩種情況:(1)在垂直于運動方向不發(fā)生長度收縮效應現(xiàn)象。(2)我們平常觀察不到這種長度收縮效應，是因為我們生活在比光速低得多的低速世界里，長度收縮效應極不明顯，即使運動物體的速度達到v30 000 km/s(即0。1c)，長度收縮效應也只不過是5%，因此，在低速運動中，vc,ll0,長度收縮效應可忽略不計。跟進訓練1(對時間延緩效應的理解）

8、a、b兩火箭沿同一方向高速飛過地面上的某處，vavb,在火箭a上的人觀察到的結(jié)果正確的是（）a火箭a上的時鐘走得最快b地面上的時鐘走得最快c火箭b上的時鐘走得最快d火箭b上的時鐘走得最慢a在火箭a上的人看來，地面和火箭b都高速遠離自己，由t知，在火箭a上的人觀察到的結(jié)果是地面和火箭b上的時鐘都變慢了，且vavb，故地面上的時鐘最慢，故a正確，b、c、d錯誤。2(對長度收縮效應的理解)某宇航員要到離地球5光年的星球上去旅行，如果地球指揮中心希望把這路程縮短為3光年，則他所乘飛船相對地球的速度為（）a0.5cb0。6cc0.8cd0.9cc由ll0，解得vc，故c正確.牛頓力學的局限性粒子對撞機可

9、以把質(zhì)子加速到接近于光速，如圖所示。經(jīng)典力學是否適用于質(zhì)子的運動規(guī)律？如何研究質(zhì)子的運動規(guī)律?提示:不適用.經(jīng)典力學只適用于宏觀低速運動,描述微觀高速粒子的運動要用到量子力學。經(jīng)典力學與相對論、量子力學的比較（1）區(qū)別經(jīng)典力學適用于低速運動的物體；相對論是愛因斯坦假設(shè)闡述物體在以接近光速運動時所遵循的規(guī)律。經(jīng)典力學適用于宏觀世界；量子力學能夠正確描述微觀粒子的運動規(guī)律。（2)聯(lián)系當物體的運動速度遠小于光速時,相對論物理學與經(jīng)典物理學的結(jié)論沒有區(qū)別。當另一個重要常量即“普朗克常量”可以忽略不計時,量子力學和經(jīng)典力學的結(jié)論沒有區(qū)別.相對論和量子力學并沒有否定經(jīng)典力學，經(jīng)典力學是二者在一定條件下的特

10、殊情形?！纠?】關(guān)于經(jīng)典力學、愛因斯坦假設(shè)和量子力學，下列說法中正確的是（)a愛因斯坦假設(shè)和經(jīng)典力學是相互對立、互不相容的兩種理論b經(jīng)典力學包含于相對論之中，經(jīng)典力學是相對論的特例c經(jīng)典力學只適用于宏觀物體的運動,量子力學只適用于微觀粒子的運動d不論是宏觀物體，還是微觀粒子,經(jīng)典力學和量子力學都是適用的b相對論沒有否定經(jīng)典力學,經(jīng)典力學是相對論在一定條件下的特殊情形，選項a錯誤，b正確；經(jīng)典力學適用于宏觀、低速、弱引力的領(lǐng)域，選項c、d錯誤。跟進訓練3（牛頓力學與相對論理論的創(chuàng)立)（多選)繼哥白尼提出“太陽中心說”、開普勒提出行星運動三定律后,牛頓站在“巨人的肩膀上，創(chuàng)立了牛頓力學,揭示了包括

11、行星在內(nèi)的宏觀物體的運動規(guī)律；愛因斯坦既批判了牛頓力學的不足，又進一步發(fā)展了牛頓力學,創(chuàng)立了相對論，這說明()a世界無限擴大，人不可能認識世界b人的意識具有能動性,能夠正確地反映客觀世界c人對世界的每一個正確認識都有局限性，需要發(fā)展和深化d每一個認識都可能被后人推翻，人不可能獲得正確的認識bc任何一個人對客觀世界的認識都要受當時的客觀條件和科學水平的制約,所以形成的“正確理論”都有一定的局限性,愛因斯坦的相對論理論是對牛頓力學理論的發(fā)展和深化，但也有人正在向愛因斯坦理論挑戰(zhàn)。故選項b、c正確。4（牛頓力學的適用范圍和局限性)關(guān)于牛頓力學的適用范圍和局限性，下列說法正確的是（）a牛頓力學過時了，

12、應該被量子力學所取代b由于超音速飛機的速度太大，其運動不能用牛頓力學來解釋c人造衛(wèi)星的運動不適合用牛頓力學來描述d當物體的速度接近光速時，其運動規(guī)律不適合用牛頓力學來描述d牛頓力學沒有過時，在低速宏觀問題中仍然適用，故a錯誤；超音速飛機的速度遠低于光速，其運動能用牛頓力學來解釋，故b錯誤;人造衛(wèi)星的運動速度遠低于光速，適合用牛頓力學來描述，故c錯誤；當物體的速度接近光速時，其運動規(guī)律不適合用牛頓力學來描述，故d正確。1對于時空觀的認識，下列說法正確的是()a相對論給出了物體在低速運動時所遵循的規(guī)律b相對論具有普遍性,經(jīng)典物理學為它在低速運動時的特例c相對論的出現(xiàn)使經(jīng)典物理學在自己的適用范圍內(nèi)不

13、再繼續(xù)發(fā)揮作用d經(jīng)典物理學建立在實驗的基礎(chǔ)上，它的結(jié)論又受到無數(shù)次實驗的檢驗,因此在任何情況下都適用b相對論給出了物體在高速運動時所遵循的規(guī)律,經(jīng)典物理學為它在低速運動時的特例，在自己的適用范圍內(nèi)還將繼續(xù)發(fā)揮作用。經(jīng)典物理學有簡捷的優(yōu)勢。因此a、c、d錯誤，b正確.2（多選)在地面附近有一高速飛過的火箭，關(guān)于地面上的人和火箭中的人觀察到的現(xiàn)象中正確的是()a地面上的人觀察到火箭變短了，火箭上的時間進程變快了b地面上的人觀察到火箭變短了，火箭上的時間進程變慢了c火箭上的人觀察到火箭的長度和時間進程均無變化d火箭上的人看地面上的物體長度變短，時間進程變慢了bcd因為ll0和t,可知ll0，t。一個

14、相對地面做高速運動的慣性參考系中發(fā)生的物理過程,在地面上的人看來，火箭的長度變短了，它所經(jīng)歷的時間比在這個慣性參考系中直接觀察到的時間變長了,慣性參考系速度越大,觀察到的火箭的長度越短，所經(jīng)歷的過程時間越長?；鸺系娜擞^察到火箭的長度和時間進程均無變化.同樣，火箭上的人看地面上的物體長度也是變短，時間進程變慢了，選項b、c、d正確.3(多選)經(jīng)典力學規(guī)律適用于下列運動的是()a子彈的飛行b飛船繞地球的運行c列車的運行d粒子接近光速的運動abc經(jīng)典力學的適用范圍是宏觀、低速情形，子彈的飛行、飛船繞地球的運行、列車的運動，經(jīng)典力學能適用，故a、b、c正確;對于微觀、高速的情形經(jīng)典力學不適用，故d錯誤。4如圖所示,強強乘坐速度為0.9c（c為光速)的宇宙飛船追趕正前方的壯壯，壯壯的飛行速度為0。5c，強強向壯壯發(fā)出一束光進行聯(lián)絡，則壯壯觀測到該光束的傳播速度為（)a0.4cb0.5cc0.9cd1.0cd根據(jù)光速不變原理，在一切慣性參考系中測量到真空中的光速c都一樣，而壯壯所處參考系即為慣性參考系，因此壯壯觀察到的光速為1。0c，選項d正確.5情境:明明同學站在一條長木桿的中央附近，并且看到木桿落在地上時是兩頭同時落地，所以明明同學認為這木桿是平著落到了地上，而此時飛飛同學正以接近光速的速度從木桿前面掠過，如圖所示.問題：飛飛看到桿哪一端先落地？解析站在一條長木桿的中央附近的明明同學看