新教材人教版高中物理必修第二冊(cè) 7.5 相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性 導(dǎo)學(xué)案

1、精品文檔 精心整理精品文檔 可編輯的精品文檔7.5 相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性學(xué)案【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1感受牛頓力學(xué)在高速世界與事實(shí)的矛盾，知道牛頓力學(xué)只適用于低速、宏觀物體的運(yùn)動(dòng)。知道相對(duì)論、量子論有助于人類認(rèn)識(shí)高速、微觀領(lǐng)域。2知道愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論的基本假設(shè)，知道長(zhǎng)度相對(duì)性和時(shí)間間隔相對(duì)性的表達(dá)式。3了解宇宙起源的大爆炸理論，知道科學(xué)真理是相對(duì)的，未知世界必將在人類不懈的探索中被揭開(kāi)更多的謎底?！菊n堂合作探究】輪船相對(duì)河岸的速度是多少？設(shè)想人類可以利用飛船以 0.2c 的速度進(jìn)行星際航行。若飛船向正前方的某一星球發(fā)射一束激光，該星球上的觀察者測(cè)量到的激光的速度是多少？一、相對(duì)論時(shí)空觀1887

2、年，美國(guó)科學(xué)家邁克爾遜和莫雷通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了，在不同的參考系中，光的傳播速度都是一樣的！這與牛頓力學(xué)中，不同的參考系之間的速度變換關(guān)系（伽利略變換）不符！絕對(duì)時(shí)空觀生活經(jīng)驗(yàn)讓我們體會(huì)到，時(shí)間像一條看不見(jiàn)的“長(zhǎng)河”，均勻地自行流逝著，空間像一個(gè)廣闊無(wú)邊的房間，它們都不影響物體及其運(yùn)動(dòng)。也就是說(shuō)，時(shí)間與空間都是獨(dú)立于物體及其運(yùn)動(dòng)而存在的。這種絕對(duì)時(shí)空觀，也叫牛頓力學(xué)時(shí)空觀。1.牛頓力學(xué)與電磁理論的沖突十九世紀(jì)，英國(guó)科學(xué)家麥克斯韋，提出了電磁場(chǎng)理論，預(yù)言了電磁波的存在，并從理論上證明了，電磁波傳播的速度等于光速。人們不禁要問(wèn)：這個(gè)速度是相對(duì)哪個(gè)參考系而言的呢？但在邁克爾遜和莫雷實(shí)驗(yàn)事實(shí)的面前，許多物理

3、學(xué)家，仍然立足在牛頓力學(xué)時(shí)空觀的基礎(chǔ)上，想通過(guò)一些理論上的修補(bǔ)工作，解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。但是都沒(méi)有成功，這導(dǎo)致牛頓力學(xué)與電磁理論的沖突。以愛(ài)因斯坦和龐加萊為代表的另一批物理學(xué)家，堅(jiān)決主張，徹底放棄某些與實(shí)驗(yàn)事實(shí)不相符的觀念，如絕對(duì)時(shí)間的觀念，在實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上，大膽提出，能夠更好地解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的假設(shè)。物體的質(zhì)量隨速度的增大而增大隨著物體速度的加快，時(shí)間會(huì)變慢。將一個(gè)鐘表留在地面上，而攜帶另一個(gè)以很快速度移動(dòng)，隨后進(jìn)行比較，地上的鐘表總比快速移動(dòng)的快。物體以接近光速運(yùn)行時(shí)所表現(xiàn)出的長(zhǎng)度會(huì)比它靜止時(shí)更短。愛(ài)因斯坦指出，任何物體以光速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其長(zhǎng)度將會(huì)縮短為零。、由上面兩個(gè)式子可以知道，運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度（空

4、間距離）和物理過(guò)程的快慢（時(shí)間進(jìn)程）都跟物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。這個(gè)結(jié)論具有革命性的意義，它反映的時(shí)空觀稱作相對(duì)論時(shí)空觀。有一種基本粒子叫子，當(dāng)它低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，它的平均壽命是3.0s，當(dāng)子以0.99c的速度飛行時(shí)，若選子為參考系，子的平均壽命是多少？若以地面為參考系，子的平均壽命是多少？事實(shí)上，到達(dá)地面的子，大多產(chǎn)生于距地面8km的高空，科學(xué)家們根據(jù)經(jīng)典理論，可以計(jì)算出每秒到達(dá)地面的子個(gè)數(shù)。但這個(gè)理論數(shù)值小于實(shí)際觀察到子個(gè)數(shù)。這是為什么呢？相對(duì)論時(shí)空的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)將銫原子鐘放在飛機(jī)上，沿赤道向東和向西繞地球一周，回到原處后，分別比靜止在地面上的鐘慢59納秒和快273納秒。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)言符合的很好。這是

5、相對(duì)論的第一次宏觀驗(yàn)證。牛頓力學(xué)的成就與局限性1.牛頓力學(xué)的成就牛頓力學(xué)的誕生開(kāi)創(chuàng)了人類科技文明的新紀(jì)元，為工業(yè)革命和現(xiàn)代生活奠定了基礎(chǔ)。從地面上物體的運(yùn)動(dòng)到天體運(yùn)動(dòng)，從攔河筑壩、修建橋梁到設(shè)計(jì)各種機(jī)械，從普通的交通工具到發(fā)射人造衛(wèi)星和宇宙飛船.所有這些都符合牛頓力學(xué)的規(guī)律。牛頓力學(xué)在如此廣泛的領(lǐng)域里與事實(shí)相符合，顯示出牛頓力學(xué)的正確性和無(wú)限魅力。牛頓主要貢獻(xiàn)經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動(dòng)定律，萬(wàn)有引力定律更確立了牛頓的地位，牛頓運(yùn)動(dòng)定律和萬(wàn)有引力定律在宏觀、低速、弱引力的廣闊領(lǐng)域，經(jīng)受實(shí)踐檢驗(yàn)。楊振寧曾贊頌到：“如果一定要舉出某個(gè)人、某一天作為近代科學(xué)誕生的標(biāo)志，我選牛頓自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理在168

6、7年出版的那一天?！?.牛頓力學(xué)的成就(1) 實(shí)現(xiàn)了人類對(duì)自然界認(rèn)識(shí)的第一次理論大綜合。(2) 確定了自然科學(xué)應(yīng)有的基本特征。(3) 將“實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)”相結(jié)合的方法推廣到物理學(xué)的各個(gè)分支，形成了完整的經(jīng)典力學(xué)體系。19世紀(jì)末-20世紀(jì)初，深入到微觀領(lǐng)域，發(fā)現(xiàn)電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子不僅具有粒子性，同時(shí)還具有波動(dòng)性，很多情況下經(jīng)典力學(xué)說(shuō)明不了。和所有的真理一樣，牛頓力學(xué)也具有局限性。3.牛頓力學(xué)的局限性牛頓力學(xué)只適用于低速運(yùn)動(dòng)，不適用于高速運(yùn)動(dòng)；只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界；只適用于弱引力情況，不適用于強(qiáng)引力情況。在微觀世界中（尺度在10-10m以下），由于物質(zhì)的存在和運(yùn)動(dòng)形式（波粒二象性

7、），較宏觀世界，有較大的不同,牛頓力學(xué)也不適用?！菊n堂檢測(cè)】1、關(guān)于經(jīng)典力學(xué)，下列說(shuō)法中正確的是()A相對(duì)論與量子力學(xué)否定了經(jīng)典力學(xué)理論B經(jīng)典力學(xué)可以解決自然界中所有的問(wèn)題C經(jīng)典力學(xué)適用于微觀領(lǐng)域質(zhì)子、電子的運(yùn)動(dòng)D經(jīng)典力學(xué)適用于發(fā)射的導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船的運(yùn)動(dòng)2.關(guān)于狹義相對(duì)論，下列說(shuō)法不正確的是()A狹義相對(duì)論認(rèn)為在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的B狹義相對(duì)論認(rèn)為在一切慣性系中，光在真空中的速度都等于c，與光源的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)C狹義相對(duì)論只涉及無(wú)加速度運(yùn)動(dòng)的慣性系D狹義相對(duì)論任何情況下都適用3.有兩個(gè)慣性參考系1和2，彼此相對(duì)做勻速直線運(yùn)動(dòng)，下列敘述正確的是()A在參考系1看來(lái)，2中

8、的所有物理過(guò)程都變快了；在參考系2看來(lái)，1中的所有物理過(guò)程都變慢了B在參考系1看來(lái)，2中的所有物理過(guò)程都變快了；在參考系2看來(lái)，1中的所有物理過(guò)程也變快了C在參考系1看來(lái)，2中的所有物理過(guò)程都變慢了；在參考系2看來(lái)，1中的所有物理過(guò)程都變快了D在參考系1看來(lái)，2中的所有物理過(guò)程都變慢了；在參考系2看來(lái)，1中的所有物理過(guò)程也變慢了【達(dá)標(biāo)訓(xùn)練】一、單選題1.經(jīng)典力學(xué)不能適用于下列哪些運(yùn)動(dòng)的研究 A. 火箭的發(fā)射B. 宇宙飛船繞地球的運(yùn)動(dòng)C. “勇氣號(hào)”宇宙探測(cè)器的運(yùn)動(dòng)D. 以倍光速運(yùn)行的電子束2.2017年10月3日，瑞典皇家科學(xué)院將2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了三位美國(guó)科學(xué)家，以表彰他們對(duì)LIG

9、O探測(cè)裝置的決定性貢獻(xiàn)引力波是愛(ài)因斯坦相對(duì)論的最后一塊缺失的“拼圖”，相對(duì)論在一定范圍內(nèi)彌補(bǔ)了牛頓力學(xué)的局限性關(guān)于牛頓力學(xué)，下列說(shuō)法正確的是A. 牛頓力學(xué)完全適用于宏觀低速運(yùn)動(dòng)B. 牛頓力學(xué)取得了巨大成就，是普遍適用的C. 隨著物理學(xué)的發(fā)展，牛頓力學(xué)將逐漸成為過(guò)時(shí)的理論D. 由于相對(duì)論、量子論的提出，牛頓力學(xué)已經(jīng)失去了它的應(yīng)用價(jià)值3.如下圖所示，a、b、c為三個(gè)完全相同的時(shí)鐘，a放在水平地面上，b、c分別放在以速度、向同一方向飛行的兩枚火箭上，且，則地面的觀察者認(rèn)為走得最慢的鐘為 A. aB. bC. cD. 無(wú)法確定4.經(jīng)典力學(xué)規(guī)律不適用于下列運(yùn)動(dòng)的是A. 子彈的飛行B. 飛船繞地球的運(yùn)行C

10、. 列車的運(yùn)行D. 粒子接近光速的運(yùn)動(dòng)5.下列說(shuō)法符合史實(shí)的是A. 開(kāi)普勒在牛頓定律的基礎(chǔ)上，總結(jié)出了行星運(yùn)動(dòng)的規(guī)律B. 卡文迪許第一次在實(shí)驗(yàn)室里測(cè)出了萬(wàn)有引力常量C. 牛頓建立的經(jīng)典力學(xué)可以解決自然界中所有的問(wèn)題D. “和諧號(hào)”動(dòng)車組高速行駛時(shí)，在地面上測(cè)得的其車廂長(zhǎng)度明顯變短6.下列說(shuō)法正確的是A. 牛頓定律適合于解決宏觀、低速的物體運(yùn)動(dòng)問(wèn)題B. 在真空中相對(duì)于不同的慣性參考系光速是不同的C. 在高速運(yùn)動(dòng)的列車中的鐘表比靜止在地面上的鐘表走的快D. 在地面觀察高速行進(jìn)的列車時(shí)，測(cè)其長(zhǎng)度會(huì)比它靜止時(shí)的長(zhǎng)度大7.下列說(shuō)法中正確的是A. 牛頓運(yùn)動(dòng)定律就是牛頓力學(xué)B. 牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動(dòng)定律

11、C. 牛頓運(yùn)動(dòng)定律可以解決自然界中的所有問(wèn)題D. 牛頓力學(xué)可以解決自然界中的所有問(wèn)題8.在一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的巨大轉(zhuǎn)盤上放置三個(gè)完全相同的時(shí)鐘，a放在轉(zhuǎn)軸處，b放在中間，c放在邊緣處，如下圖所示對(duì)于地面上的觀察者，根據(jù)相對(duì)論認(rèn)為三個(gè)時(shí)鐘的快慢情況，下列說(shuō)法正確的是A. a鐘最快，b、c鐘一樣慢B. a鐘最慢，b、c鐘一樣快C. a鐘最快，c鐘最慢D. a鐘最慢，c鐘最快二、多選題9.多選年6月16日，來(lái)自中國(guó)的“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星從太空發(fā)出兩道紅色的光射向青海德令哈站與千里外的云南麗江高美古站，首次實(shí)現(xiàn)了人類歷史上第一次距離達(dá)“千公里級(jí)”的量子密鑰分發(fā)下列說(shuō)法正確的是A. 經(jīng)典力學(xué)適用于“墨子號(hào)”繞地

12、球運(yùn)動(dòng)的規(guī)律B. 經(jīng)典力學(xué)適用于光子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律C. 量子力學(xué)可以描述“墨子號(hào)”發(fā)出兩道紅光的運(yùn)動(dòng)規(guī)律D. 量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)說(shuō)明經(jīng)典力學(xué)已經(jīng)失去了應(yīng)用價(jià)值三、簡(jiǎn)答題（本大題共1小題，共3.0分）一列速度接近光速的火車靜止時(shí)的長(zhǎng)度比隧道的長(zhǎng)度大經(jīng)過(guò)隧道時(shí)，站在地面上的人還看到兩個(gè)閃電同時(shí)擊中隧道的兩端，但由于“動(dòng)尺變短”效應(yīng)，站在隧道旁邊的人看到火車完全進(jìn)入了隧道，剛好不會(huì)被閃電擊中。但是，站在車上的人看到的卻是隧道變得更短，不可能完全遮住整列火車，那么他看到的閃電會(huì)不會(huì)擊中火車呢？參考答案【課堂檢測(cè)】D 2.B 3.D【達(dá)標(biāo)訓(xùn)練】1.D【解析】火箭的發(fā)射、宇宙飛船繞地球的運(yùn)動(dòng)、宇宙探測(cè)器的運(yùn)動(dòng)都屬

13、低速，經(jīng)典力學(xué)能適用。對(duì)于高速微觀的情形經(jīng)典力學(xué)不適用，故對(duì)以倍光速運(yùn)行的電子束不適用；故選D。2.A【解析】于宏觀低速運(yùn)動(dòng)的物體，故A正確；B.牛頓力學(xué)取得了巨大的成就，但它也具有一定的局限性，并不是普遍適用的，在微觀高速情況下，要用量子力學(xué)和相對(duì)論來(lái)解釋，但是并不會(huì)因?yàn)橄鄬?duì)論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，就否定了牛頓力學(xué)取得了巨大的成就，故B錯(cuò)誤；在微觀高速情況下，要用量子力學(xué)和相對(duì)論來(lái)解釋，但是并不會(huì)因?yàn)橄鄬?duì)論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，就否定了牛頓力學(xué)，牛頓力學(xué)在其適用范圍內(nèi)仍然是正確的，故不會(huì)過(guò)時(shí)也不會(huì)失去應(yīng)用價(jià)值，故CD錯(cuò)誤。故選A。3.C【解析】如題圖所示，地面上的觀察者認(rèn)為C鐘走得最慢，因?yàn)樗鄬?duì)于

14、觀察者的速度最大，根據(jù)公式可知，相對(duì)于觀察者的速度v越大，其上的時(shí)間進(jìn)程越慢，所以c走的最慢。地面上的鐘a的速度，它所記錄的兩事件的時(shí)間間隔最大，即地面上的鐘走得最快。故C正確，ABD錯(cuò)誤。故選C。4.D【解析】解：A、B、C、經(jīng)典力學(xué)的適用范圍是宏觀、低速情形，子彈的飛行、飛船繞地球的運(yùn)行、列車的運(yùn)動(dòng)，經(jīng)典力學(xué)能適用。故ABC錯(cuò)誤；D、粒子接近光速的運(yùn)動(dòng)，對(duì)于微觀的情形經(jīng)典力學(xué)不適用。故D正確。故選：D。經(jīng)典力學(xué)的適用范圍是宏觀、低速情形，高速情形要用相對(duì)論，微觀粒子運(yùn)動(dòng)要用量子力學(xué)電子及電子以下中子，質(zhì)子，原子，離子，分子是實(shí)物粒子都可以認(rèn)為是微觀粒子；微觀粒子不適用于經(jīng)典力學(xué)5.B【解析

15、】A.開(kāi)普勒在他的導(dǎo)師第谷天文觀測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，總結(jié)出了行星運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，但并未找出了行星按照這些規(guī)律運(yùn)動(dòng)的原因；牛頓在開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)定律的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出萬(wàn)有引力定律，故A錯(cuò)誤；B.卡文迪許第一次在實(shí)驗(yàn)室里測(cè)出了萬(wàn)有引力常量，故B正確；C.牛頓運(yùn)動(dòng)定律不適用于微觀高速物體，故C錯(cuò)誤；D.“和諧號(hào)”動(dòng)車組高速行駛時(shí)，其速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光速，則不會(huì)出現(xiàn)沿車廂長(zhǎng)度明顯變短的現(xiàn)象，故D錯(cuò)誤。故選B。6.A【解析】A.牛頓定律是經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)，僅適用于低速、宏觀領(lǐng)域，故A正確；B.根據(jù)狹義相對(duì)論可知，在所有的慣性系中，光在真空中的傳播速率具有相同的值c，這叫光速不變?cè)?，故B錯(cuò)誤；C.根據(jù)狹義相對(duì)論的鐘慢效應(yīng)

16、可知，在高速運(yùn)動(dòng)的列車中的鐘表比靜止在地面上的鐘表走的慢，故C錯(cuò)誤；D.根據(jù)狹義相對(duì)論的尺縮效應(yīng)可知，在地面觀察高速行進(jìn)的列車時(shí)，測(cè)其長(zhǎng)度會(huì)比它靜止時(shí)的長(zhǎng)度小，故D錯(cuò)誤。故選A。7.B【解析】牛頓力學(xué)并不等同于牛頓運(yùn)動(dòng)定律，牛頓運(yùn)動(dòng)定律只是牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)，A錯(cuò)誤，B正確；牛頓力學(xué)并非是萬(wàn)能的，也有其適用范圍，它并不能解決自然界中的所有問(wèn)題，CD錯(cuò)誤。故選B。8.C【解析】根據(jù)公式，地面上的觀察者認(rèn)為c鐘走得最慢，因?yàn)樗鄬?duì)觀察者的速度最大；b鐘比c鐘快一些，而a鐘最快，因?yàn)樗乃俣茸钚?，故C正確，ABD錯(cuò)誤9.AC【解析】經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀物體的運(yùn)動(dòng)，而不適用微觀粒子的運(yùn)動(dòng)，故A正確，B錯(cuò)誤；量子力學(xué)使用描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)，故C正確，D錯(cuò)誤。故選AC。10.不會(huì)，因?yàn)檎驹谒淼琅缘娜丝吹絻蓚€(gè)閃電是同時(shí)發(fā)生的，但站在火車?yán)锩娴娜丝吹降膬蓚€(gè)閃電卻不是同時(shí)發(fā)生的，他看到