人教版高中物理新教材同步講義必修第二冊 第7章 5　相對論時空觀與牛頓力學(xué)的局限性（含解析）

5相對論時空觀與牛頓力學(xué)的局限性[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.了解相對論時空觀，知道時間延緩效應(yīng)和長度收縮效應(yīng).2.認(rèn)識牛頓力學(xué)的成就、適用范圍及局限性.3.了解科學(xué)理論的相對性，體會科學(xué)理論是不斷發(fā)展和完善的．一、相對論時空觀1．19世紀(jì)，英國物理學(xué)家麥克斯韋根據(jù)電磁場理論預(yù)言了電磁波的存在，并證明電磁波的傳播速度等于光速c.2．1887年的邁克耳孫—莫雷實(shí)驗(yàn)以及其他一些實(shí)驗(yàn)表明：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)中不同參考系之間的速度變換關(guān)系不符．3．愛因斯坦假設(shè)：在不同的慣性參考系中，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相同的．4．時間延緩效應(yīng)(1)如果相對于地面以v運(yùn)動的慣性參考系上的人觀察到與其一起運(yùn)動的物體完成某個動作的時間間隔為Δτ，地面上的人觀察到該物體在同一地點(diǎn)完成這個動作的時間間隔為Δt，那么兩者之間的關(guān)系是Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\f(v,c)2)).(2)Δt與Δτ的關(guān)系總有Δt＞Δτ(填“>”“<”或“＝”)，即物理過程的快慢(時間進(jìn)程)跟物體的運(yùn)動狀態(tài)有關(guān)(填“有關(guān)”或“無關(guān)”)．5．長度收縮效應(yīng)(1)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(yùn)動的人測得桿長是l，那么兩者之間的關(guān)系是l＝l0eq\r(1－\f(v,c)2).(2)l與l0的關(guān)系總有l(wèi)＜l0(填“>”“<”或“＝”)，即運(yùn)動物體的長度(空間距離)跟物體的運(yùn)動狀態(tài)有關(guān)(填“無關(guān)”或“有關(guān)”)．二、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)的基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動定律，萬有引力定律的建立與應(yīng)用更是確立了人們對牛頓力學(xué)的尊敬．2．牛頓力學(xué)的局限性：牛頓力學(xué)的適用范圍是低速(填“高速”或“低速”)運(yùn)動的宏觀(填“宏觀”或“微觀”)物體．(1)當(dāng)物體以接近光速運(yùn)動時，有些規(guī)律與牛頓力學(xué)的結(jié)論不相同．(2)電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子的運(yùn)動規(guī)律在很多情況下不能用牛頓力學(xué)來說明．3．牛頓力學(xué)不會被新的科學(xué)成就所否定，當(dāng)物體的運(yùn)動速度遠(yuǎn)小于光速c時，相對論物理學(xué)與牛頓力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別．判斷下列說法的正誤．(1)運(yùn)動的時鐘顯示的時間變慢，高速飛行的μ子的壽命變長．(√)(2)沿著桿的方向，相對于觀察者運(yùn)動的桿的長度變短．(√)(3)牛頓力學(xué)只適用于世界上普通的物體，研究天體的運(yùn)動牛頓力學(xué)就無能為力了．(×)(4)洲際導(dǎo)彈的速度可達(dá)到6000m/s，在這種高速運(yùn)動狀態(tài)下，牛頓力學(xué)不適用．(×)(5)對于質(zhì)子、電子的運(yùn)動情況，牛頓力學(xué)同樣適用．(×)一、相對論時空觀導(dǎo)學(xué)探究地球繞太陽公轉(zhuǎn)的速度是3×104m/s，設(shè)在美國伊利諾斯州費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的圓形粒子加速器可以把電子加速到0.999999999987倍光速的速度，請思考：(1)在狹義相對論中，地球的公轉(zhuǎn)速度屬于低速還是高速？被加速器加速后的電子的速度屬于低速還是高速？(2)在地面上校準(zhǔn)的兩只鐘，一只留在地面上，一只隨宇宙飛船遨游太空，隔一段時間飛船返回地面時，兩只鐘顯示的時間相同嗎？有什么差別？答案(1)地球的公轉(zhuǎn)速度屬于低速，被加速器加速后的電子的速度屬于高速．(2)不相同．隨飛船旅行的時鐘變慢．知識深化1．低速與高速(1)低速：通常所見物體的運(yùn)動，如行駛的汽車、發(fā)射的導(dǎo)彈、人造地球衛(wèi)星及宇宙飛船等物體皆為低速運(yùn)動的物體．(2)高速：有些微觀粒子在一定條件下其速度可以與光速相接近，這樣的速度稱為高速．2．相對論的兩個效應(yīng)(1)時間延緩效應(yīng)：運(yùn)動的時鐘會變慢，即Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\f(v,c)2)).(2)長度收縮效應(yīng)：運(yùn)動長度會收縮，即l＝l0eq\r(1－\f(v,c)2).例1如圖所示，強(qiáng)強(qiáng)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(qiáng)強(qiáng)向壯壯發(fā)出一束光進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，則壯壯觀測到該光速的傳播速度為()A．0.4cB．0.5cC．0.9cD．c答案D解析根據(jù)光速不變原理，在一切慣性參考系中測量到的真空中的光速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c，故選D.例2假設(shè)地面上有一火車以接近光速的速度運(yùn)行，其內(nèi)站立著一個中等身材的人，站在路旁的人觀察車?yán)锏娜?，觀察的結(jié)果是()A．這個人是一個矮胖子B．這個人是一個瘦高個子C．這個人矮但不胖D．這個人瘦但不高答案D解析取路旁的人為慣性參考系，車上的人相對于路旁的人高速運(yùn)動，根據(jù)長度收縮效應(yīng)，人在運(yùn)動方向上將變窄，但在垂直于運(yùn)動方向上沒有發(fā)生變化，故選D.相對于地面以速度v高速運(yùn)動的物體，從地面上看：(1)沿著運(yùn)動方向上的長度變短了，速度越大，變短得越多．(2)在垂直于運(yùn)動方向上不發(fā)生長度收縮效應(yīng)現(xiàn)象．例3A、B兩火箭沿同一方向高速飛過地面上的某處，vA＞vB，在地面上的人觀察到的結(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上的時鐘走得最慢答案B解析由Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\f(v2,c2)))知，地面上的人觀察到的結(jié)果為：A、B兩火箭上的時鐘都變慢了．又vA＞vB，則火箭A上的時鐘走得最慢，地面上的時鐘走得最快，因此B正確，A、C、D錯誤．針對訓(xùn)練一艘太空飛船靜止時的長度為30m，它以0.6c(c為光速)的速度沿長度方向飛行越過地球，下列說法正確的是()A．飛船上的觀測者測得該飛船的長度小于30mB．地球上的觀測者測得該飛船的長度小于30mC．飛船上的觀測者測得地球上發(fā)來的光信號速度小于cD．地球上的觀測者測得飛船上發(fā)來的光信號速度小于c答案B解析由l＝l0eq\r(1－\f(v,c)2)知，A錯誤，B正確；由相對論時空觀的基本假設(shè)知光信號的速度都等于c，C、D錯誤．二、牛頓力學(xué)的成就與局限性導(dǎo)學(xué)探究如圖所示，質(zhì)子束被加速到接近光速，牛頓力學(xué)適用于質(zhì)子束的運(yùn)動規(guī)律嗎？答案不適用．知識深化1．牛頓力學(xué)的局限性及適用范圍(1)牛頓力學(xué)適用于低速運(yùn)動的物體，相對論闡述了物體在以接近光速運(yùn)動時所遵循的規(guī)律．(2)牛頓力學(xué)適用于宏觀世界，量子力學(xué)能夠正確描述微觀粒子的運(yùn)動規(guī)律．2．相對論和量子力學(xué)沒有否定牛頓力學(xué)(1)當(dāng)物體的運(yùn)動速度遠(yuǎn)小于光速時，相對論物理學(xué)與牛頓力學(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(jì)時，量子力學(xué)和牛頓力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別．(3)相對論和量子力學(xué)并沒有否定牛頓力學(xué)，牛頓力學(xué)是二者在一定條件下的特殊情形．例4下列關(guān)于牛頓力學(xué)的說法正確的是()A．牛頓力學(xué)適用于宏觀、低速(遠(yuǎn)小于光速)運(yùn)動的物體B．牛頓力學(xué)適用于微觀、高速(接近光速)運(yùn)動的粒子C．相對論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，表明牛頓力學(xué)已被完全否定了D．牛頓力學(xué)