2024版新教材高中物理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)的局限性課件新人教版必修第二冊

5．相對論時空觀與牛頓力學(xué)的局限性核心素養(yǎng)定位物理觀念(1)知道牛頓力學(xué)只適用于低速、宏觀物體的運動．(2)知道相對論、量子力學(xué)有助于人類認(rèn)識高速、微觀領(lǐng)域．(3)知道愛因斯坦的兩個假設(shè)．(4)知道時間延緩效應(yīng)和長度收縮效應(yīng)．科學(xué)思維(1)了解愛因斯坦的兩個假設(shè)，知道牛頓力學(xué)的局限性．(2)能對時間延緩效應(yīng)和長度收縮效應(yīng)問題進行分析．科學(xué)態(tài)度與責(zé)任通過課內(nèi)與課外閱讀，知道相對論、量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的關(guān)系，體會人類對自然界的探索是不斷深入的．導(dǎo)學(xué)·掌握必備知識共研·突破關(guān)鍵能力精煉·落實學(xué)科素養(yǎng)導(dǎo)學(xué)·掌握必備知識

相同光速相同慣性參考系>

靜止<二、牛頓力學(xué)的成就與局限性1．牛頓力學(xué)的成就從地面上物體的運動到天體的運動，從攔河筑壩、修建橋梁到設(shè)計各種機械，從自行車到汽車、火車、飛機等現(xiàn)代交通工具的運動，從投出籃球到發(fā)射導(dǎo)彈、人造地球衛(wèi)星、宇宙飛船……所有這些都服從________的規(guī)律．牛頓力學(xué)2．牛頓力學(xué)的局限性(1)牛頓力學(xué)不適用于________運動．(2)物理學(xué)研究深入到微觀世界，發(fā)現(xiàn)了電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子，而且發(fā)現(xiàn)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________來說明．3．牛頓力學(xué)的適用范圍相對論沒有否定經(jīng)典力學(xué)，經(jīng)典力學(xué)是相對論的特殊情況只適用于________運動，不適用于________運動；只適用于________世界，不適用于________世界．高速牛頓力學(xué)低速高速宏觀微觀【情境思考】如圖所示，假設(shè)一列火車沿平直軌道飛快地勻速行駛．車廂中央的光源發(fā)出一個閃光，照到了車廂的前壁和后壁．請對以下結(jié)論作出判斷．(1)對車廂內(nèi)相對車廂靜止的觀察者看來，閃光同時到達前、后壁．(

)(2)對車下的觀察者看來，閃光先到達后壁，后到達前壁．(

)(3)以上兩人的看法必然有一個是錯誤的．(

)√√×1

真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的，與光源、觀察者間的相對運動沒有關(guān)系．

2

時間延緩效應(yīng)的核心是觀察某個過程所用時間時，靜止在地面上觀察所用時間比在高速運動物體上觀察所用時間長．

兩種不同的時空觀(1)經(jīng)典力學(xué)的時空觀認(rèn)為時間就其本質(zhì)而言，是永遠均勻地流失，與任何外界無關(guān)．空間就其本質(zhì)而言是與任何外界事物無關(guān)的，它從不運動，并且永遠不變，也稱為絕對時空觀．(2)相對論時空觀認(rèn)為時間和空間是相互聯(lián)系、相互影響的，并且與物質(zhì)的存在及運動密切相關(guān)．共研·突破關(guān)鍵能力

提示：(1)假設(shè)機艙中的人豎直上拋小球，小球的運動遵從牛頓運動定律，不能從這個實驗判斷飛機相對于地面的速度．要判斷相對速度，可以透過窗戶觀測云朵等參照物．以飛機為參考系，小球做豎直上拋運動，以地面為參考系，小球做斜上拋運動，水平方向的分速度就是飛機相對地面的速度．但不論在哪個參考系中，小球都在重力的作用下，遵從牛頓第二定律做拋體運動，運動軌跡的描述不同是因為各參考系間有相對速度，但力學(xué)規(guī)律在兩個參考系中是相同的．(2)按照牛頓力學(xué)中的速度合成法則，在火車上觀察，這束光的速度為c，則其相對地面的速度為v＋c＝1.9c.但邁克耳孫—莫雷實驗及其他一些實驗都表明：在不同的參考系中，光的速度都是一樣的．所以圖乙中從地面上觀察，這束光的速度仍是c.【歸納】1．慣性系和非慣性系(1)牛頓運動定律能夠成立的參考系為慣性系，相對于這個慣性系做勻速直線運動的另一個參考系也是慣性系．(2)牛頓運動定律不成立的參考系稱為非慣性系．2．低速與高速(1)低速：通常所見物體的運動，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．

【典例】例1如圖所示，地面上A、B兩處的中點處有一點光源S，甲觀察者站在光源旁，乙觀察者乘坐速度為v(接近光速)的火箭沿AB方向飛行，兩觀察者身邊各有一個事先在地面校準(zhǔn)了的相同的時鐘．下列對相關(guān)現(xiàn)象的描述中，正確的是(

)A.甲測得的光速為c，乙測得的光速為c－vB．甲認(rèn)為飛船中的鐘變慢了，乙認(rèn)為甲身邊的鐘變快了C．甲測得的A、B間的距離小于乙測得的A、B間的距離D．當(dāng)光源S發(fā)生一次閃光后，甲認(rèn)為A、B兩處同時接收到閃光，乙則認(rèn)為B先接收到閃光答案：D解析：根據(jù)愛因斯坦的光速不變原理，可知甲、乙在兩種不同的參考系里測出的光速都為c，故A錯誤；根據(jù)時間延緩效應(yīng)，運動速度越快，鐘走得越慢，接近光速時，鐘就幾乎停止了，甲、乙相對速度為v(接近光速)，故甲認(rèn)為飛船中的鐘變慢了，乙認(rèn)為甲身邊的鐘變慢了，故B錯誤；根據(jù)長度收縮效應(yīng)，可知甲測得的A、B間的距離大于乙測得的A、B間的距離，故C錯誤；當(dāng)光源S發(fā)生一次閃光后，甲認(rèn)為A、B兩處同時接收到閃光，根據(jù)狹義相對論，則乙認(rèn)為B先接收到閃光，故D正確．例

2如圖所示，假設(shè)一根10cm長的梭鏢以接近光速的速度穿過一根10cm長的靜止管子，它們的長度都是在靜止?fàn)顟B(tài)下測量的．以下敘述中最好地描述了梭鏢穿過管子的情況的是(

)A．靜止的觀察者看到梭鏢收縮變短，因此在某個位置，管子能完全遮住梭鏢B．靜止的觀察者看到梭鏢變長，因此在某個位置，梭鏢從管子的兩端伸出來C．靜止的觀察者看到兩者的收縮量相等，因此在某個位置，管子仍恰好遮住梭鏢D．如果梭鏢和管子都以光速c相向運動，則二者的相對速度是2c答案：A解析：根據(jù)狹義相對論的長度收縮效應(yīng)，梭鏢相對于靜止的觀察者高速運動，那么梭鏢收縮變短，而管子相對于靜止的觀察者是靜止的，那么管子長度不變，所以靜止的觀察者看到梭鏢收縮變短，因此在某個位置，管子能完全遮住梭鏢，故A正確，B、C錯誤；如果梭鏢和管子都以光速c相向運動，根據(jù)相對論的原理可知二者的相對速度是c，故D錯誤．目標(biāo)二牛頓力學(xué)的成就與局限性【導(dǎo)思】如圖所示為位于瑞士和法國邊境的長達27km的大型強子對撞機．這是一種能把質(zhì)子加速到接近光速的設(shè)備．此時質(zhì)子的運動規(guī)律還能用牛頓力學(xué)去研究嗎？此時質(zhì)子的運動規(guī)律該用什么理論去研究呢？提示：不適用．經(jīng)典力學(xué)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(xué)．【歸納】1．牛頓力學(xué)的局限性及適用范圍(1)牛頓力學(xué)適用于低速運動的物體，相對論闡述了物體在以接近光速運動時所遵循的規(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)物體的運動速度遠小于光速時，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．【典例】例3(多選)關(guān)于經(jīng)典力學(xué)、相對論和量子力學(xué)，下面說法正確的是(

)A．相對論和經(jīng)典力學(xué)是相互對立、互不相容的兩種理論B．在物體高速運動時，物體的運動服從相對論理論，在低速運動時，物體的運動服從牛頓運動定律C.經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀物體的運動，量子力學(xué)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(xué)和量子力學(xué)都是適用的答案：BC解析：相對論并沒有否定經(jīng)典力學(xué)，而是認(rèn)為經(jīng)典力學(xué)是相對論理論在一定條件下的特殊情況，A錯誤；經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀物體的低速運動，對于微觀粒子的高速運動問題，經(jīng)典力學(xué)不再適用，但相對論、量子力學(xué)適用，故B、C正確，D錯誤．例4下列物體的運動，不能用經(jīng)典力學(xué)描述的是(

)A．復(fù)興號列車高速行駛B．電子以接近光的速度運動C．神舟十三號飛船在軌道上運行D．遼寧號航空母艦在大海上航行答案：B解析：經(jīng)典力學(xué)適用于低速宏觀的物體，不適用于微觀高速物體，故電子以接近光的速度運動時不能用經(jīng)典力學(xué)描述．列車的行駛、飛船的運行以及航母在大海中行駛都能用經(jīng)典力學(xué)描述，故不能用經(jīng)典力學(xué)描述的只有B.故B符合題意，A、C、D不符合題意．精煉·落實學(xué)科素養(yǎng)1.[2023·黑龍江哈爾濱六校高一下期末]物理學(xué)史上許多物理學(xué)家的科學(xué)研究推動了人類文明的進程．關(guān)于相對論時空觀與牛頓力學(xué)的局限性，下列說法正確的是(

)A．經(jīng)典力學(xué)能夠說明微觀粒子的規(guī)律性，仍適用于宏觀物體的高速運動問題B．相對論與量子力學(xué)的出現(xiàn)否定了經(jīng)典力學(xué)，表示經(jīng)典力學(xué)已失去意義C．經(jīng)典力學(xué)并不等于牛頓運動定律，牛頓運動定律只是經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)D．經(jīng)典力學(xué)在現(xiàn)代廣泛應(yīng)用，它的正確性無可懷疑，仍是普遍適用的答案：C解析：經(jīng)典力學(xué)具有一定的局限性，只能適用于宏觀、低速運動的物體，而對于微觀、高速運動的物體則不適用，并不具有普遍性，故A、D錯誤；相對論與量子力學(xué)的出現(xiàn)并未否定經(jīng)典力學(xué)，而是補充了經(jīng)典力學(xué)的不足，它們并不能替代經(jīng)典力學(xué)，故B錯誤；經(jīng)典力學(xué)并不等于牛頓運動定律，牛頓運動定律只是經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)，故C正確．2．(多選)20世紀(jì)以來，人們發(fā)現(xiàn)了一些新的事實，而牛頓力學(xué)卻無法解釋．牛頓力學(xué)只適用于解決物體的低速運動問題，不能用來處理高速運動問題，只適用于宏觀物體，一般不適用于微觀粒子．這說明(

)A．隨著認(rèn)識的發(fā)展，牛頓力學(xué)已成了過時的理論B．人們對客觀事物的具體認(rèn)識在廣度上是有局限性的C.不同領(lǐng)域的事物各有其本質(zhì)與規(guī)律D．人們應(yīng)當(dāng)不斷擴展認(rèn)識，在更廣闊的領(lǐng)域內(nèi)掌握不同事物的本質(zhì)與規(guī)律答案：BCD解析：人們對客觀世界的認(rèn)識要受到所處的時代的客觀條件和科學(xué)水平的制約，所以形成的看法具有一定的局限性．人們只有不斷擴展自己的認(rèn)識，才能掌握更廣闊領(lǐng)域內(nèi)的不同事物的本質(zhì)與規(guī)律．新的科學(xué)的誕生并不意味著對原來科學(xué)的全盤否定，而是認(rèn)為過去的科學(xué)是新的科學(xué)在某些條件下的特殊情形．故A錯誤，B、C、D正確．3．慣性參考系S中有一邊長為l的正方形．從相對S系沿x軸方向以接近光速勻速飛行的飛行器上測得該正方形的圖像可能是(

)答案：C解析：由相對論知識可知，在運動的飛行器上觀測到正方形應(yīng)該在運動方向上的邊長變短，而在垂直于運動方向上的邊長不變，故選項C正確．4．如圖所示，在高速行進的火車車廂正中的閃光燈發(fā)出一次閃光向周圍傳播，閃光到達車廂后壁時，一只小貓在車廂后端出生，閃光到達車廂前壁時，兩只小雞在車廂前端出生．則(

)A．在火車上的人看來，小貓先出生B．在火車上的人看來，小雞先出生C．在地面上的人看來，小貓先出生D．在地面上的人看來，小雞先出生答案：C解析：火車中的人認(rèn)為，車廂是慣性系，光向前向后傳播的速度相等，光源在車廂中央，閃光同時到達前后兩壁，則火車上的人看到小貓和小雞同時出生，A、B錯誤；地面上的人以地面為慣性系，光向前向后傳播的速度相等，向前傳播的路程長些，到達前壁的時刻晚些，故在地面上的人看來，小貓先出生，C正確，D錯誤．5．(多選)如圖所示，甲、乙兩人分別乘坐速度為0.6c和0.8c(c為真空中的