2024年高中物理新教材同步 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

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.知道愛因斯坦的兩個假設(shè)的內(nèi)容(重點(diǎn))。2.知道時間延緩效應(yīng)及長度收縮效應(yīng)結(jié)論的內(nèi)容(重難點(diǎn))。3.認(rèn)識經(jīng)典力學(xué)的局限性和適用范圍。4.了解相對論、量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的關(guān)系。一、相對論時空觀地球繞太陽公轉(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。1．19世紀(jì)，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)驗以及其他一些實(shí)驗表明：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)(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)真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的。4．相對論時空觀(1)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))。②Δt與Δτ的關(guān)系總有Δt＞Δτ(選填“>”“<”或“＝”)，即物理過程的快慢(時間進(jìn)程)與運(yùn)動狀態(tài)有關(guān)(填“有關(guān)”或“無關(guān)”)。(2)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)。②l與l0的關(guān)系總有l(wèi)＜l0(選填“>”“<”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)”)。(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。(√)例1(2022·上海市第十中學(xué)高一期末)設(shè)某人在速度為0.5c的飛船上打開一個光源，(c為真空中傳播的光速)則下列說法正確的是()A．飛船正前方地面上的觀察者看到這一光速為1.5cB．飛船正后方地面上的觀察者看到這一光速為0.5cC．在垂直飛船前進(jìn)方向地面上的觀察者看到這一光速是eq\f(\r(5),2)cD．在地面上任何地方的觀察者看到的光速都是c答案D解析根據(jù)愛因斯坦的光速不變原理可知，即光在真空中沿任何方向傳播速度都是c，則觀察者在地面上任何地方和在飛船中觀測光的速度均為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3飛船以0.9c的速度做勻速直線運(yùn)動(c為光在真空中的傳播速度)，并向運(yùn)動的反方向發(fā)出電磁波，甲在飛船內(nèi)，乙在地球上，以下說法符合實(shí)際的是()A．甲、乙觀察到飛船內(nèi)時鐘快慢一樣B．發(fā)出的電磁波相對于飛船的速度為1.9cC．乙觀察到飛船內(nèi)桌子的長度比靜止時短D．乙觀察到與飛船保持相對靜止的桌子做勻加速直線運(yùn)動答案C解析根據(jù)狹義相對論的時間延緩效應(yīng)，因此甲、乙觀察到飛船內(nèi)時鐘快慢不一樣，A錯誤；根據(jù)光速不變原理，在不同的慣性參考系中，光在真空中沿任何方向的傳播速度均為c，即發(fā)出的電磁波相對于飛船的速度為c，B錯誤；根據(jù)狹義相對論的長度收縮效應(yīng)，在相對于觀察者移動的方向上，物體被測量的長度縮短，則乙觀察到飛船內(nèi)桌子的長度比靜止時短，C正確；桌子與飛船保持相對靜止，飛船以0.9c的速度做勻速直線運(yùn)動，則乙觀察到桌子也以0.9c的速度做勻速直線運(yùn)動，D錯誤。例4話說有兄弟兩個，哥哥乘坐宇宙飛船以接近光速的速度離開地球去遨游太空，經(jīng)過一段時間返回地球，哥哥驚奇地發(fā)現(xiàn)弟弟比自己要蒼老許多，則該現(xiàn)象的科學(xué)解釋是()A．哥哥在太空中發(fā)生了基因突變，停止生長了B．弟弟思念哥哥而加速生長C．由相對論可知，物體速度越大，其時間進(jìn)程越慢，生理進(jìn)程也越慢D．這是神話，科學(xué)無法解釋答案C解析根據(jù)公式Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\f(v,c)2))可知，物體的速度越大，其時間進(jìn)程越慢，C正確。例5一艘太空飛船靜止時的長度為30m，它以0.6c(c為真空中的光速)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。1．牛頓力學(xué)的成就(1)把天體的運(yùn)動與地面上物體的運(yùn)動統(tǒng)一起來，實(shí)現(xiàn)了人類對自然界認(rèn)識的第一次理論大綜合。(2)在宏觀、低速、弱引力的廣闊區(qū)域，包括天體力學(xué)的研究中，經(jīng)受了實(shí)踐檢驗，取得了巨大成就。(3)將“實(shí)驗和數(shù)學(xué)”相結(jié)合的方法推廣到物理學(xué)的各個分支，形成了完整的經(jīng)典力學(xué)體系。2．牛頓力學(xué)的局限性(1)物體在以接近光速運(yùn)動時所遵從的規(guī)律，有些是與牛頓力學(xué)的結(jié)論并不相同的。(2)在微觀世界中(尺度在10－10m以下)，由于物質(zhì)的存在和運(yùn)動形式(波粒二象性)較宏觀世界，有較大的不同，牛頓力學(xué)也不適用。3．牛頓力學(xué)的適用范圍牛頓力學(xué)只適用于低速運(yùn)動，不適用于高速運(yùn)動；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。4．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。相對論和量子力學(xué)是不是否定了牛頓力學(xué)？說說你的看法。答案不是。當(dāng)物體的運(yùn)動速度遠(yuǎn)小于光速時，相對論與牛頓力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別；當(dāng)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。牛頓力學(xué)沒有被否定，而是作為某些條件下的特殊情形，被包括在新的科學(xué)成就之中。(1)相對論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，說明經(jīng)典力學(xué)已失去意義。(×)(2)原子中電子的運(yùn)動能用經(jīng)典力學(xué)進(jìn)行解釋。(×)(3)空氣中灰塵的運(yùn)動能用經(jīng)典力學(xué)進(jìn)行解釋。(√)(4)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。(×)(5)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。(×)(6)對于質(zhì)子、電子的運(yùn)動情況，牛頓力學(xué)同樣適用。(×)例6(2022·綿陽市高一期末)關(guān)于牛頓力學(xué)理論，下述說法中正確的是()A．牛頓力學(xué)適用于宏觀、低速、弱引力場B．相對論和量子力學(xué)證明了牛頓力學(xué)是錯誤和過時的C．牛頓力學(xué)認(rèn)為時空是相對的D．牛頓力學(xué)可以預(yù)言各種尺度下的運(yùn)動答案A解析牛頓力學(xué)適用于宏觀、低速、弱引力場，A正確；相對論和量子力學(xué)適用于微觀高速粒子的運(yùn)動，并沒有否定牛頓力學(xué)，B錯誤；牛頓力學(xué)中，認(rèn)為時間和空間都是絕對的，C錯誤；牛頓力學(xué)不適用于微觀、高速情況下的運(yùn)動，D錯誤。例7(2022·廣州市高一期末)下列運(yùn)動中，不能用牛頓力學(xué)規(guī)律描述的是()A．子彈的飛行B．粒子接近光速運(yùn)動C．“復(fù)興號”動車從廣州向北京奔馳D．神舟十三號飛船繞地球運(yùn)動答案B解析牛頓力學(xué)規(guī)律只適用宏觀低速物體，不適用微觀高速粒子的運(yùn)動，則不能用牛頓力學(xué)規(guī)律描述的是粒子接近光速運(yùn)動。故選B。例8(多選)(2022·太原市高一期末)以下說法正確的是()A．經(jīng)典物理學(xué)家認(rèn)為如果兩個事件在一個參考系中是同時的，在另一個參考系中也是同時的B．對于宏觀物體的低速運(yùn)動問題，量子力學(xué)與牛頓力學(xué)的結(jié)論是一致的C．牛頓力學(xué)不僅適用于宏觀物體的低速運(yùn)動，也適