【物理】相對(duì)論時(shí)空觀(guān)與牛頓力學(xué)的局限性 課件 2023-2024學(xué)年高一下學(xué)期人教版（2019）必修第二冊(cè)

人教版高一物理必修第二冊(cè)第二學(xué)期第七章7.5

相對(duì)論時(shí)空觀(guān)與牛頓力學(xué)的局限性第七章萬(wàn)有引力與宇宙航行7.5

相對(duì)論時(shí)空觀(guān)與牛頓力學(xué)的局限性核心素養(yǎng)目標(biāo)1、物理觀(guān)念：知道愛(ài)因斯坦的兩條假設(shè)，了解時(shí)間延緩效應(yīng)、長(zhǎng)度收縮效應(yīng)，認(rèn)識(shí)牛頓力學(xué)的成就與局限性。2、科學(xué)思維：知道牛頓力學(xué)的適用范圍，認(rèn)識(shí)物理學(xué)中理論的相對(duì)穩(wěn)定性，要有質(zhì)疑精神。3、科學(xué)探究：知道質(zhì)量與速度的關(guān)系，知道高速運(yùn)動(dòng)中必須考慮速度隨時(shí)間的變化。4、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：認(rèn)識(shí)邁克耳孫—莫雷實(shí)驗(yàn)對(duì)光速不變?cè)淼耐苿?dòng)作用，體會(huì)實(shí)驗(yàn)和理論的相互關(guān)系。教學(xué)目標(biāo)教學(xué)重點(diǎn)：了解相對(duì)論時(shí)空觀(guān)，知道時(shí)間延緩效應(yīng)和長(zhǎng)度收縮效應(yīng).認(rèn)識(shí)牛頓力學(xué)的成就，適用范圍及局限性.教學(xué)難點(diǎn)：了解科學(xué)理論的相對(duì)性，體會(huì)科學(xué)理論是不斷發(fā)展和完善的.三種宇宙速度同步衛(wèi)星近地衛(wèi)星第一宇宙速度第二宇宙速度第三宇宙速度回顧舊知知識(shí)拓展知識(shí)拓展知識(shí)拓展知識(shí)拓展知識(shí)拓展知識(shí)拓展知識(shí)拓展情境導(dǎo)入生活經(jīng)驗(yàn)讓我們體會(huì)到，時(shí)間好像一條看不見(jiàn)的長(zhǎng)河，均勻地自行流逝著，空間好像一個(gè)廣闊無(wú)邊的大房間，它們彼此獨(dú)立，都不影響物體及其運(yùn)動(dòng)。這種絕對(duì)時(shí)空觀(guān)，也叫牛頓力學(xué)時(shí)空觀(guān)。任務(wù)探究一我們知道，如果河水中的河水以相對(duì)河岸的速度v水流動(dòng)，河中的船以相對(duì)于水的速度v船順流而下，則船相對(duì)于岸邊的速度為v合=v船+v水14任務(wù)探究一如果有一艘飛船，相對(duì)地面以速度v0=0.2c（c為真空中的光速）勻速運(yùn)動(dòng)，從飛船上，沿飛船前進(jìn)方向，射出一束光，在地面上的人看來(lái)，這束光傳播的速度是否應(yīng)為v=v0+c=1.2c呢？1.2倍的光速與我們中學(xué)里學(xué)到的，真空中的光速是宇宙中最快的速度兩者不相符。1887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！在實(shí)驗(yàn)事實(shí)的面前，許多物理學(xué)家，仍然立足在牛頓力學(xué)時(shí)空觀(guān)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。任務(wù)探究一任務(wù)探究一以愛(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(guān)念，如絕對(duì)時(shí)間的觀(guān)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)。任務(wù)探究一愛(ài)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。任務(wù)探究一

假設(shè)一列火車(chē)沿平直軌道飛快地勻速行駛。車(chē)廂中央的光源發(fā)出了一個(gè)閃光，閃光照到了車(chē)廂的前壁和后壁。車(chē)上的觀(guān)察者以車(chē)廂為參考系，因?yàn)檐?chē)廂是個(gè)慣性系，光向前、后傳播的速率相同，光源又在車(chē)廂的中央，閃光當(dāng)然會(huì)同時(shí)到達(dá)前后兩壁任務(wù)探究一對(duì)于車(chē)下的觀(guān)察者來(lái)說(shuō)，他以地面為參考系，因閃光向前、后傳播的速率對(duì)地面也是相同的，在閃光飛向兩壁的過(guò)程中，車(chē)廂向前行進(jìn)了一段距離，所以向前的光傳播的路程長(zhǎng)些。他觀(guān)測(cè)到的結(jié)果應(yīng)該是：閃光先到達(dá)后壁，后到達(dá)前壁(圖7.5-1乙)。因此，這兩個(gè)事件不是同時(shí)發(fā)生的由此可見(jiàn)，時(shí)間不再是絕對(duì)的，而是相對(duì)的，這種情況被稱(chēng)為：時(shí)間的延緩效應(yīng)。如果相對(duì)地面以v運(yùn)動(dòng)的某慣性參考系上的人，觀(guān)察與其一起運(yùn)動(dòng)的物體完成某個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔為，地面上的人觀(guān)察該物體在同一地點(diǎn)完成這個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔為Δt，兩者之間的關(guān)系為：任務(wù)探究一如果有一根桿，與桿相對(duì)靜止的人測(cè)得桿長(zhǎng)是l0，沿著桿的方向，以速度v相對(duì)桿運(yùn)動(dòng)的人測(cè)得桿長(zhǎng)是l，那么l0與l兩者之間的關(guān)系是：由此可見(jiàn)，空間距離也不再是絕對(duì)的，而是相對(duì)的，這種情況被稱(chēng)為長(zhǎng)度的收縮效應(yīng)。任務(wù)探究一由上面兩個(gè)式子可以知道，運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度（空間距離）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(guān)稱(chēng)作相對(duì)論時(shí)空觀(guān)。任務(wù)探究一這兩個(gè)式子中都有一個(gè)因式：當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)的速度v遠(yuǎn)小于c時(shí)趨近于1。與牛頓經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀(guān)一致原來(lái)牛頓力學(xué)時(shí)空觀(guān)是相對(duì)論時(shí)空觀(guān)在低速運(yùn)動(dòng)情況下的特例。任務(wù)探究一知識(shí)點(diǎn)一相對(duì)論時(shí)空觀(guān)1.愛(ài)因斯坦假設(shè) (1)在不同的_________參考系中，物理規(guī)律的形式都是________的。 (2)真空中的________在不同的慣性參考系中大小都是________的。2.時(shí)間延緩效應(yīng)慣性相同光速相同慣性參考系同一地點(diǎn)任務(wù)探究二>靜止<任務(wù)探究二任務(wù)探究二慣性參考系凡是牛頓運(yùn)動(dòng)定律成立的參考系，稱(chēng)為慣性參考系，簡(jiǎn)稱(chēng)慣性系。①所有相對(duì)于慣性系做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的參考系都是慣性系。②所有相對(duì)于慣性系做變速運(yùn)動(dòng)的參考系都是非慣性系。運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度(空間距離)和物理過(guò)程的快慢(時(shí)間進(jìn)程)都跟物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。知識(shí)點(diǎn)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(yùn)動(dòng)到天體的運(yùn)動(dòng)，從攔河筑壩、修建橋梁到設(shè)計(jì)各種機(jī)械，從自行車(chē)到汽車(chē)、火車(chē)、飛機(jī)等現(xiàn)代交通工具的運(yùn)動(dòng)，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。2.牛頓力學(xué)的局限性 (1)牛頓力學(xué)不適用于______運(yùn)動(dòng)。 (2)物理學(xué)研究深入到微觀(guān)世界，發(fā)現(xiàn)了電子、質(zhì)子、中子等微觀(guān)粒子，而且發(fā)現(xiàn)它們不僅具有粒子性，同時(shí)還具有波動(dòng)性，它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律在很多情況下不能用___________來(lái)說(shuō)明。牛頓力學(xué)高速牛頓力學(xué)任務(wù)探究三3.牛頓力學(xué)的適用范圍

只適用于_______運(yùn)動(dòng)，不適用于高速運(yùn)動(dòng)；只適用于宏觀(guān)世界，不適用于________世界。

牛頓力學(xué)經(jīng)歷了實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，不會(huì)被新的科學(xué)所否定。它以某種特殊情形被包含在新的理論之中。低速微觀(guān)任務(wù)探究三核心要點(diǎn)一相對(duì)論時(shí)空觀(guān)牛頓力學(xué)時(shí)空觀(guān)與相對(duì)論時(shí)空觀(guān)比較比較項(xiàng)目牛頓力學(xué)時(shí)空觀(guān)相對(duì)論時(shí)空觀(guān)同時(shí)絕對(duì)性相對(duì)性光速可變(遵循經(jīng)典速度變換規(guī)律)不變物理規(guī)律——在不同慣性參考系中其形式相同任務(wù)探究三二、牛頓力學(xué)的成就與局限性牛頓力學(xué)宏觀(guān)低速!微觀(guān)!高速v<<c可與光速相比任務(wù)探究三[例1]

(多選)關(guān)于相對(duì)論時(shí)空觀(guān)的說(shuō)法，正確的是(

) A.在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的 B.在一切慣性參考系中，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.在牛頓力學(xué)時(shí)空觀(guān)中認(rèn)為同時(shí)發(fā)生的事件，在相對(duì)論時(shí)空觀(guān)中也是同時(shí)發(fā)生的 D.時(shí)間和空間是永恒不變的解析相對(duì)論時(shí)空觀(guān)中，在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的，選項(xiàng)A正確；在一切慣性參考系中，光在真空中的速度都等于c，與光源的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)，選項(xiàng)B正確；相對(duì)論時(shí)空觀(guān)中，時(shí)間和空間具有相對(duì)性，故選項(xiàng)C、D錯(cuò)誤。答案AB任務(wù)探究三[例2]如圖所示，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vb、vc向同一方向飛行的兩枚火箭上，且vb<vc，則地面的觀(guān)察者認(rèn)為走得最慢的鐘為(

)A.a B.b

C.c D.無(wú)法確定答案C任務(wù)探究三[例3]

如圖所示，兩艘飛船A、B沿同一直線(xiàn)同向飛行，相對(duì)地面的速度均為v(v接近光速c)。地面上測(cè)得它們相距為L(zhǎng)，則A測(cè)得兩飛船間的距離________(選填“大于”“等于”或“小于”)L。當(dāng)B向A發(fā)出一光信號(hào)，A測(cè)得該信號(hào)的速度為_(kāi)_______。解析從飛船A測(cè)量時(shí)飛船B是靜止的，從地面上測(cè)量時(shí)兩飛船都是運(yùn)動(dòng)的，由相對(duì)論的“長(zhǎng)度收縮效應(yīng)”知運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度要縮短，故從地面測(cè)得的飛船間距小。由光速不變?cè)碇庑盘?hào)的傳播速度與參考系是無(wú)關(guān)的，故A測(cè)得該信號(hào)的速度仍為光速c。答案大于c(或光速)任務(wù)探究三[針對(duì)訓(xùn)練1]

一艘太空飛船靜止時(shí)的長(zhǎng)度為30m，他以0.6c(c為光速)的速度沿長(zhǎng)度方向飛行越過(guò)地球，下列說(shuō)法正確的是(

) A.飛船上的觀(guān)測(cè)者測(cè)得該飛船的長(zhǎng)度小于30m B.地球上的觀(guān)測(cè)者測(cè)得該飛船的長(zhǎng)度小于30m C.飛船上的觀(guān)測(cè)者測(cè)得地球上發(fā)來(lái)的光信號(hào)速度小于c D.地球上的觀(guān)測(cè)者測(cè)得飛船上發(fā)來(lái)的光信號(hào)速度小于c答案B任務(wù)探究三任務(wù)探究三[針對(duì)訓(xùn)練2]

在一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的巨大轉(zhuǎn)盤(pán)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，如圖所示。對(duì)于地面上的觀(guān)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鐘最快答案C任務(wù)探究四

核心要點(diǎn)二對(duì)牛頓力學(xué)的理解1.牛頓力學(xué)

牛頓力學(xué)通常指以牛頓運(yùn)動(dòng)定律為核心的矢量力學(xué)，有時(shí)也泛指描述低速宏觀(guān)物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的經(jīng)典力學(xué)體系。2.發(fā)展歷程

從亞里士多德和阿基米德的物理學(xué)發(fā)展到經(jīng)典力學(xué)體系經(jīng)歷了約兩千年，經(jīng)歷了以哥白尼、開(kāi)普勒和伽利略為代表的科學(xué)革命。牛頓在伽利略、笛卡兒、開(kāi)普勒、惠更斯等人研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了一次科學(xué)的偉大的綜合，形成了一個(gè)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)、以數(shù)學(xué)為表達(dá)形式的力學(xué)科學(xué)體系。任務(wù)探究四3.牛頓力學(xué)的偉大成就

牛頓力學(xué)和天文學(xué)相結(jié)合，建立了天體力學(xué)；牛頓力學(xué)和工程實(shí)際相結(jié)合，建立了各種應(yīng)用力學(xué)，如流體力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等。所有宏觀(guān)物體的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，都服從牛頓力學(xué)的規(guī)律。4.牛頓力學(xué)的局限性

牛頓力學(xué)有自身的局限性，它不適用于高速運(yùn)動(dòng)，也不適用于微觀(guān)領(lǐng)域。在高速運(yùn)動(dòng)中，相對(duì)論可以描述其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，量子力學(xué)可以描述微觀(guān)粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。但相對(duì)論和量子力學(xué)并未否定牛頓力學(xué)，只認(rèn)為牛頓力學(xué)是自己在一定條件下的特殊情形。[例4]

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 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)；牛頓力學(xué)并非萬(wàn)能，也有其適用范圍，并不能解決自然界中的所有問(wèn)題，沒(méi)有哪個(gè)理論可以解決自然界中的所有問(wèn)題。因此只有弄清牛頓運(yùn)動(dòng)定律和牛頓力學(xué)的隸屬關(guān)系，明確牛頓力學(xué)的適用范圍才能正確解答此類(lèi)問(wèn)題，選項(xiàng)B正確。答案B任務(wù)探究四[針對(duì)訓(xùn)練3]

牛頓力學(xué)不適用于下列哪些運(yùn)動(dòng)(

) 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)行 D.微觀(guān)粒子的波動(dòng)性解析牛頓力學(xué)適用于宏觀(guān)、低速物體的運(yùn)動(dòng)，而研究微觀(guān)粒子的波動(dòng)性時(shí)牛頓力學(xué)不再適用，選項(xiàng)D正確，A、B、C錯(cuò)誤。答案D任務(wù)探究四[針對(duì)訓(xùn)練4]

(多選)關(guān)于牛頓力學(xué)、相對(duì)論和量子力學(xué)，下列說(shuō)法中正確的是(

) A.相對(duì)論和牛頓力學(xué)是相互對(duì)立、互不相容的兩