2024-2025學(xué)年新教材高中物理第七章萬(wàn)有引力與宇宙航行5相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性學(xué)案新人教版必修2

PAGE13-相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性學(xué)問(wèn)結(jié)構(gòu)導(dǎo)圖核心素養(yǎng)目標(biāo)物理觀念：慣性系的概念，經(jīng)典時(shí)空觀與相對(duì)論時(shí)空觀．科學(xué)探究：查閱相對(duì)論時(shí)空觀的驗(yàn)證資料，體會(huì)人類對(duì)自然界的探究是不斷深化的．科學(xué)思維：經(jīng)典理論與狹義相對(duì)論的區(qū)分．科學(xué)看法與責(zé)任：會(huì)利用相對(duì)論時(shí)空觀說(shuō)明與日常生活相關(guān)的時(shí)間和長(zhǎng)度的相對(duì)性問(wèn)題學(xué)問(wèn)點(diǎn)一相對(duì)論時(shí)空觀閱讀教材第65～67頁(yè)“相對(duì)論時(shí)空觀”部分．1．慣性系與非慣性系(1)凡是牛頓運(yùn)動(dòng)定律成立的參考系，稱為慣性參考系，簡(jiǎn)稱慣性系，相對(duì)一個(gè)慣性系做勻速直線運(yùn)動(dòng)的另一個(gè)參考系也是慣性系．慣性系就是沒(méi)有加速度的參考系，如地面．(2)牛頓運(yùn)動(dòng)定律不成立的參考系稱為非慣性參考系，如加速中的汽車，這個(gè)汽車作為參考系就是非慣性參考系．2．經(jīng)典相對(duì)性原理：表述一：力學(xué)規(guī)律在任何________中都是相同的．表述二：在一個(gè)慣性參考系內(nèi)進(jìn)行的任何力學(xué)試驗(yàn)都不能推斷這個(gè)慣性系是否相對(duì)于另一個(gè)慣性系做________運(yùn)動(dòng)．表述三：任何慣性系都是________的．3．狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)：(1)試驗(yàn)基礎(chǔ)：不論光源與觀測(cè)者做怎樣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，光速都是________．(2)兩個(gè)基本假設(shè).項(xiàng)目?jī)?nèi)容狹義相對(duì)性原理在不同的________參考系中，物理規(guī)律的形式都是相同的光速不變?cè)碚婵罩械墓馑僭诓煌膽T性參考系中大小都是________的4.時(shí)間和空間的相對(duì)性(1)時(shí)間延緩效應(yīng)假如相對(duì)于地面以v運(yùn)動(dòng)的________上的人視察到與其一起運(yùn)動(dòng)的物體完成某個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔為Δτ，地面上的人視察到該物體在________完成這個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔為Δt，那么兩者之間的關(guān)系是Δt＝________由于1－eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2<1，所以總有Δt>Δτ，此種狀況稱為時(shí)間________．(2)長(zhǎng)度收縮效應(yīng)假如與桿________的人測(cè)得桿長(zhǎng)是l0，沿著桿的方向，以v相對(duì)桿運(yùn)動(dòng)的人測(cè)得桿長(zhǎng)是l，那么兩者之間的關(guān)系是l＝________由于1－eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2<1，所以總有l(wèi)<l0，此種狀況稱為長(zhǎng)度________．圖解1：圖解2：小車的加速度a＝0時(shí)，單擺和小球的狀態(tài)符合牛頓運(yùn)動(dòng)定律；小車的加速度a≠0時(shí)，單擺和小球的狀態(tài)不符合牛頓運(yùn)動(dòng)定律．點(diǎn)睛：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)．

學(xué)問(wèn)點(diǎn)二牛頓力學(xué)的成就與局限性閱讀教材第68頁(yè)“牛頓力學(xué)的成就與局限性”部分．1．牛頓力學(xué)的成就(1)從地面上物體的運(yùn)動(dòng)到________的運(yùn)動(dòng)，從攔河筑壩、修建橋梁到設(shè)計(jì)各種機(jī)械，從自行車到汽車、火車、飛機(jī)等________工具的運(yùn)動(dòng)，從投出籃球到放射________、人造地球衛(wèi)星、宇宙飛船……全部這些都聽(tīng)從牛頓力學(xué)的規(guī)律．(2)牛頓力學(xué)在如此廣袤的領(lǐng)域里與實(shí)際相________，顯示了________的正確性和牛頓力學(xué)的魅力．像一切科學(xué)一樣，牛頓力學(xué)沒(méi)有也不會(huì)窮盡一切真理，它也有自己的局限性．它像一切科學(xué)理論一樣，是一部“未完成的交響曲”．2.牛頓力學(xué)的局限性(1)19世紀(jì)末和20世紀(jì)初，物理學(xué)探討深化到________，發(fā)覺(jué)了電子、________、中子等微觀粒子，而且發(fā)覺(jué)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)律在許多狀況下不能用________來(lái)說(shuō)明．(2)20世紀(jì)20年頭，________建立了，它能夠很好地描述________運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，并在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮了重要作用．3．牛頓力學(xué)與相對(duì)論的關(guān)系(1)當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度____________于光速c時(shí)(c＝3×108(2)當(dāng)另一個(gè)重要常數(shù)即普朗克常量h可以忽視不計(jì)時(shí)(h＝6.63×10－34J·s)，________和牛頓力學(xué)的結(jié)論沒(méi)有區(qū)分．(3)相對(duì)論與量子力學(xué)都沒(méi)有________過(guò)去的科學(xué)，而只認(rèn)為過(guò)去的科學(xué)是自己在肯定條件下的特別情形．【思索辨析】(1)在牛頓力學(xué)中，位移的測(cè)量與參考系的運(yùn)動(dòng)狀況無(wú)關(guān)．()(2)牛頓運(yùn)動(dòng)定律在物體速度達(dá)到幾千米每秒時(shí)就不再適用了．()(3)真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的．()(4)在相對(duì)論時(shí)空觀中，運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度跟物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)．()(5)量子力學(xué)不能描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律．()要點(diǎn)一時(shí)間延緩效應(yīng)和長(zhǎng)度收縮效應(yīng)時(shí)間延緩效應(yīng)是不是指時(shí)鐘走得慢了？長(zhǎng)度收縮效應(yīng)是不是指物體長(zhǎng)度變短了？1．兩個(gè)效應(yīng)與物體相對(duì)靜止的參考系中視察與物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的參考系中視察時(shí)間延緩效應(yīng)兩個(gè)事務(wù)發(fā)生的時(shí)間間隔為Δτ兩事務(wù)發(fā)生的時(shí)間間隔變大Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2))長(zhǎng)度收縮效應(yīng)桿的長(zhǎng)度為l0若參考系沿桿的方向運(yùn)動(dòng)，視察到的桿的長(zhǎng)度減小l＝l0eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2)2.對(duì)“兩個(gè)效應(yīng)”的理解(1)時(shí)間間隔、長(zhǎng)度的改變，都是由于物質(zhì)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的一種觀測(cè)效應(yīng)，它與所選取的參考系有關(guān)，物質(zhì)本身的結(jié)構(gòu)并沒(méi)有改變．(2)兩個(gè)事務(wù)的時(shí)間間隔和物體的長(zhǎng)度，必需與所選取的參考系相聯(lián)系，假如在沒(méi)有選取參考系的狀況下探討時(shí)間的長(zhǎng)短及空間的尺寸，是沒(méi)有任何意義的．3．相對(duì)性的四個(gè)方面(1)“同時(shí)”的相對(duì)性：“同時(shí)”不是肯定的，而是取決于視察者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)．(2)長(zhǎng)度的相對(duì)性：一條沿自身長(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng)的桿，其長(zhǎng)度總比桿靜止時(shí)的長(zhǎng)度短．(3)時(shí)間間隔的相對(duì)性：運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘變慢．(4)相對(duì)論時(shí)空觀：空間和時(shí)間與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)．題型一對(duì)長(zhǎng)度的相對(duì)性的理解點(diǎn)撥：時(shí)間延緩和長(zhǎng)度收縮．可以通俗地理解為：運(yùn)動(dòng)的鐘比靜止的鐘走得慢，而且運(yùn)動(dòng)速度越快，鐘走得越慢，接近光速時(shí)，鐘就幾乎停止了；在尺子長(zhǎng)度方向上運(yùn)動(dòng)的尺子比靜止時(shí)短，這就是所謂的長(zhǎng)度收縮效應(yīng)，當(dāng)速度接近光速時(shí)，尺子縮成一個(gè)點(diǎn)．【例1】一艘太空飛船靜止時(shí)的長(zhǎng)度為30m，它以0.6c(cA．飛船上的觀測(cè)者測(cè)得該飛船的長(zhǎng)度小于30mB．地球上的觀測(cè)者測(cè)得該飛船的長(zhǎng)度小于30mC．飛船上的觀測(cè)者測(cè)得地球上發(fā)來(lái)的光信號(hào)速度小于cD．地球上的觀測(cè)者測(cè)得飛船上發(fā)來(lái)的光信號(hào)速度小于c題型二對(duì)時(shí)間間隔的相對(duì)性的理解【例2】如圖所示，A、B、C是三個(gè)完全相同的時(shí)鐘，A放在地面上，B、C分別放在以速度vB和vC朝同一方向飛行的兩枚火箭上，且vB<vC.地面上的視察者認(rèn)為哪個(gè)時(shí)鐘走得最慢？哪個(gè)時(shí)鐘走得最快？練1假設(shè)有一名考生用90分鐘完成了一場(chǎng)考試，一艘飛船相對(duì)此考生以0.5c的速度勻速飛過(guò)(cA．小于90分鐘B．等于90分鐘C．大于90分鐘D．等于45分鐘練2(多選)A、B兩架飛機(jī)沿地面上一足球場(chǎng)的長(zhǎng)邊方向在其上空高速飛過(guò)，且vA>vB，對(duì)于在飛機(jī)上人的視察結(jié)果，下列說(shuō)法正確的是()A．A飛機(jī)上的人視察到足球場(chǎng)的長(zhǎng)度比B飛機(jī)上的人視察到的大B．A飛機(jī)上的人視察到足球場(chǎng)的長(zhǎng)度比B飛機(jī)上的人視察到的小C．兩飛機(jī)上的人視察到足球場(chǎng)的長(zhǎng)度相同D．兩飛機(jī)上的人視察到足球場(chǎng)的寬度相同要點(diǎn)二對(duì)牛頓力學(xué)、相對(duì)論及量子力學(xué)的相識(shí)牛頓力學(xué)、相對(duì)論及量子力學(xué)的比較牛頓力學(xué)自然界中宏觀、低速物體的運(yùn)動(dòng)，都聽(tīng)從牛頓力學(xué)的規(guī)律相對(duì)論空間、時(shí)間、質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系；闡述了物體在以接近光速運(yùn)動(dòng)時(shí)所遵循的規(guī)律量子力學(xué)微觀粒子不僅具有粒子性，同時(shí)還具有波動(dòng)性；正確描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律【例3】(多選)2017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公里外的云南麗江高美古站，首次實(shí)現(xiàn)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．牛頓力學(xué)適用于描述“墨子號(hào)”繞地球運(yùn)動(dòng)的規(guī)律B．牛頓力學(xué)適用于描述光子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律C．量子力學(xué)可以描述“墨子號(hào)”發(fā)出的“兩道紅光”的運(yùn)動(dòng)規(guī)律D．量子力學(xué)的發(fā)覺(jué)說(shuō)明牛頓力學(xué)已失去了好用價(jià)值練3關(guān)于牛頓力學(xué)的局限性，下列說(shuō)法正確的是()A．牛頓力學(xué)適用于宏觀低速運(yùn)動(dòng)的物體B．由于牛頓力學(xué)局限性，所以一般力學(xué)問(wèn)題都用相對(duì)論來(lái)解決C．火車提速后，有關(guān)速度問(wèn)題不能用牛頓力學(xué)來(lái)處理D．牛頓力學(xué)只適用于像地球和太陽(yáng)那樣大的宏觀物體練4(多選)關(guān)于牛頓力學(xué)、相對(duì)論與量子力學(xué)的說(shuō)法正確的是()A．當(dāng)物體的速度接近光速時(shí)，牛頓力學(xué)就不適用了B．相對(duì)論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，使牛頓力學(xué)失去了意義C．量子力學(xué)能夠描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性D．萬(wàn)有引力定律也適用于強(qiáng)引力場(chǎng)思索與探討(教材P67)已知μ子低速運(yùn)動(dòng)時(shí)的平均壽命是3.0μs.當(dāng)μ子以0.99c提示：依據(jù)Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2))可知，若選擇μ子為參考系，此時(shí)μ子的平均壽命是3.0μs.對(duì)于地面上的觀測(cè)者來(lái)說(shuō)Δt＝eq\f(3,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(0.99c,c)))2))≈21μs.1．下列運(yùn)動(dòng)中不能用經(jīng)典力學(xué)規(guī)律描述的是()A．子彈的飛行B．粒子接近光速的運(yùn)動(dòng)C．人造衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)D．和諧號(hào)從深圳向廣州疾馳2．如圖所示，強(qiáng)強(qiáng)乘速度為0.9c(c為真空中的光速)的宇宙飛船追逐正前方的壯壯，壯壯的飛行速度為0.5A．0.4cB．C．0.9cD．3．某宇航員要到離地球5光年的星球上去旅行．假如希望把路程縮短為3光年，則他所乘飛船相對(duì)地球的速度為()A．0.5cB．0.6C0.8cD．4.(多選)如圖所示，你站在水平木桿AB的中心旁邊，并且看到木桿落在地面上時(shí)是兩端同時(shí)著地的，所以，你認(rèn)為該木桿是平著落到了地面上；若此時(shí)飛飛小姐正以接近光速的速度從你前面拂過(guò)，她看到B端比A端先落地，因而她認(rèn)為木桿是向右傾斜著落地的．她的看法是()A．正確的B．錯(cuò)誤的C．她應(yīng)感覺(jué)到木桿在朝她運(yùn)動(dòng)D．她應(yīng)感覺(jué)到木桿在遠(yuǎn)離她運(yùn)動(dòng)5．(多選)甲乘客乘坐在接近光速的火車上，乙視察者站在鐵軌旁邊的地面上，甲、乙兩人手中各持一把沿火車前進(jìn)方向放置的米尺．則下列說(shuō)法正確的是()A．甲看到乙手中尺子長(zhǎng)度比甲看到自己手中的尺子長(zhǎng)度要長(zhǎng)B．甲看到乙手中尺子長(zhǎng)度比甲看到自己手中的尺子長(zhǎng)度要短C．乙看到甲手中尺子長(zhǎng)度比乙看到自己手中的尺子長(zhǎng)度要長(zhǎng)D．乙看到甲手中尺子長(zhǎng)度比乙看到自己手中的尺子長(zhǎng)度要短6．地面上長(zhǎng)100km的鐵路上空有一火箭沿鐵路方向以30km/s的速度拂過(guò)，則火箭上的人看到鐵路的長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)為多少？假如火箭的速度達(dá)到0.6ceq\x(溫馨提示：請(qǐng)完成單元素養(yǎng)評(píng)價(jià)三)5．相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性課前自主學(xué)習(xí)學(xué)問(wèn)點(diǎn)一2．慣性系勻速直線平權(quán)3．(1)一樣的(2)慣性相同4．(1)慣性參考系同一地點(diǎn)eq\f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2))延緩效應(yīng)(2)相對(duì)靜止l0eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2)收縮效應(yīng)學(xué)問(wèn)點(diǎn)二1．(1)天體現(xiàn)代交通導(dǎo)彈(2)符合牛頓運(yùn)動(dòng)定律2．(1)微觀世界質(zhì)子牛頓力學(xué)(2)量子力學(xué)微觀粒子3．(1)遠(yuǎn)小沒(méi)有(2)量子力學(xué)(3)否定思索辨析答案：(1)√(2)×(3)√(4)√(5)×互動(dòng)課堂·合作探究要點(diǎn)一提示：不是．時(shí)間延緩效應(yīng)和長(zhǎng)度收縮效應(yīng)說(shuō)明在不同慣性系觀測(cè)時(shí)，測(cè)得的結(jié)果不同，是相對(duì)論時(shí)空觀的體現(xiàn)，不是時(shí)鐘真的變慢了或物體長(zhǎng)度真的變短了．【例1】【解析】飛船上的視察者相對(duì)飛船靜止，則他測(cè)得的是飛船的靜止長(zhǎng)度，即為30m，A項(xiàng)錯(cuò)誤；地球上的觀測(cè)者看到飛船是運(yùn)動(dòng)的，依據(jù)長(zhǎng)度的相對(duì)性可知他看到飛船長(zhǎng)度比靜止時(shí)的長(zhǎng)度小，B項(xiàng)正確；依據(jù)光速不變?cè)淼蔑w船上的觀測(cè)者和地球上的觀測(cè)者觀測(cè)到的光信號(hào)速度均為c，C、D項(xiàng)錯(cuò)誤．【答案】B【例2】【解析】地面上的視察者認(rèn)為C時(shí)鐘走得最慢，因?yàn)樗鄬?duì)于視察者的速度最大．依據(jù)公式Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2))可知，相對(duì)于視察者的速度v越大，鐘走得越慢，所以C走得最慢．地面上的A時(shí)鐘相對(duì)于視察者的速度為零，A走得最快．【答案】C時(shí)鐘走得最慢，A時(shí)鐘走得最快練1解析：依據(jù)Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2))可得Δt＝eq\f(90,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(0.5c,c)))2))(分鐘)>90(分鐘)，C正確．答案：C練2解析：由l＝l0eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2)(其中l(wèi)0是相對(duì)足球場(chǎng)靜止時(shí)測(cè)得的長(zhǎng)度)，可以看出，速度越大，“動(dòng)尺變短”的效應(yīng)越明顯，選項(xiàng)B正確；但是足球場(chǎng)的短邊與飛機(jī)速度方向垂直，所以兩飛機(jī)上的人視察到足球場(chǎng)的寬度相同．答案：BD要點(diǎn)二【例3】【解析】牛頓力學(xué)可以用來(lái)描述物體的宏觀低速運(yùn)動(dòng)，故牛頓力學(xué)適用于描述“墨子號(hào)”繞地球運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，故A正確；對(duì)于運(yùn)動(dòng)速度接近光速的物體的運(yùn)動(dòng)，不適合用牛頓力學(xué)來(lái)描述，故B錯(cuò)誤；量子力學(xué)可以描述“墨子號(hào)”發(fā)出的“兩道紅光”的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，因?yàn)榧t光運(yùn)動(dòng)速度為光速，所以需考慮相對(duì)論效應(yīng)，運(yùn)用量子力學(xué)描述，故C正確；量子力學(xué)和牛頓力學(xué)適用范圍不同，量子力學(xué)適用于高速運(yùn)動(dòng)，在宏觀低速運(yùn)動(dòng)中，牛頓力學(xué)仍舊適用，不能說(shuō)牛頓力學(xué)已經(jīng)失去了好用價(jià)值，故D錯(cuò)誤．【答案】AC練3解析：牛頓運(yùn)動(dòng)定律屬于牛頓力學(xué)的探討范疇，適用于宏觀低速運(yùn)動(dòng)的物體，并留意到低速和高速的標(biāo)準(zhǔn)是相對(duì)于光速而言的，可判定牛頓運(yùn)動(dòng)定律適用于B、C、D中描述的運(yùn)動(dòng)，而A中狀況不適用．答案：A練4解析：牛頓力學(xué)只適用于低速宏觀的物體，故A正確；相對(duì)論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，并沒(méi)有否定牛頓力學(xué)，只是說(shuō)牛頓力學(xué)有肯定的適用范圍，故B錯(cuò)誤；量子力學(xué)描述了微觀粒子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性，故C正確；萬(wàn)有引力定律只適用于較弱的引力場(chǎng)，而對(duì)于如白矮星、中子星的強(qiáng)引力場(chǎng)是不適用的，故D錯(cuò)誤．答案：AC隨堂演練·達(dá)標(biāo)檢測(cè)1．解析：子彈的飛行、火車的運(yùn)動(dòng)及人造衛(wèi)星繞地球的運(yùn)動(dòng)，都屬于宏觀低速，經(jīng)典力