2024-2025學(xué)年新教材高中物理第七章萬有引力與宇宙航行第五節(jié)相對論時空觀與牛頓力學(xué)的局限性學(xué)案新人教版必修2

PAGE1-第五節(jié)相對論時空觀與牛頓力學(xué)的局限性目標(biāo)體系構(gòu)建明確目標(biāo)·梳理脈絡(luò)【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1．知道什么是肯定時空觀和相對論時空觀。2．知道愛因斯坦的兩個假設(shè)。3．知道時間延緩效應(yīng)和長度收縮效應(yīng)。4．了解牛頓力學(xué)的局限性和適用范圍?！舅季S脈絡(luò)】課前預(yù)習(xí)反饋教材梳理·落實新知學(xué)問點1相對論時空觀1．肯定時空觀：時間與空間都是獨立于物體及其__運動__而存在的，也叫牛頓力學(xué)時空觀。2．愛因斯坦的兩個假設(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。3．時間延緩效應(yīng)：Δt＝__eq\f(Δτ,\r(1－\f(v,c)2))__。4．長度收縮效應(yīng)：l＝__l0eq\r(1－\f(v,c)2)__。5．相對論時空觀：運動物體的長度(空間距離)和物理過程的快慢(時間進(jìn)程)都跟物體的__運動狀態(tài)__有關(guān)。學(xué)問點2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(jī)械，從自行車到汽車、火車、飛機(jī)等現(xiàn)代交通工具的運動，從投出籃球到放射導(dǎo)彈、人造地球衛(wèi)星、宇宙飛船……全部這些都聽從__牛頓力學(xué)__的規(guī)律。2．牛頓力學(xué)的局限性：牛頓力學(xué)對于__高速運動__的物體和電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子是不適用的。3．量子力學(xué)的建立能夠很好地描述__微觀__運動的規(guī)律，并在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮了重要作用。4．相對論與量子力學(xué)都沒有__否定__過去的科學(xué)，而只認(rèn)為過去的科學(xué)是自己在肯定條件下的__特別__情形。預(yù)習(xí)自測『判一判』(1)在不同的慣性系中，光速是不同的。(×)(2)由于在任何慣性系中力學(xué)規(guī)律都是相同的，因此，探討力學(xué)問題時可以選擇任何慣性系。(√)(3)依據(jù)經(jīng)典時空觀，某一事務(wù)的發(fā)展過程，在不同的慣性系中視察，它們的時間間隔是相同的。(√)(4)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。(×)(5)原子中電子的運動能用經(jīng)典力學(xué)進(jìn)行說明。(×)(6)空氣中灰塵的運動能用經(jīng)典力學(xué)進(jìn)行說明。(√)『選一選』如圖所示，強(qiáng)強(qiáng)乘坐速度為0.9c(c為光速)的宇宙飛船追逐正前方的壯壯，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)，則壯壯麗測到該光束的傳播速度為(D)A．0.4c B．0.5cC．0.9c D．c解析：由狹義相對論的基本假設(shè)：光速不變原理，真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的，可知D正確?！合胍幌搿皇澜缟细鞣N各樣的鐘：砂鐘、電鐘、機(jī)械鐘、光鐘和生物鐘。既然運動可以使某一種鐘變慢，它肯定會使全部的鐘都一樣變慢。這種說法對嗎？提示：對。課內(nèi)互動探究細(xì)研深究·破疑解難探究相對論時空觀┃┃情境導(dǎo)入■如圖，高速運行的列車車廂，車頂上有一個反光鏡，列車上一個人對著反光鏡照耀一束光。思索：列車上的人和地面上的人視察到的光的來回時間是否相同？提示：不同。┃┃要點提煉■牛頓力學(xué)時空觀與相對論時空觀比較比較項目牛頓力學(xué)時空觀相對論時空觀同時肯定性相對性長度肯定性相對性光速可變(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┃┃典例剖析■典題1如圖，假設(shè)一根10m長的梭鏢以光速穿過一根10m長的管子，它們的長度都是在靜止?fàn)顟B(tài)下測量的。以下敘述中最好的描述了梭鏢穿過管子的狀況的是(D)A．梭鏢收縮變短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它B．管子收縮變短，因此在某些位置上，梭鏢從管子的兩端伸出來C．兩者都收縮，且收縮量相等，因此在某個位置，管子恰好遮住梭鏢D．全部這些都與視察者的運動狀況有關(guān)思路引導(dǎo)：“尺縮”效應(yīng)公式l＝l0eq\r(1－\f(v,c)2)中的l和l0是具有相對性的，究竟是管子收縮變短還是梭鏢收縮變短，要看視察者所處的參考系。解析：假如你是在相對于管子靜止的參考系中視察運動著的梭鏢，那么梭鏢看起來就比管子短，在某些位置梭鏢會完全在管子內(nèi)部，然而當(dāng)你和梭鏢一起運動時，你看到的管子就縮短了，所以在某些位置，你可以看到梭鏢兩端都伸出管子。┃┃對點訓(xùn)練■1．如圖所示，在一個高速轉(zhuǎn)動的巨大轉(zhuǎn)盤上，放著A、B、C三個時鐘，下列說法正確的是(C)A．A時鐘走得最慢，B時鐘走得最快B．A時鐘走得最慢，C時鐘走得最快C．C時鐘走得最慢，A時鐘走得最快D．B時鐘走得最慢，A時鐘走得最快解析：A、B、C在同一轉(zhuǎn)盤上，它們的角速度相同，由v＝r·ω可知r越大，線速度v越大。Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2))可知，v越大，Δt越大，也就是說鐘走得越慢。從圖中可以看出，A時鐘的線速度最小，C時鐘的線速度最大，故A時鐘走得最快，C時鐘走得最慢。探究牛頓力學(xué)的成就與局限性┃┃情境導(dǎo)入■能依據(jù)牛頓運動定律探討原子中電子的運動嗎？提示：不能。┃┃要點提煉■1．牛頓力學(xué)的成就牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運動定律，在低速、宏觀、弱引力的廣袤領(lǐng)域，牛頓力學(xué)取得了巨大的成就。牛頓力學(xué)又稱為經(jīng)典力學(xué)。探討方法的代表伽利略的“自然數(shù)學(xué)法”和牛頓的“歸納演繹法”推動了物理、數(shù)學(xué)和哲學(xué)的發(fā)展主要成就天體力學(xué)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)等得到了廣泛的應(yīng)用18世紀(jì)60年頭，力學(xué)和熱力學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用，引發(fā)了第一次工業(yè)革命動量守恒定律、機(jī)械能守恒定律等是航空航天技術(shù)的理論基礎(chǔ)2．牛頓力學(xué)的局限性20世紀(jì)20年頭，建立了量子力學(xué)，它能夠很好地描述微觀粒子運動的規(guī)律，并在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮了重要作用；愛因斯坦的廣義相對論表明，在強(qiáng)引力的作用下，牛頓的引力理論將不再適用；相對論和量子力學(xué)都沒有否定牛頓力學(xué)，而是認(rèn)為牛頓力學(xué)是相對論在低速狀況下的近似。┃┃典例剖析■典題2(多選)20世紀(jì)以來，人們發(fā)覺了一些新的事實，而牛頓力學(xué)卻無法說明。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(BCD)A．隨著相識的發(fā)展，牛頓力學(xué)已成了過時的理論B．人們對客觀事物的詳細(xì)相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(kuò)展相識，在更廣袤的領(lǐng)域內(nèi)駕馭不同事物的本質(zhì)與規(guī)律思路引導(dǎo)：相對論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，說明人類對自然界的相識更加廣袤和深化，但并不表示牛頓力學(xué)失去了意義。歷史上的科學(xué)成就不會被新的科學(xué)成就完全否定，而是作為某些條件下的特別情形，被包括在新的科學(xué)成就之中。解析：人們對客觀世界的相識要受到所處的時代的客觀條件和科學(xué)水平的制約，所以形成的看法也都具有肯定的局限性，人們只有不斷擴(kuò)展自己的相識，才能駕馭更廣袤領(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，只能認(rèn)為過去的科學(xué)是新的科學(xué)在肯定條件下的特別情形。┃┃對點訓(xùn)練■2．(2024·廣東佛山一中高一下學(xué)期期中)牛頓力學(xué)不適用于下列哪些運動(B)A．火箭的放射B．速度接近光速的物體的運動C．“墨子號”在太空的運動D．宇宙飛船繞地球的運動解析：牛頓力學(xué)適用于宏觀、低速物體的運動，而不適用于微觀、高速物體的運動，故選B。核心素養(yǎng)提升以題說法·啟智培優(yōu)易錯點：不深刻理解長度的相對性而致錯案例假設(shè)地面上有一火車以接近光速的速度運行，其內(nèi)站立著一個中等身材的人，站在路旁的人視察車?yán)锏娜?，視察的結(jié)果是(D)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．這個人瘦但不高易錯分析：不理解尺縮效應(yīng)只發(fā)生在相對運動的方向上，但在垂直運動方向上長度不變而錯選A、