2022-2023學(xué)年高一物理同步講義（人教 ）7.5相對論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性（教師版）

第七章萬有引力與宇宙航行第5課相對論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性目標(biāo)導(dǎo)航目標(biāo)導(dǎo)航課程標(biāo)準(zhǔn)核心素養(yǎng)1.了解相對論時(shí)空觀，知道時(shí)間延緩效應(yīng)和長度收縮效應(yīng).2.認(rèn)識(shí)牛頓力學(xué)的成就、適用范圍及局限性.3.了解科學(xué)理論的相對性，體會(huì)科學(xué)理論是不斷發(fā)展和完善的．1、物理觀念：相對論時(shí)空觀。2、科學(xué)思維：時(shí)間延緩效應(yīng)，長度收縮效應(yīng)。3、科學(xué)探究：愛因斯坦的假設(shè)。4、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：牛頓力學(xué)的成就與局限性。知識(shí)精講知識(shí)精講知識(shí)點(diǎn)01相對論時(shí)空觀1．19世紀(jì)，英國物理學(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(yàn)以及其他一些實(shí)驗(yàn)表明：在不同的參考系中，光的傳播速度都是一樣的．3．愛因斯坦假設(shè)：在不同的慣性參考系中，物理規(guī)律的形式都是相同的；真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的．4．時(shí)間延緩效應(yīng)：完成同一動(dòng)作，在慣性參考系上的時(shí)間間隔Δτ和在地面上的人的時(shí)間間隔Δt之間的關(guān)系是Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))\s\up12(2))).由于1－eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up12(2)<1，所以總有Δt>Δτ，此種情況稱為時(shí)間延緩效應(yīng)．5．長度收縮效應(yīng)：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(dòng)的人測得桿長是l，那么兩者之間的關(guān)系是l＝l0eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))\s\up12(2)).由于1－eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up12(2)<1，所以總有l(wèi)<l0，此種情況稱為長度收縮效應(yīng)．6．相對論時(shí)空觀：運(yùn)動(dòng)物體的長度(空間距離)和物理過程的快慢(時(shí)間進(jìn)程)都跟物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)．【即學(xué)即練1】A、B兩火箭沿同一方向高速飛過地面上的某處，vA＞vB，在地面上的人觀察到的結(jié)果正確的是()A．火箭A上的時(shí)鐘走得最快B．地面上的時(shí)鐘走得最快C．火箭B上的時(shí)鐘走得最快D．火箭B上的時(shí)鐘走得最慢【答案】B【解析】由Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\f(v2,c2)))知，地面上的人觀察到的結(jié)果為：A、B兩火箭上的時(shí)鐘都變慢了．又vA＞vB，則火箭A上的時(shí)鐘走得最慢，地面上的時(shí)鐘走得最快，因此B正確，A、C、D錯(cuò)誤．知識(shí)點(diǎn)02牛頓力學(xué)的成就與局限性1．電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子不僅具有粒子性，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經(jīng)典力學(xué)來說明，而量子力學(xué)能夠正確地描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律．2．經(jīng)典力學(xué)的適用范圍：只適用于低速運(yùn)動(dòng)，不適用于高速運(yùn)動(dòng)；只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界．【即學(xué)即練2】一艘太空飛船靜止時(shí)的長度為30m，它以0.6c(c為光速)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(cuò)誤，B正確；由相對論時(shí)空觀的基本假設(shè)知光信號的速度都等于c，C、D錯(cuò)誤．能力拓展能力拓展考法01相對論時(shí)空觀1．低速與高速(1)低速：通常所見物體的運(yùn)動(dòng)，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(dòng)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．2．相對論的兩個(gè)效應(yīng)(1)時(shí)間延緩效應(yīng)：運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘會(huì)變慢，即Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－(\f(v,c))2)).(2)長度收縮效應(yīng)：運(yùn)動(dòng)長度會(huì)收縮，即l＝l0eq\r(1－(\f(v,c))2).【典例1】兩個(gè)慣性系S和S′，沿x(x′)軸方向做勻速相對運(yùn)動(dòng)．設(shè)S′在系中某點(diǎn)先后發(fā)生兩個(gè)事件，用靜止于該系的鐘測出兩事件的時(shí)間間隔為τ0,而用固定在S系的鐘測出這兩個(gè)事件的時(shí)間間隔為τ.又在S′系x′軸上放置一靜止于該系長度為l0的細(xì)桿，從S系測得此桿的長度為l，則判斷τ與τ0，l與l0的大小關(guān)系．【答案】τ<τ0l<l0【解析】牛頓力學(xué)認(rèn)為，無論靜止還是運(yùn)動(dòng)，一只鐘“滴答”一次的時(shí)間間隔、一把尺的長度(即空間間隔)以及一個(gè)物體的質(zhì)量，總是不變的；而在愛因斯坦的相對論中，與靜止時(shí)相比，運(yùn)動(dòng)的鐘變慢、運(yùn)動(dòng)的尺縮短、運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量變大．因此說，時(shí)間和空間這兩個(gè)基本的物理量，在牛頓力學(xué)中都是“絕對的”，但是在相對論中則都是“相對的”．考法02牛頓力學(xué)的成就與局限性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(yùn)動(dòng)的物體，相對論闡述了物體在以接近光速運(yùn)動(dòng)時(shí)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速時(shí)，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(gè)重要常數(shù)即普朗克常量可以忽略不計(jì)時(shí)，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2】關(guān)于經(jīng)典力學(xué)，下列說法中正確的是()A．相對論與量子力學(xué)否定了經(jīng)典力學(xué)理論B．經(jīng)典力學(xué)可以解決自然界中所有的問題C．經(jīng)典力學(xué)適用于微觀領(lǐng)域質(zhì)子、電子的運(yùn)動(dòng)D．經(jīng)典力學(xué)適用于發(fā)射的導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船的運(yùn)動(dòng)【答案】D【解析】相對論與量子力學(xué)并沒有否定經(jīng)典力學(xué)，而是在其基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，有各自成立范圍，A錯(cuò)誤；經(jīng)典力學(xué)只能解決宏觀低速物體的問題，對于微觀或高速的物體不再適用，B、C錯(cuò)誤；經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀低速物體，適用于發(fā)射的導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船的運(yùn)動(dòng)，D正確．分層提分分層提分題組A基礎(chǔ)過關(guān)練1．關(guān)于牛頓力學(xué)、相對論和量子力學(xué)，下列說法中正確的是（）A．相對論和牛頓力學(xué)是相互對立、互不相容的兩種理論B．在物體高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，相對論適用于物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；在物體低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，牛頓運(yùn)動(dòng)定律適用于物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律C．牛頓力學(xué)適用于宏觀物體的運(yùn)動(dòng)，也適用于微觀粒子的運(yùn)動(dòng)D．不論是宏觀物體，還是微觀粒子，牛頓力學(xué)和量子力學(xué)都是適用的【答案】B【解析】A．經(jīng)典力學(xué)是狹義相對論在低速條件下的近似，即只要速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光速，經(jīng)過數(shù)學(xué)變換狹義相對論的公式就全部變化為牛頓經(jīng)典力學(xué)的公式，故A錯(cuò)誤；B．在物體高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律服從狹義相對論理論，在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律服從牛頓運(yùn)動(dòng)定律，故B正確；CD．牛頓經(jīng)典力學(xué)只適用于宏觀低速物體，而微觀、高速運(yùn)動(dòng)的物體服從狹義相對論，故CD錯(cuò)誤。故選B。2．愛因斯坦在物理學(xué)中的重要貢獻(xiàn)有（）A．發(fā)現(xiàn)萬有引力定律 B．建立狹義相對論C．首次測定元電荷的電荷量 D．最早發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象【答案】B【解析】A．牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律，故A錯(cuò)誤；

B．愛因斯坦建立了狹義相對論，故B正確；C．密立根首次測定元電荷的電荷量，故C錯(cuò)誤；

D．法拉第最早發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，故D錯(cuò)誤。故選B。3．絕對真理是不存在的，物理規(guī)律總是在一定的范圍內(nèi)成立。如牛頓運(yùn)動(dòng)定律的適用范圍是（）A．宏觀物體的運(yùn)動(dòng) B．微觀粒子的運(yùn)動(dòng)C．宏觀物體的低速運(yùn)動(dòng) D．微觀粒子的低速運(yùn)動(dòng)【答案】C【解析】牛頓運(yùn)動(dòng)定律的適用范圍是宏觀物體的低速運(yùn)動(dòng)，不適用微觀粒子的高速運(yùn)動(dòng)。故選C。4．在物理學(xué)發(fā)展過程中，許多物理學(xué)家做出了巨大貢獻(xiàn)，下列說法正確的是（）A．牛頓通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了牛頓第一定律B．法拉第提出了電場的概念C．相對論時(shí)空觀不能通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證D．伽利略通過實(shí)驗(yàn)證明了自由落體運(yùn)動(dòng)是勻變速直線運(yùn)動(dòng)【答案】B【解析】A．牛頓第一定律是通過合理推理得到的，現(xiàn)實(shí)中不可能通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，因?yàn)椴淮嬖谕耆皇芰Φ奈矬w，故A錯(cuò)誤；B．法拉第提出了電場的概念，故B正確；C．相對論時(shí)空觀可以通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，且已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)證明了其正確性，故C錯(cuò)誤；D．伽利略是經(jīng)過合理外推根據(jù)邏輯推理說明了自由落體運(yùn)動(dòng)是勻加速直線運(yùn)動(dòng)，故D錯(cuò)誤。故選B。5．美國科學(xué)家2016年2月11日宣布，他們探測到引力波的存在，引力波是實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證愛因斯坦相對論的最后一塊缺失的“拼圖”，相對論在一定范圍內(nèi)彌補(bǔ)了牛頓力學(xué)的局限性。關(guān)于牛頓力學(xué)，下列說法正確的是（）A．牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律但沒有測出引力常量B．牛頓力學(xué)取得了巨大成就，適用于一切領(lǐng)域C．兩物體間的萬有引力總是質(zhì)量更大的物體受到的萬有引力大D．由于相對論、量子論的提出，牛頓力學(xué)已經(jīng)失去了它的應(yīng)用價(jià)值【答案】A【解析】A．牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律，卡文迪什測得了引力常量，A正確；B．牛頓力學(xué)適用于宏觀、低速的物體，B錯(cuò)誤；C．兩物體間的萬有引力是相互作用力，總是大小相等，C錯(cuò)誤；D．牛頓運(yùn)動(dòng)定律和相對論、量子理論適用范圍不同，各有其用途，D錯(cuò)誤。故選A。6．物理學(xué)的發(fā)展豐富了人類對物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)，推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新和革命，促進(jìn)了物質(zhì)生產(chǎn)的繁榮與人類文明的進(jìn)步，下列表述正確的是（）A．牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律B．伽利略通過實(shí)驗(yàn)測出了萬有引力常量的數(shù)值C．勻速圓周運(yùn)動(dòng)中速度和加速度均不變D．經(jīng)典力學(xué)在所有情況下均能使用【答案】A【解析】A．牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律。故A正確；B．卡文迪許通過實(shí)驗(yàn)測出了萬有引力常量的數(shù)值。故B錯(cuò)誤；C．勻速圓周運(yùn)動(dòng)中速度和加速度大小不變，方向改變。故C錯(cuò)誤；D．經(jīng)典力學(xué)在宏觀、低速情況下能使用。故D錯(cuò)誤。故選A。題組B能力提升練7．離開地面6km高空存在某μ子源，產(chǎn)生的μ子以0.99c（c為真空中光速）飛向地面。已知μ子的靜止壽命為3.0×10-6s。地面能收到該源的μ子，則（）A．高速μ子的壽命大于3.0×10-6sB．高速μ子的壽命等于3.0×10-6sC．μ子參考系下觀察到離地距離大于6kmD．μ子參考系下觀察到離地距離等于6km【答案】A【解析】AB．根據(jù)鐘慢效應(yīng)由此可知，高速μ子的壽命大于3.0×10-6s，故A正確，B錯(cuò)誤；CD．根據(jù)尺縮效應(yīng)由此可知，μ子參考系下觀察到離地距離應(yīng)小于6km，故CD錯(cuò)誤。故選A。8．某星際飛船正在遙遠(yuǎn)的外太空飛行，假如它的速度可以達(dá)到0.7c，在地球上觀測到其經(jīng)過8.76×104h的時(shí)間到達(dá)某星球，則在飛船上的人看來，其到達(dá)此星球需要的時(shí)間是（）A．8.76×104h B．6.26×104hC．12.27×104h D．16.52×104h【答案】B【解析】到達(dá)此星球需要的時(shí)間是≈6.26×104h故選B。9．（多選）關(guān)于牛頓力學(xué)理論，下列說法正確的是（）A．牛頓力學(xué)是物理學(xué)和天文學(xué)的基礎(chǔ)，也是現(xiàn)代工程技術(shù)的理論基礎(chǔ)B．牛頓力學(xué)的理論體系是經(jīng)過幾代科學(xué)家長期的探索，歷經(jīng)曲折才建立起來的C．牛頓力學(xué)具有豐富的理論成果，也建立了驗(yàn)證科學(xué)的方法體系D．當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)速度很大（v→c）時(shí)，牛頓力學(xué)理論所得的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合【答案】ABC【解析】A．牛頓力學(xué)是物理學(xué)和天文學(xué)的基礎(chǔ)，也是現(xiàn)代工程技術(shù)的理論基礎(chǔ)，A正確；B．牛頓力學(xué)的理論體系是經(jīng)過幾代科學(xué)家長期的探索，歷經(jīng)曲折才建立起來的，B正確；C．牛頓力學(xué)具有豐富的理論成果，也建立了驗(yàn)證科學(xué)的方法體系，C正確；D．當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)速度很大（v→c）時(shí)，牛頓力學(xué)理論所得的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間出現(xiàn)了較大的偏差，D錯(cuò)誤。故選ABC。10．（多選）如圖甲所示，質(zhì)子束被加速到接近光速；如圖乙所示，中子星是質(zhì)量、密度非常大的星體。下列說法正確的是（）A．牛頓力學(xué)適用于質(zhì)子束的運(yùn)動(dòng)規(guī)律B．牛頓力學(xué)不適用于質(zhì)子束的運(yùn)動(dòng)規(guī)律C．牛頓力學(xué)適用于中子星的引力規(guī)律D．牛頓力學(xué)不適用于中子星的引力規(guī)律【答案】BD【解析】牛頓力學(xué)適用于宏觀、低速物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，不適用于質(zhì)子束的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，也不適用于中子星的引力規(guī)律。故選BD。11．（多選）設(shè)某人在速度為0.5c的飛船上打開一個(gè)光源，則下列說法正確的是（

）A．飛船正前方地面上的觀察者觀察這一光速為1.5cB．飛船正后方地面上的觀察者觀察這一光速為0.5cC．在垂直飛船前進(jìn)方向地面上的觀察者觀察這一光速是cD．在地面上任何地方的觀察者看到的光速都是c【答案】CD【解析】根據(jù)狹義相對論的“光速不變原理”可知，真空中的光速在不同的慣性系中都是相同的，CD正確。故選CD。12．（多選）一枚火箭靜止于地面時(shí)長為30m，兩個(gè)完全相同的時(shí)鐘分別放在火箭內(nèi)和地面上。火箭以速度v飛行，光速為c，下列判斷正確的是（）A．若v=0.5c，則火箭上的觀察者測得火箭的長度仍為30mB．若v=0.5c，則地面上的觀察者測得火箭的長度仍為30mC．若v=0.5c，則火箭上的觀察者認(rèn)為地面上的時(shí)鐘走得快D．若v=