学年人教必修第二册 第七章 5.相对论时空观与牛顿力学的局限性 学案.docx

第七章万有引力与宇宙航行5.相对论时空观与牛顿力学的局限性【课标定向】.知道牛顿力学的局限性，体会人类对自然界的探索是不断深入的。1 .初步了解相对论时空观。2 .关注宇宙起源和演化的研究进展。【素养导引】.知道牛顿力学的发展历程、适用范围及局限性；知道爰因斯坦狭 义相对论的基本假设。（物理观念）1 .知道时间延缓效应和长度收缩效应的内容及表达式，会分析相关 现象，进行相关较简单的计算。（科学思维）.了解宇宙起源的大爆炸理论，科学真理都是相对的，未知世界必 将在人类的不懈探索中被揭开更多谜底。（科学态度与责任）掌握必备知识/一、相对论时空观1.19世纪，英国物理学家麦克斯韦根据电磁场理论预言了电磁波的 存在,并证明电磁波的传播速度等于光速目.1887年的迈克耳孙一莫雷实验以及其他一些实验表明:在不同的 参考系中，光的传播速度都是二桂的。2 .爱因斯坦的两个假设在不同的惯性参考系中,物理规律的形式都是槌回的。（2）真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是画回的。3 .时间和空间的相对性时间延缓效应如果相对于地面以v运动的惯性参考系上的人观察到与其一起运动 的物体完成某个动作的时间间隔为Ar ,地面上的人观察到该物体在 同一地点完成这个动作的时间间隔为/ ,那么两者之间的关系是加= 1 = ,_.由于1 -)2<1 ,所以总有A/>Ar ,此种情况称为Nt上时间延缓效应。(2)长度收缩效应如果与杆相对静止的人测得杆长是/o ,沿着杆的方向，以u相对杆运 动的人测得杆长是I ,那么两者之间的关系是/=/oaJi - (1)Lo由 于1 -)2<1 ,所以总有/</0 ,此种情况称为长度收缩效应。思考假设火车以光速经过光源，从光源位置观察，火车车窗是 变长还是变窄？提示：变窄。以地面为参考系，火车快速向前行驶，根据长度收缩效 应，车窗变窄。4 .相对论时空观t= 1 -/ =于/1 - ( 5)表明运动物体的长度(空间距离)和物理过程的快慢(时间进程)都跟物体的运动状态有关。它所反映 的时空观称作相对论时空观。思考相对论时空观的提出有什么重要意义？提示：相对论时空观的提出极大地解放了人类的思想，对现代物理学 的诞生和发展都起到了不可或缺的作用。二、牛顿力学的成就和局限性.牛顿力学的成就牛顿力学把宇宙中的天体和地面上的物体的运动统一起来,从力 学上证明了自然界多样性的统一，实现了人类对自然界认识的第一次 理论大综合。牛顿力学在科学技术发展和社会经济建设中一直起着重要作用，推动着航空、航天、舰船、车辆、机械、土木、水 利和能源等各行各业不断进步，促进着社会不断发展。1 .牛顿力学的局限性经典力学有它的适用范围：只适用于低速运动，不适用于高速运 动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界。对于高速运动（速度接近真空中的光速），需要应用爱因斯坦的相对 说。当物体的运动速度远小于真空中的光速时，相对论物理学与经典 物理学的结论没有区别。对于微观世界，需要应用量壬力学。当普朗克常量可以忽略不计 时，量子力学和经典力学的结论没有区别。思考相对论和量子力学的诞生是不是否定了牛顿力学？提示：并没有否定牛顿力学，而是将牛顿力学看成是现代理论在一定 条件下的特殊情形。走进生活如图所示，假设一列火车沿平直轨道飞快地匀速行驶。车厢中央的 光源发出一个闪光，照到了车厢的前壁和后壁。请判断1 .对车厢内相对车厢静止的观察者看来，闪光同时到达前后壁。（Y ）.对车下的观察者看来，闪光先到达后壁，后到达前壁。（4 ）2 .以上两人的看法必然有一个是错误的。（x ）合作探究合作探究形成关键能力/一、对相对论时空观的理解情境港如图所示，假设一宇宙飞船以0.5c的高速沿直线匀速飞行，某时刻飞船向其运动方向发射一束激光。交流讨论在飞船上的观察者看来，这束激光的速度是多少?在地面上的观察者看来，这束激光的速度又是多少？提示：（1）由爱因斯坦的光速不变原理知，在飞船上的观察者看来, 这束激光的速度是C。同理可知，在地面上的观察者看来，这束激光的速度仍是1 .低速与高速低速：通常所见物体的运动，如行驶的汽车、发射的导弹、人造 地球卫星及宇宙飞船等物体皆为低速运动物体。高速：有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近，这 样的速度称为高速。提醒：这里的“低速与"高速”是与真空中光速相比较而言的，和我 们平时说的低速、高速含义不同。由于宏观物体的速度很难达到接近光速的程度，因此平时宏观物 体在运动中的相对论效应不明显。2 .相对论时空观与经典力学的比较提醒：在爱因斯坦的“长度收缩效应”中，只有当观察者沿杆方向有项目经典力学相对论时空观“同时”的相对 性如果两个事件在一个参 考系中同时的,在R 个参考系中一定也是同 时的在一个参考系中不同1地 点同时发生的两个事件， 在力一个笏考半中不一 定是同时的时间间隔的相 对性某两个事件，在不同的惯 性参考系中观察,它们的 时间间隔总是相同的某两个事件，在不同的惯 性参考系中观察，它们的 时间间隔是不相同的长度的相对性一根杆的长度不会因为 观察者是否与杆做相对 运动而不同，长度”也具有相对性,- 根沿自身长度方向运动 的杆，其长度总比静止时 的长度小相对运动时，杆的长度才会变短，当观察者沿垂直于杆的方向有相对 运动时，杆的长度不变。相对论时空观并没有完全否定经典物理学，只是把其视为自身理 论体系中的一种特殊情形。翼题醐国【典例1】有兄弟两个，哥哥乘坐宇宙飞船以接近光速的速度离开地 球去遨游太空，经过一段时间返回地球，哥哥惊奇地发现弟弟比自己 要苍老许多，则该现象的科学解释是()A哥哥在太空中发生了基因突变，停止生长了B.弟弟思念哥哥而加速生长了C.由相对论可知，物体速度越大，在其上的时间进程就越慢，生理 过程也越慢D.这是神话，科学无法解释【解析】选C。根据相对论的时间延缓效应，当飞船速度接近光速时, 时间会变慢，时间延缓效应对生命过程、化学反应等也是成立的。飞 船运行的速度越大，时间延缓效应越明显，人体新陈代谢越缓慢。规律方法爱因斯坦狭义相对论的两个主要效应时间延缓效应：也叫钟慢效应，即运动的时钟会变慢。公式：加 Ar“("2(2)长度收缩效应:也叫尺缩效应，即运动的尺子会缩短。公式：/ = 2 一 C)2。变式训练,1 .假设一列车以0.3c的高速通过洞口为圆形的隧道，列车上的司机 对隧道的观察结果为()A.洞口为椭圆形，长度变短B .洞口为圆形、长度不变C .洞口为椭圆形、长度不变D.洞口为圆形，长度变短【解析】选D。根据尺缩效应，在尺子长度方向上运动的尺子比静止 的尺子短，所以高速列车通过洞口为圆形的隧道时，列车上的司机仍 然会观察到圆形的洞口，但是观察到的隧道的长度变短，故选D。2.在地面附近有一高速飞过的火箭，关于地面上的人和火箭中的人观 察到的现象错误的是（）A.地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变快了B.地面上的人观察到火箭变短了，火箭上的时间进程变慢了C.火箭上的人观察到火箭的长度和时间进程均无变化D.火箭上的人看地面上的物体长度变短，时间进程变慢了【解析】选A。因为/=/o 和M=,可知/</o,At>Ar0因此在地面上的人看来，火箭的长度变短了，它所经历的时间比在火箭中直接 观察到的时间变长了，即时间进程变慢了，火箭速度越大，观察到的火 箭的长度越短，所经历的过程时间越长;火箭上的人观察到火箭的长度 和时间进程均无变化;同样，火箭上的人看地面上的物体长度也是变短, 时间进程变慢了,故选项B、C、D正确。根据题意故选A。二、牛顿力学的局限性如图所示为位于瑞士和法国边境的长达27千米的大型强子对撞 机。这是一种能把质子加速到接近光速的设备。交流讨论此时质子的运动规律还能用牛顿力学去研究吗？此时质子的运动规律该用什么理论去研究呢？提示：(1)由于此时质子的速度已接近光速，牛顿力学已不适用。此时质子的运动规律需用量子力学的理论去研究。经典力学与相对论、量子力学的比较区别联系经典力学适用于氐速运动的物体;相对论是爰因斯坦假 设阐述物体在以接近光速运动时所遵循的规律经典力学适用于宏观世界;量子力学能够正确描述微观粒子的运动规律当物体的运动速度远小于光速时,相对论物理学与经典物理学的结论没有区别当另一个重要常量即“普朗克常量”可以忽略不计时，量子 力学和经典力学的结论没有区别相对论和量子力学并没有否定经典力学,经典力学是二者在一定条件下的特殊情形典题【典例2关于经典力学、相对论和量子力学，下面说法正确的是()相对论和经典力学是相互对立、互不相容的两种理论在物体高速运动时，物体的运动服从相对论理论,在低速运动时，物体的运动服从牛顿运动定律经典力学适用于宏观物体的运动，量子力学适用于微观粒子的运动不论是宏观物体,还是微观粒子，经典力学和量子力学都是适用的A.B.CD.【解析】选B。相对论并没有否定经典力学，而是认为经典力学是相对 论理论在一定条件下的特殊情况，错误;经典力学适用于宏观物体的 低速运动，对于微观粒子的高速运动问题，经典力学不再适用，但相对 论、量子力学适用，故、正确，错误。变式训练41.关于经典力学、相对论与量子论的说法正确的是（）A.当物体的速度接近光速时,经典力学就不适用了B.相对论和量子力学的出现，使经典力学失去了意义C.量子力学只能描述宏观物体运动的规律性D.万有引力定律也适用于强相互作用力【解析】选A。经典力学只适用于低速宏观的物体，故A正确;相对论 和量子力学的出现，并没有否定经典力学,只是说经典力学有一定的适 用范围，故B错误;量子力学描述了微观粒子运动的规律性，故C错误; 万有引力定律只适用于弱相互作用力，而对于强相互作用力是不适用 的，故D错误。2.继哥白尼提出太阳中心说、开普勒提出行星运动三定律后,牛顿站 在巨人的肩膀上，创立了牛顿力学，揭示了包括行星在内的宏观物体 的运动规律;爱因斯坦既批判了牛顿力学的不足，又进一步发展了牛顿 力学,创立了相对论，这说明（）A.世界无限扩大，人不可能认识世界B.人的意识具有能动性，能够正确地认识客观世界C.人对世界的每一个正确认识都没有局限性，不需要发展和深化D.每一个认识都可能被后人推翻，人不可能获得正确的认识【解析】选B。任何I一个人对客观世界的认识都要受当时的客观条件 和科学水平的制约，所以形成的正确理论都有一定的局限性，爱因斯 坦的相对论理论是对牛顿力学理论的发展和深化，但也有人正在向爱因斯坦理论挑战。故选项B正确。教师专用【拓展例题】考查内容:光速不变原理【典例】设某人在以速度为0.1c的飞船上向目标飞行，从飞船上向目 标方向发射一个光信号，则()A.飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为1.1cB.飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为0.9cC.在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速为1.1cD.在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c【解析】选D。由爱因斯坦的狭义相对论可得到真空中的光速在不同 的惯性系中都是相同的,故选项D正确。关闭Word文档返回原板块