高中物理必修二《75相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性》學(xué)案

1、7.5 相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性學(xué)案【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1.了解相對(duì)論時(shí)空觀，知道時(shí)間延緩效應(yīng)和長(zhǎng)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(duì)性，體會(huì)科學(xué)理論是不斷發(fā)展和完善的【課堂合作探究】思考：若河中的水以相對(duì)于岸的速度 v水岸 流動(dòng)，河中的船以相對(duì)于水的速度 v船水 順流而下，則船相對(duì)于岸的速度v船岸如何表示？設(shè)想：設(shè)想人類可以利用飛船以 0.2c 的速度進(jìn)行星際航行。若飛船向正前方的某一星球發(fā)射一束激光，根據(jù)v光船=v光+v船該星球上的觀察者測(cè)量到的激光的速度是否為1.2c，事實(shí)是這樣嗎？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

2、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！一、相對(duì)論時(shí)空觀描述一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)必須選擇一個(gè)參考系，然后研究這一物體相對(duì)于參考系是如何運(yùn)動(dòng)的。兩個(gè)小球一起做自由落體運(yùn)動(dòng)，均受到重力的作用，如果以紅球?yàn)閰⒖枷?，則綠球是靜止的。而綠球受到的合外力不為零。所以綠球相對(duì)于紅球這個(gè)參考系而言，并不符合牛頓運(yùn)動(dòng)定律。慣性參考系牛頓運(yùn)動(dòng)定律成立的參考系非慣性參考系牛頓運(yùn)動(dòng)定律不成立的參考系所有相對(duì)于慣性系做勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系都是慣性系，而對(duì)于慣性系做變速運(yùn)動(dòng)的參考系為非慣性系。1.絕對(duì)

3、時(shí)空觀生活經(jīng)驗(yàn)讓我們體會(huì)到，時(shí)間像一條看不見(jiàn)的“長(zhǎng)河”，均勻地自行流逝著，空間像一個(gè)廣闊無(wú)邊的房間，它們都不影響物體及其運(yùn)動(dòng)。也就是說(shuō)，時(shí)間與空間都是獨(dú)立于物體及其運(yùn)動(dòng)而存在的。這種絕對(duì)時(shí)空觀，也叫牛頓力學(xué)時(shí)空觀。2.牛頓力學(xué)與電磁理論的沖突十九世紀(jì)，英國(guó)科學(xué)家麥克斯韋，提出了電磁場(chǎng)理論，預(yù)言了電磁波的存在，并從理論上證明了，電磁波傳播的速度等于光速。人們不禁要問(wèn)：這個(gè)速度是相對(duì)哪個(gè)參考系而言的呢？但在邁克爾遜和莫雷實(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。但是都沒(méi)有成功，這導(dǎo)致牛頓力學(xué)與電磁理論的沖突。你覺(jué)得該如何解釋這個(gè)現(xiàn)象呢

4、？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)不相符的觀念，如絕對(duì)時(shí)間的觀念，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)。3.相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)（1）相對(duì)性原理：光速不變?cè)恚合鄬?duì)論時(shí)空觀的內(nèi)容根據(jù)愛(ài)因斯坦假設(shè)：真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的，兩個(gè)事件在一個(gè)參考系中是同時(shí)的，在另一個(gè)參考系中不一定也是同時(shí)的。例如：假設(shè)一列火車沿平直軌道飛快地勻速行駛。車廂中央的光源發(fā)出了一個(gè)閃光，閃光照到了車廂的前壁和后壁。（1）車上的觀察者以車廂為參考系，閃光到達(dá)前后兩壁的時(shí)間相同嗎？（2）車下的觀察者來(lái)說(shuō)，以地面為參考系，閃光到達(dá)前后兩壁的時(shí)

5、間相同嗎？5、時(shí)間延緩效應(yīng)如果相當(dāng)于地面以v運(yùn)動(dòng)的慣性參考系上的人觀察到與其一起運(yùn)動(dòng)的物體完成某個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔為，地面上的人觀察到該物體在同一地點(diǎn)完成這個(gè)動(dòng)作的時(shí)間間隔為t，則6、長(zhǎng)度收縮效應(yīng)如果與桿相對(duì)靜止的人測(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)系是例題：有一種基本粒子叫子，當(dāng)它低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，它的平均壽命是3.0s，當(dāng)子以0.99c的速度飛行時(shí)，若選子為參考系，子的平均壽命是多少？若以地面為參考系，子的平均壽命是多少？事實(shí)上，到達(dá)地面的子，大多產(chǎn)生于距地面8km的高空，科學(xué)家們根據(jù)經(jīng)典理論，可以計(jì)算出每秒到達(dá)地面的子個(gè)數(shù)。但這個(gè)理論數(shù)值小于

6、實(shí)際觀察到子個(gè)數(shù)。這是為什么呢？相對(duì)論時(shí)空的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)將銫原子鐘放在飛機(jī)上，沿赤道向東和向西繞地球一周，回到原處后，分別比靜止在地面上的鐘慢59納秒和快273納秒。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)言符合的很好。這是相對(duì)論的第一次宏觀驗(yàn)證。將銫原子鐘放在飛機(jī)上，沿赤道向東和向西繞地球一周，回到原處后，分別比靜止在地面上的鐘慢59納秒和快273納秒。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)言符合的很好。這是相對(duì)論的第一次宏觀驗(yàn)證。牛頓力學(xué)的成就與局限性1.牛頓力學(xué)的成就(1)把天體運(yùn)動(dòng)與地面上物體的運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一起來(lái)。(2)經(jīng)典力學(xué)和以經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的天體力學(xué)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)等。(3)力學(xué)和熱力學(xué)的發(fā)展及其與生產(chǎn)的結(jié)合引發(fā)了第一次工

7、業(yè)革命。(4)由牛頓運(yùn)動(dòng)定律導(dǎo)出的動(dòng)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(1)經(jīng)典力學(xué)是從日常機(jī)械運(yùn)動(dòng)中總結(jié)出來(lái)的，超出這個(gè)范圍，經(jīng)典力學(xué)常常就不適用了。(2)絕對(duì)時(shí)空觀：牛頓認(rèn)為，時(shí)間、空間與物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)完全無(wú)關(guān)，時(shí)間與空間也完全無(wú)關(guān)。在微觀世界中（尺度在10-10m以下），由于物質(zhì)的存在和運(yùn)動(dòng)形式（波粒二象性），較宏觀世界，有較大的不同,牛頓力學(xué)也不適用。3.正確理解絕對(duì)時(shí)空觀(1)時(shí)間和空間是分離的，時(shí)間尺度和空間尺度與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)，都是絕對(duì)的。經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀認(rèn)為，時(shí)間就其本質(zhì)而言是永遠(yuǎn)均勻地流逝，與任何其他外界事物無(wú)關(guān)，空間就其本質(zhì)而言與外界任何

8、事物無(wú)關(guān)，它從不運(yùn)動(dòng)，并且永遠(yuǎn)不變。4.由絕對(duì)時(shí)空觀得到的結(jié)論同時(shí)的絕對(duì)性在一個(gè)慣性系中的觀察者在某一時(shí)刻觀測(cè)到兩個(gè)事件，對(duì)另一個(gè)做勻速直線運(yùn)動(dòng)的慣性系中的觀察者來(lái)說(shuō)是同時(shí)發(fā)生的，即同時(shí)性與觀察者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)。時(shí)間間隔的絕對(duì)性任何事件(或物體的運(yùn)動(dòng))所經(jīng)歷的時(shí)間，在不同的參考系中測(cè)量都是相同的，而與參考系(或觀察者)的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)?？臻g距離的絕對(duì)性如果各個(gè)慣性系中用來(lái)測(cè)量長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)相同，那么空間兩點(diǎn)的距離也就有絕對(duì)不變的量值，而與慣性系的選擇(或觀察者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài))無(wú)關(guān)。5.經(jīng)典力學(xué)有它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；只適用于弱引力情況，不適用于強(qiáng)

9、引力情況。低速和高速的區(qū)別：(1)低速：通常所見(jiàn)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)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?！菊n堂檢測(cè)】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)從南通向上海飛馳2、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)度方向飛行經(jīng)過(guò)地球，下列說(shuō)法正確的是（）A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

10、測(cè)者測(cè)得飛船上發(fā)來(lái)的光信號(hào)速度小于c3、經(jīng)典力學(xué)有一定的局限性。當(dāng)物體以下列速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)典力學(xué)不再適用的是（） 【達(dá)標(biāo)訓(xùn)練】經(jīng)典力學(xué)不能適用于下列哪些運(yùn)動(dòng)的研究( )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)動(dòng)D. 以99%倍光速運(yùn)行的電子束美國(guó)科學(xué)家2016年2月11日宣布，他們探測(cè)到引力波的存在引力波是實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證愛(ài)因斯坦相對(duì)論的最后一塊缺失的“拼圖”，相對(duì)論在一定范圍內(nèi)彌補(bǔ)了經(jīng)典力學(xué)的局限性關(guān)于經(jīng)典力學(xué)，下列說(shuō)法正確的是( )A. 經(jīng)典力學(xué)完全適用于宏觀低速運(yùn)動(dòng)B. 經(jīng)典力學(xué)取得了巨大成就，是普遍適用的C. 隨著物理學(xué)的發(fā)展，經(jīng)典力學(xué)將逐漸成為過(guò)時(shí)的理論D.

11、由于相對(duì)論、量子論的提出，經(jīng)典力學(xué)已經(jīng)失去了它的應(yīng)用價(jià)值經(jīng)典力學(xué)只適用于低速運(yùn)動(dòng)，不適用于高速運(yùn)動(dòng)，這里的“高速”是指()A. 聲音在空氣中的傳播速度B. 第一宇宙速度C. 高鐵列車允許行駛的最大速度D. 接近真空中光的傳播速度2017年10月3日，瑞典皇家科學(xué)院將2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了三位美國(guó)科學(xué)家，以表彰他們對(duì)LIGO探測(cè)裝置的決定性貢獻(xiàn)引力波是愛(ài)因斯坦相對(duì)論的最后一塊缺失的“拼圖”，相對(duì)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(shuō)法正確的是()A. 牛頓力學(xué)完全適用于宏觀低速運(yùn)動(dòng)B. 牛頓力學(xué)取得了巨大成就，是普遍適用的C. 隨著物理學(xué)的發(fā)展，牛頓力學(xué)將逐漸成為過(guò)時(shí)的

12、理論D. 由于相對(duì)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)值下列說(shuō)法中不正確的是()A. 桿的長(zhǎng)度不會(huì)因?yàn)橛^察者是否與桿做相對(duì)運(yùn)動(dòng)而不同，這是經(jīng)典物理學(xué)家的觀點(diǎn)B. 由靜止的人來(lái)測(cè)，沿自身長(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng)的桿的長(zhǎng)度總比桿靜止時(shí)的長(zhǎng)度小C. 桿靜止時(shí)的長(zhǎng)度為l0，不管桿如何運(yùn)動(dòng)，桿的長(zhǎng)度均小于l0D. 如果兩根平行的桿在沿自己的長(zhǎng)度方向上做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，與它們分別相對(duì)靜止的兩位觀察者都會(huì)認(rèn)為對(duì)方的桿縮短了如下圖所示，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b、c向同一方向飛行的兩枚火箭上，且bc，則地面的觀察者認(rèn)為走得最慢的鐘為( )A. aB. bC. cD. 無(wú)法

13、確定下列說(shuō)法正確的是()A. 牛頓定律適合于解決宏觀、低速的物體運(yùn)動(dòng)問(wèn)題B. 在真空中相對(duì)于不同的慣性參考系光速是不同的C. 在高速運(yùn)動(dòng)的列車中的鐘表比靜止在地面上的鐘表走的快D. 在地面觀察高速行進(jìn)的列車時(shí)，測(cè)其長(zhǎng)度會(huì)比它靜止時(shí)的長(zhǎng)度大下列說(shuō)法符合史實(shí)的是A. 開(kāi)普勒在牛頓定律的基礎(chǔ)上，總結(jié)出了行星運(yùn)動(dòng)的規(guī)律B. 卡文迪許第一次在實(shí)驗(yàn)室里測(cè)出了萬(wàn)有引力常量C. 牛頓建立的經(jīng)典力學(xué)可以解決自然界中所有的問(wèn)題D. “和諧號(hào)”動(dòng)車組高速行駛時(shí)，在地面上測(cè)得的其車廂長(zhǎng)度明顯變短下列運(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

14、廣州飛馳(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里外的云南麗江高美古站，首次實(shí)現(xiàn)了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()經(jīng)典力學(xué)適用于“墨子號(hào)”繞地球運(yùn)動(dòng)的規(guī)律B. 經(jīng)典力學(xué)適用于光子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律C. 量子力學(xué)可以描述“墨子號(hào)”發(fā)出兩道紅光的運(yùn)動(dòng)規(guī)律D. 量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)說(shuō)明經(jīng)典力學(xué)已經(jīng)失去了應(yīng)用價(jià)值參考答案【課堂檢測(cè)】BBC【達(dá)標(biāo)訓(xùn)練】1.D【解析】火箭的發(fā)射、宇宙飛船繞地球的運(yùn)動(dòng)、宇宙探測(cè)器的運(yùn)動(dòng)都屬低速，經(jīng)典力學(xué)能適用。對(duì)于高速微觀的情形經(jīng)典力學(xué)不適用，故對(duì)以99%倍光速運(yùn)行的電子束不適用；故選D。2.

15、A【解析】A、經(jīng)典力學(xué)完全適用于宏觀低速運(yùn)動(dòng)的物體，故A正確；B、經(jīng)典力學(xué)取得了巨大的成就，但它也具有一定的局限性，并不是普遍適用的，故B錯(cuò)誤C、相對(duì)論與量子力學(xué)都沒(méi)有否定過(guò)去的科學(xué)，而只認(rèn)為過(guò)去的科學(xué)是自己在一定條件下的特殊情形；故CD錯(cuò)誤；故選A。3.D【解析】經(jīng)典力學(xué)只適用于低速運(yùn)動(dòng)，不適用于高速運(yùn)動(dòng)，這里的：“高速”應(yīng)該是指接近真空中光的傳播速度，故選D。4.A【解析】A 牛頓力學(xué)完全適用于宏觀低速運(yùn)動(dòng)的物體，故A正確；B.牛頓力學(xué)取得了巨大的成就，但它也具有一定的局限性，并不是普遍適用的，在微觀高速情況下，要用量子力學(xué)和相對(duì)論來(lái)解釋，但是并不會(huì)因?yàn)橄鄬?duì)論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，就否定了牛頓

16、力學(xué)取得了巨大的成就，故B錯(cuò)誤；CD.在微觀高速情況下，要用量子力學(xué)和相對(duì)論來(lái)解釋，但是并不會(huì)因?yàn)橄鄬?duì)論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，就否定了牛頓力學(xué)，牛頓力學(xué)在其適用范圍內(nèi)仍然是正確的，故不會(huì)過(guò)時(shí)也不會(huì)失去應(yīng)用價(jià)值，故CD錯(cuò)誤。故選A。5.C【解析】A.經(jīng)典物理學(xué)家的觀點(diǎn)認(rèn)為，一根桿的長(zhǎng)度不會(huì)因?yàn)橛^察者是否與桿做相對(duì)運(yùn)動(dòng)而不同，故A正確；B.根據(jù)l=l01v2c2知沿自身長(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng)的桿其長(zhǎng)度總比桿靜止時(shí)的長(zhǎng)度小，故B正確；C.一根桿的長(zhǎng)度靜止時(shí)為l0，當(dāng)桿運(yùn)動(dòng)的方向與桿垂直時(shí)，桿的長(zhǎng)度不發(fā)生變化，故C錯(cuò)誤；D.根據(jù)相對(duì)論時(shí)空觀的觀點(diǎn)，兩根平行的桿在沿自己的長(zhǎng)度方向上做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，與它們一起運(yùn)動(dòng)的兩位觀察

17、者都會(huì)認(rèn)為對(duì)方的桿縮短了，故D正確；本題選擇不正確的，故選：C。6.C【解析】如題圖所示，地面上的觀察者認(rèn)為C鐘走得最慢，因?yàn)樗鄬?duì)于觀察者的速度最大，根據(jù)公式t=t01vc2可知，相對(duì)于觀察者的速度v越大，其上的時(shí)間進(jìn)程越慢，所以c走的最慢。地面上的鐘a的速度v=0，它所記錄的兩事件的時(shí)間間隔最大，即地面上的鐘走得最快。故C正確，ABD錯(cuò)誤。故選C。7.A【解析】A.牛頓定律是經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)，僅適用于低速、宏觀領(lǐng)域，故A正確；B.根據(jù)狹義相對(duì)論可知，在所有的慣性系中，光在真空中的傳播速率具有相同的值c，這叫光速不變?cè)?，故B錯(cuò)誤；C.根據(jù)狹義相對(duì)論的鐘慢效應(yīng)可知，在高速運(yùn)動(dòng)的列車中的鐘表比靜止在地面上的鐘表走的慢，故C錯(cuò)誤；D.根據(jù)狹義相對(duì)論的尺縮效應(yīng)可知，在地面觀察高速行進(jìn)的列車時(shí)，測(cè)其長(zhǎng)度會(huì)比它靜止時(shí)的長(zhǎng)度小，故D錯(cuò)誤。故選A。8.B【解析】A.開(kāi)普勒在他的導(dǎo)師第谷天文觀測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，總結(jié)出了行星運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，但并未找出了行星按照這些規(guī)律運(yùn)動(dòng)的原因；牛頓在開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)定律的基礎(chǔ)上