2020版高中物理（新教材）人教必修第2冊(cè)：第7章 5 相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性

5．相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性【學(xué)習(xí)素養(yǎng)·明目標(biāo)】物理觀念：1.認(rèn)識(shí)經(jīng)典力學(xué)的局限性和適用范圍.2.初步了解微觀和高速世界中的奇妙現(xiàn)象.3.了解相對(duì)論時(shí)空觀、量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的關(guān)系．科學(xué)態(tài)度與責(zé)任感：1.了解經(jīng)典力學(xué)在科學(xué)研究和生產(chǎn)技術(shù)中的廣泛應(yīng)用.2.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．一、相對(duì)論時(shí)空觀1．愛(ài)因斯坦假設(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．2．時(shí)間和空間的相對(duì)性(1)時(shí)間延緩效應(yīng)如果相對(duì)于地面以速度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Δτ，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Δt，那么兩者之間的關(guān)系是Δt＝eq\f(Δτ,1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up20(2)).由于1－eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up20(2)<1，所以總有Δt>Δτ，此種情況稱為時(shí)間延緩效應(yīng)．(2)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l＝l0eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up20(2)).由于1－eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2<1，所以總有l(wèi)<l0，此種情況稱為長(zhǎng)度收縮效應(yīng)．3．相對(duì)論時(shí)空觀Δt＝eq\f(Δτ,1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up20(2))和l＝l0eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up20(2))表明運(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)．它所反映的時(shí)空觀稱作相對(duì)論時(shí)空觀．二、牛頓力學(xué)的成就與局限1．牛頓力學(xué)的局限性電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子，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)律在很多情況下不能用牛頓力學(xué)來(lái)證明．2．牛頓力學(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．3．相對(duì)論物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的聯(lián)系當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速c時(shí)(c＝3×108m/s)，相對(duì)論物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論沒(méi)有區(qū)別；當(dāng)另一個(gè)重要常數(shù)即普朗克常量h可以忽略不計(jì)時(shí)(h＝6.63×10－34J·s)，量子力學(xué)和牛頓力學(xué)的結(jié)論沒(méi)有區(qū)別．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．1．思考判斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)在經(jīng)典力學(xué)中，位移的測(cè)量與參考系的運(yùn)動(dòng)情況無(wú)關(guān)． (√)(2)在相對(duì)論力學(xué)中，運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘和靜止的時(shí)鐘快慢相同． (×)(3)洲際導(dǎo)彈的速度有時(shí)可達(dá)到6000m/s，這一速度屬于相對(duì)論中的高速． (×)(4)經(jīng)典力學(xué)一般不適用于微觀粒子． (√)(5)對(duì)于宏觀物體的低速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，相對(duì)論、量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)是一致的． (√)2．下列物體的運(yùn)動(dòng)不能用經(jīng)典力學(xué)描述的是()A．飛機(jī)的飛行 B．人造衛(wèi)星的運(yùn)行C．小汽車的行駛 D．光子的運(yùn)動(dòng)D[經(jīng)典力學(xué)適用于低速宏觀的物體，A、B、C不符合題意，選項(xiàng)D符合題意．]3．關(guān)于經(jīng)典力學(xué)的局限性，下列說(shuō)法正確的是()A．火車提速后，有關(guān)速度問(wèn)題不能用經(jīng)典力學(xué)來(lái)處理B．由于經(jīng)典力學(xué)有局限性，所以一般力學(xué)問(wèn)題都用相對(duì)論力學(xué)來(lái)解決C．經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀低速運(yùn)動(dòng)的物體D．經(jīng)典力學(xué)只適用于像地球和太陽(yáng)那樣大的宏觀物體C[經(jīng)典力學(xué)有局限性，經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀低速運(yùn)動(dòng)的物體，但對(duì)于一般力學(xué)問(wèn)題仍能用經(jīng)典力學(xué)來(lái)解決，所以即使在火車提速后，有關(guān)速度問(wèn)題仍能用經(jīng)典力學(xué)來(lái)處理，故A、B錯(cuò)誤，C正確；經(jīng)典力學(xué)不僅適用于像地球和太陽(yáng)那樣大的宏觀物體，也適用一般尺寸的宏觀物體，故D錯(cuò)誤．故選C.]時(shí)間與空間的相對(duì)性[要點(diǎn)歸納]愛(ài)因斯坦假設(shè)中的主要效應(yīng)(1)長(zhǎng)度收縮效應(yīng)：運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度l會(huì)收縮，即l＝l0eq\r(1－\f(v2,c2)).(2)時(shí)間延緩效應(yīng)：運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘會(huì)變慢，即Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\f(v2,c2))).【例1】地面上長(zhǎng)100km的鐵路上空有一火箭沿鐵路方向以30km/s的速度掠過(guò)，則火箭上的人看到鐵路的長(zhǎng)度應(yīng)該為多少？如果火箭的速度達(dá)到0.6c，則火箭上的人看到的鐵路的長(zhǎng)度又是多少？[解析]當(dāng)火箭速度較低時(shí)，長(zhǎng)度基本不變，還是100km.當(dāng)火箭的速度達(dá)到0.6c時(shí)，由相對(duì)論長(zhǎng)度公式l＝l0eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up20(2))代入相應(yīng)的數(shù)據(jù)解得l＝100×eq\r(1－0.62)km＝80km.[答案]100km80km由公式l＝l0eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up20(2))知，相對(duì)于地面以速度v運(yùn)動(dòng)的物體，從地面上看，沿著運(yùn)動(dòng)方向上的長(zhǎng)度變短了，速度越大，變短得越多.,兩種情況：1在垂直于運(yùn)動(dòng)方向不發(fā)生長(zhǎng)度收縮效應(yīng)現(xiàn)象.2我們平常觀察不到這種長(zhǎng)度收縮效應(yīng)，是因?yàn)槲覀兩钤诒裙馑俚偷枚嗟牡退偈澜缋?，長(zhǎng)度收縮效應(yīng)極不明顯，即使運(yùn)動(dòng)物體的速度達(dá)到v＝30000km/s即0.1c，長(zhǎng)度收縮效應(yīng)也只不過(guò)是5%，因此，在低速運(yùn)動(dòng)中，v?c，l≈l0，長(zhǎng)度收縮效應(yīng)可忽略不計(jì).1．A、B兩火箭沿同一方向高速飛過(guò)地面上的某處，vA＞vB，在火箭A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A[在火箭A上的人看來(lái)，地面和火箭B都高速遠(yuǎn)離自己，由Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up20(2)))知，在火箭A上的人觀察到的結(jié)果是地面和火箭B上的時(shí)鐘都變慢了，且vA＞vB，故地面上的時(shí)鐘最慢，因此A正確，B、C、D錯(cuò)誤．]2．某宇航員要到離地球5光年的星球上去旅行，如果地球指揮中心希望把這路程縮短為3光年，則他所乘飛船相對(duì)地球的速度為()A．0.5c B．0.6cC．0.8c D．0.9cC[由l＝l0eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up20(2))，eq\f(l,l0)＝eq\f(3,5)，解得v＝eq\f(4,5)c，故C正確．]牛頓力學(xué)的局限性[觀察探究]粒子對(duì)撞機(jī)可以把質(zhì)子加速到接近于光速，如圖所示．經(jīng)典力學(xué)是否適用于質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律？如何研究質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律？提示：不適用．經(jīng)典力學(xué)只適用于宏觀低速運(yùn)動(dòng)，描述微觀高速粒子的運(yùn)動(dòng)要用到量子力學(xué)．[探究歸納]經(jīng)典力學(xué)與相對(duì)論、量子力學(xué)的比較(1)區(qū)別①經(jīng)典力學(xué)適用于低速運(yùn)動(dòng)的物體；相對(duì)論是愛(ài)因斯坦假設(shè)闡述物體在以接近光速運(yùn)動(dòng)時(shí)所遵循的規(guī)律．②經(jīng)典力學(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)聯(lián)系①當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速時(shí)，相對(duì)論物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論沒(méi)有區(qū)別．②當(dāng)另一個(gè)重要常量即“普朗克常量”可以忽略不計(jì)時(shí)，量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論沒(méi)有區(qū)別．③相對(duì)論和量子力學(xué)并沒(méi)有否定經(jīng)典力學(xué)，經(jīng)典力學(xué)是二者在一定條件下的特殊情形．【例2】關(guān)于經(jīng)典力學(xué)、愛(ài)因斯坦假設(shè)和量子力學(xué)，下列說(shuō)法中正確的是()A．愛(ài)因斯坦假設(shè)和經(jīng)典力學(xué)是相互對(duì)立、互不相容的兩種理論B．經(jīng)典力學(xué)包含于相對(duì)論之中，經(jīng)典力學(xué)是相對(duì)論的特例C．經(jīng)典力學(xué)只適用于宏觀物體的運(yùn)動(dòng)，量子力學(xué)只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，經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué)都是適用的B[相對(duì)論沒(méi)有否定經(jīng)典力學(xué)，經(jīng)典力學(xué)是相對(duì)論在一定條件下的特殊情形，選項(xiàng)A錯(cuò)誤，B正確．經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀、低速、弱引力的領(lǐng)域，選項(xiàng)C、D錯(cuò)誤．]3．以牛頓運(yùn)動(dòng)定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)的適用范圍是()A．低速、宏觀的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題B．高速、微觀的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題C．低速、微觀的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題D．高速、宏觀的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題[答案]A4．關(guān)于經(jīng)典時(shí)空觀和相對(duì)論時(shí)空觀，下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是()A．經(jīng)典時(shí)空觀認(rèn)為時(shí)間和空間是獨(dú)立于物體及其運(yùn)動(dòng)而存在的B．相對(duì)論時(shí)空觀認(rèn)為時(shí)間和空間與物體及其運(yùn)動(dòng)有關(guān)系C．經(jīng)典力學(xué)只適用于宏觀、低速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，不適用于微觀、高速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題D．當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速時(shí)，相對(duì)論和經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論仍有很大的區(qū)別D[經(jīng)典時(shí)空觀認(rèn)為時(shí)間和空間是獨(dú)立于物體及其運(yùn)動(dòng)而存在的，而相對(duì)論時(shí)空觀認(rèn)為時(shí)間和空間與物體及其運(yùn)動(dòng)有關(guān)系，A、B正確．經(jīng)典力學(xué)只適用于宏觀、低速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，不適用于微觀、高速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，C正確．當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速時(shí)，相對(duì)論和經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論沒(méi)有區(qū)別，D錯(cuò)誤．]課堂小結(jié)知識(shí)脈絡(luò)1.相對(duì)論時(shí)空觀的兩個(gè)主要效應(yīng)：①長(zhǎng)度收縮效應(yīng)l＝l0eq\r(1－\f(v2,c2))；②時(shí)間延緩效應(yīng)Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\f(v2,c2))).2．經(jīng)典力學(xué)能精確地描述宏觀物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；量子力學(xué)能正確描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律．3．量子力學(xué)和相對(duì)論都沒(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.1．對(duì)于時(shí)空觀的認(rèn)識(shí)，下列說(shuō)法正確的是()A．相對(duì)論給出了物體在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)所遵循的規(guī)律B．相對(duì)論具有普遍性，經(jīng)典物理學(xué)為它在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)的特例C．相對(duì)論的出現(xiàn)使經(jīng)典物理學(xué)在自己的適用范圍內(nèi)不再繼續(xù)發(fā)揮作用D．經(jīng)典物理學(xué)建立在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，它的結(jié)論又受到無(wú)數(shù)次實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，因此在任何情況下都適用B[相對(duì)論給出了物體在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)所遵循的規(guī)律，經(jīng)典物理學(xué)為它在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)的特例，在自己的適用范圍內(nèi)還將繼續(xù)發(fā)揮作用．經(jīng)典物理學(xué)有簡(jiǎn)捷的優(yōu)勢(shì)．因此A、C、D錯(cuò)誤，B正確．]2．(多選)在地面附近有一高速飛過(guò)的火箭，關(guān)于地面上的人和火箭中的人觀察到的現(xiàn)象中正確的是()A．地面上的人觀察到火箭變短了，火箭上的時(shí)間進(jìn)程變快了B．地面上的人觀察到火箭變短了，火箭上的時(shí)間進(jìn)程變慢了C．火箭上的人觀察到火箭的長(zhǎng)度和時(shí)間進(jìn)程均無(wú)變化D．火箭上的人看地面上的物體長(zhǎng)度變短，時(shí)間進(jìn)程變慢了BCD[因?yàn)閘＝l0eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up20(2))和Δt＝eq\f(Δτ,\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))eq\s\up20(2)))，可知l＜l0，Δt＞Δτ.一個(gè)相對(duì)地面做高速運(yùn)動(dòng)的慣性系中發(fā)生的物理過(guò)程，在地面上的人看來(lái)，火箭的長(zhǎng)度變短了，它所經(jīng)歷的時(shí)間比在這個(gè)慣性系中直接觀察到的時(shí)間變長(zhǎng)了，慣性系速度越大，觀察到的火箭的長(zhǎng)度越短，所經(jīng)歷的過(guò)程時(shí)間越長(zhǎng)．火箭上的人觀察到火箭的長(zhǎng)度和時(shí)間進(jìn)程均無(wú)變化．同樣，火箭上的人看地面上的物體長(zhǎng)度也是變短，時(shí)間進(jìn)程變慢了，選項(xiàng)B、C、D正確．]3．(多選)經(jīng)典力學(xué)規(guī)律適用于下列運(yùn)動(dòng)的是()A．子彈的飛行B．飛船繞地球的運(yùn)行C．列車的運(yùn)行D．粒子接近光速的運(yùn)動(dòng)ABC[經(jīng)典力學(xué)的適用范圍是宏觀、低速情形，子彈的