人教版高中物理必修二 （相對論時空觀與牛頓力學的局限性）萬有引力與宇宙航行 課件

相對論時空觀與牛頓力學的局限性核心素養(yǎng)目標物理觀念知道愛因斯坦的兩條假設(shè)，了解時間延緩效應(yīng)、長度收縮效應(yīng)，認識牛頓力學的成就與局限性?？茖W思維知道牛頓力學的適用范圍，認識物理學中理論的相對穩(wěn)定性，要有質(zhì)疑精神?？茖W探究認識邁克耳孫—莫雷實驗對光速不變原理的推動作用，體會實驗和理論的相互關(guān)系。知識點一相對論時空觀1.愛因斯坦假設(shè) (1)在不同的_________參考系中，物理規(guī)律的形式都是________的。 (2)真空中的________在不同的慣性參考系中大小都是________的。2.時間延緩效應(yīng)慣性相同光速相同慣性參考系同一地點>靜止<慣性參考系凡是牛頓運動定律成立的參考系，稱為慣性參考系，簡稱慣性系。①所有相對于慣性系做勻速直線運動的參考系都是慣性系。②所有相對于慣性系做變速運動的參考系都是非慣性系。運動物體的長度(空間距離)和物理過程的快慢(時間進程)都跟物體的運動狀態(tài)有關(guān)。知識點二牛頓力學的成就與局限性1.牛頓力學的成就

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)計各種機械，從自行車到汽車、火車、飛機等現(xiàn)代交通工具的運動，從投出籃球到發(fā)射導彈、人造地球衛(wèi)星、宇宙飛船……所有這些都服從___________的規(guī)律。2.牛頓力學的局限性 (1)牛頓力學不適用于______運動。 (2)物理學研究深入到微觀世界，發(fā)現(xiàn)了電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子，而且發(fā)現(xiàn)它們不僅具有粒子性，同時還具有波動性，它們的運動規(guī)律在很多情況下不能用___________來說明。牛頓力學高速牛頓力學3.牛頓力學的適用范圍

只適用于_______運動，不適用于高速運動；只適用于宏觀世界，不適用于________世界。

牛頓力學經(jīng)歷了實驗檢驗，不會被新的科學所否定。它以某種特殊情形被包含在新的理論之中。低速微觀核心要點一相對論時空觀牛頓力學時空觀與相對論時空觀比較比較項目牛頓力學時空觀相對論時空觀同時絕對性相對性光速可變(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[例1]

(多選)關(guān)于相對論時空觀的說法，正確的是(

) A.在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的 B.在一切慣性參考系中，光在真空中的速度都等于c，與光源的運動無關(guān) C.在牛頓力學時空觀中認為同時發(fā)生的事件，在相對論時空觀中也是同時發(fā)生的 D.時間和空間是永恒不變的解析相對論時空觀中，在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的，選項A正確；在一切慣性參考系中，光在真空中的速度都等于c，與光源的運動無關(guān)，選項B正確；相對論時空觀中，時間和空間具有相對性，故選項C、D錯誤。答案AB[例2]

(2019·江西吉安高一月考)如圖所示，a、b、c為三個完全相同的時鐘，a放在水平地面上，b、c分別放在以速度vb、vc向同一方向飛行的兩枚火箭上，且vb<vc，則地面的觀察者認為走得最慢的鐘為(

)A.a B.b

C.c D.無法確定答案C[例3]

如圖所示，兩艘飛船A、B沿同一直線同向飛行，相對地面的速度均為v(v接近光速c)。地面上測得它們相距為L，則A測得兩飛船間的距離________(選填“大于”“等于”或“小于”)L。當B向A發(fā)出一光信號，A測得該信號的速度為________。解析從飛船A測量時飛船B是靜止的，從地面上測量時兩飛船都是運動的，由相對論的“長度收縮效應(yīng)”知運動長度要縮短，故從地面測得的飛船間距小。由光速不變原理知光信號的傳播速度與參考系是無關(guān)的，故A測得該信號的速度仍為光速c。答案大于c(或光速)[針對訓練1]

(2016·江蘇高考)一艘太空飛船靜止時的長度為30m，他以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30m B.地球上的觀測者測得該飛船的長度小于30m C.飛船上的觀測者測得地球上發(fā)來的光信號速度小于c D.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[針對訓練2]

在一個高速旋轉(zhuǎn)的巨大轉(zhuǎn)盤上放置三個完全相同的時鐘，a放在轉(zhuǎn)軸處，b放在中間，c放在邊緣處，如圖所示。對于地面上的觀察者，根據(jù)相對論認為三個時鐘的快慢情況，下列說法正確的是(

)A.a鐘最快，b、c鐘一樣慢

B.a鐘最慢，b、c鐘一樣快C.a鐘最快，c鐘最慢

D.a鐘最慢，c鐘最快答案C核心要點二對牛頓力學的理解1.牛頓力學

牛頓力學通常指以牛頓運動定律為核心的矢量力學，有時也泛指描述低速宏觀物體機械運動的經(jīng)典力學體系。2.發(fā)展歷程

從亞里士多德和阿基米德的物理學發(fā)展到經(jīng)典力學體系經(jīng)歷了約兩千年，經(jīng)歷了以哥白尼、開普勒和伽利略為代表的科學革命。牛頓在伽利略、笛卡兒、開普勒、惠更斯等人研究的基礎(chǔ)上，進行了一次科學的偉大的綜合，形成了一個以實驗為基礎(chǔ)、以數(shù)學為表達形式的力學科學體系。3.牛頓力學的偉大成就

牛頓力學和天文學相結(jié)合，建立了天體力學；牛頓力學和工程實際相結(jié)合，建立了各種應(yīng)用力學，如流體力學、材料力學、結(jié)構(gòu)力學等。所有宏觀物體的運動問題，都服從牛頓力學的規(guī)律。4.牛頓力學的局限性

牛頓力學有自身的局限性，它不適用于高速運動，也不適用于微觀領(lǐng)域。在高速運動中，相對論可以描述其運動規(guī)律，量子力學可以描述微觀粒子的運動規(guī)律。但相對論和量子力學并未否定牛頓力學，只認為牛頓力學是自己在一定條件下的特殊情形。[例4]

下列說法中正確的是(

) A.牛頓運動定律就是牛頓力學 B.牛頓力學的基礎(chǔ)是牛頓運動定律 C.牛頓運動定律可以解決自然界中的所有問題 D.牛頓力學可以解決自然界中的所有問題解析牛頓力學并不等同于牛頓運動定律，牛頓運動定律只是牛頓力學的基礎(chǔ)；牛頓力學并非萬能，也有其適用范圍，并不能解決自然界中的所有問題，沒有哪個理論可以解決自然界中的所有問題。因此只有弄清牛頓運動定律和牛頓力學的隸屬關(guān)系，明確牛頓力學的適用范圍才能正確解答此類問題，選項B正確。答案B[針對訓練3]

牛頓力學不適用于下列哪些運動(

) A.火箭的發(fā)射 B.宇宙飛船繞地球的運動 C.“勇氣號”宇宙探測器的運行 D.微觀粒子的波動性解析牛頓力學適用于宏觀、低速物體的運動，而研究微觀粒子的波動性時牛頓力學不再適用，選項D正確，A、B、C錯誤。答案D[針對訓練4]

(多選)關(guān)于牛頓力學、相對論和量子力學，下列說法中正確的是(

) A.相對論和牛頓力學是相互對立、互不相容的兩種理論 B.在物體高速運動時，物體的運動規(guī)律適用相對論理論，在低速運動時，物體的運動適用牛頓運動定律 C.牛頓力學適用于宏觀物體的運動，量子力學適用于微觀粒子的運動 D.不論是宏觀物體，還是微觀粒子，牛頓力學和量子力學都是適用的解析首先必須知道，牛頓力學解決低速宏觀問題，高速問題應(yīng)由相對論理論解決，微觀問題應(yīng)由量子力學解決。相對論并沒有否定牛頓力學，而是認為牛頓力學是相對論理論在一定條件下的特殊情況，故選項A、D錯誤，B、C正確。答案BC5相對論時空觀與牛頓力學的局限性第七章萬有引力與宇宙航行1.了解相對論時空觀，知道時間延緩效應(yīng)和長度收縮效應(yīng).2.認識牛頓力學的成就，適用范圍及局限性.3.了解科學理論的相對性，體會科學理論是不斷發(fā)展和完善的.學習目標梳理教材夯實基礎(chǔ)探究重點提升素養(yǎng)隨堂演練逐點落實內(nèi)容索引NEIRONGSUOYIN梳理教材夯實基礎(chǔ)011.19世紀，英國物理學家

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

光速c.2.1887年邁克耳孫—莫雷實驗以及其他一些實驗表明：在不同的參考系中，光的傳播速度

！這與牛頓力學中不同參考系之間的速度變換關(guān)系

(填“相符”或“不符”).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

的；真空中的光速在不同的慣性參考系中大小都是相同的.相對論時空觀一麥克斯韋等于都是一樣的不符相同4.時間延緩效應(yīng)(1)如果相對于地面以v運動的慣性參考系上的人觀察到與其一起運動的物體完成某個動作的時間間隔為Δτ，地面上的人觀察到該物體在同一地點完成這個動作的時間間隔為Δt，那么兩者之間的關(guān)系是Δt＝

.(2)Δt與Δτ的關(guān)系總有

，即物理過程的快慢(時間進程)與運動狀態(tài)

.(填“有關(guān)”或“無關(guān)”)Δt＞Δτ有關(guān)5.長度收縮效應(yīng)：(1)如果與桿相對靜止的人測得桿長是l0，沿著桿的方向，以v相對桿運動的人測得桿長是l，那么兩者之間的關(guān)系是l＝

.(2)l與l0的關(guān)系總有

，即運動物體的長度(空間距離)跟物體的運動狀態(tài)

.(填“無關(guān)”或“有關(guān)”)l＜l0有關(guān)牛頓力學的成就與局限性二1.牛頓力學的成就：牛頓力學的基礎(chǔ)是

，

定律的建立與應(yīng)用更是確立了人們對牛頓力學的尊敬.2.牛頓力學局限性：牛頓力學的適用范圍是

(填“高速”或“低速”)運動的

(填“宏觀”或“微觀”)物體.(1)當物體以接近光速運動時，有些與牛頓力學的結(jié)論

.(2)電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子的運動

用牛頓力學來說明.3.牛頓力學

被新的科學成就所否定，當物體運動的速度

時，相對論物理學與牛頓力學的結(jié)論沒有區(qū)別.牛頓運動定律萬有引力低速宏觀不相同不能不會遠小于光速c即學即用1.判斷下列說法的正誤.(1)運動的時鐘顯示的時間變慢，高速飛行的μ子的壽命變長.(

)(2)沿著桿的方向，相對于觀察者運動的桿的長度變短.(

)(3)經(jīng)典力學只適用于世界上普通的物體，研究天體的運動經(jīng)典力學就無能為力了.(

)(4)洲際導彈的速度可達到6000m/s，在這種高速運動狀態(tài)下，經(jīng)典力學不適用.(

)(5)當物體的速度接近光速時，經(jīng)典力學就不適用了.(

)(6)對于質(zhì)子、電子的運動情況，經(jīng)典力學同樣適用.(

)√√××√×2.以約8km/s的速度運行的飛船上，一只完好的手表走過1h，地面上的時鐘顯示的時間______(填“大于”“等于”或“小于”)1h.大于探究重點提升素養(yǎng)02相對論時空觀一導學探究地球繞太陽公轉(zhuǎn)的速度是3×104m/s，設(shè)在美國伊利諾斯州費米實驗室的圓形粒子加速器可以把電子加速到0.999999999987倍光速的速度，請思考：(1)地球的公轉(zhuǎn)速度在狹義相對論中屬于低速還是高速？被加速器加速后的電子的速度屬于低速還是高速？答案地球公轉(zhuǎn)速度屬于低速，被加速器加速后的電子的速度屬于高速.(2)在地面上校準的兩只鐘，一只留在地面上，一只隨宇宙飛船遨游太空，隔一段時間飛船返回地面時，兩只鐘顯示的時間相同嗎？有什么差別？答案不相同，隨飛船旅行的時鐘變慢(顯示的時間少).知識深化1.低速與高速(1)低速：通常所見物體的運動，如行駛的汽車、發(fā)射的導彈、人造地球衛(wèi)星及宇宙飛船等物體皆為低速運動物體.(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.相對論的兩個效應(yīng)3.對于低速運動的物體，相對論效應(yīng)可以忽略不計，一般用經(jīng)典力學規(guī)律來處理；對于高速運動問題，經(jīng)典力學不再適用，需要用相對論知識來處理.例1

在靜止坐標系中的正立方體邊長為l0，另一坐標系以相對速度v平行于正立方體的一邊運動.問在后一坐標系中的觀察者測得的立方體的體積是多少？總結(jié)提升相對于地面以速度v運動的物體，從地面上看：(1)沿著運動方向上的長度變短了，速度越大，變短得越多.(2)在垂直于運動方向不發(fā)生長度收縮效應(yīng)現(xiàn)象.例2

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上的時鐘走得最快

B.地面上的時鐘走得最快C.火箭B上的時鐘走得最快

D.火箭B上的時鐘走得最慢√牛頓力學的成就與局限性二導學探究如圖1所示，質(zhì)子束被加速到接近光速，經(jīng)典力學適用于質(zhì)子束的運動規(guī)律嗎？圖1答案不適用.知識深化1.經(jīng)典力學的成就(1)經(jīng)典力學體系是時代的產(chǎn)物，是現(xiàn)代機械、土木建筑、交通運輸以至航空航天技術(shù)的理論基礎(chǔ).(2)經(jīng)典力學的思想方法對藝術(shù)、政治、哲學等社會科學領(lǐng)域也有巨大影響.2.經(jīng)典力學的局限性及適用范圍(1)經(jīng)典力學適用于低速運動的物體，相對論闡述物體在以接近光速運動時所遵循的規(guī)律.(2)經(jīng)典力學適用于宏觀世界；量子力學能夠正確描述微觀粒子的運動規(guī)律.3.相對論和量子力學沒有否定經(jīng)典力學(1)當物體的運動速度遠小于光速時，相對論物理學與經(jīng)典物理學的結(jié)論沒有區(qū)別；(2)當另一個重要常量即“普朗克常量”可以忽略不計時，量子力學和經(jīng)典力學的結(jié)論沒有區(qū)別.(3)相對論和量子力學并沒有否定經(jīng)典力學，經(jīng)典力學是二者在一定條件下的特殊情形.例3

(2019·北師大附中高二上期中)下列關(guān)于經(jīng)典力學的說法正確的是A.經(jīng)典力學適用于宏觀、低速(遠小于光速)運動的物體B.經(jīng)典力學適用于微觀、高速(接近光速)運動的粒子C.相對論和量子力學的出現(xiàn)，表明經(jīng)典力學已被完全否定了D.經(jīng)典力學在理論和實踐上取得了巨大的成功，從地面到天體的運動都服從經(jīng)典力

學的規(guī)律，因此任何情況下都適用解析經(jīng)典力學是狹義相對論在低速(v?c)條件下的近似，即只要速度遠小于光速，經(jīng)過數(shù)學變換狹義相對論的公式就全部變化為經(jīng)典力學的公式，故A正確，B、D錯誤；相對論與量子力學并沒有否定經(jīng)典力學，而是在其基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，故C錯誤.√例4

下列運動中不能用經(jīng)典力學規(guī)律描述的是A.子彈的飛行B.和諧號從深圳向廣州飛馳C.人造衛(wèi)星繞地球運動D.粒子接近光速的運動解析子彈的飛行、火車的運動及人造衛(wèi)星繞地球的運動，都屬于宏觀、低速，經(jīng)典力學能適用.而粒子接近光速的運動，不能適用于經(jīng)典力學，故選D.√隨堂演練逐點落實031.(長度收縮效應(yīng))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，站在路旁的人觀察車里的人，觀察的結(jié)果是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12345√解析取路旁的人為慣性系，車上的人相對于路旁的人高速運動，根據(jù)長度收縮效應(yīng)，人在運動方向上將變窄，但在垂直于運動方向上沒有發(fā)生變化，故選D.62.(時間延緩效應(yīng))話說有兄弟兩個，哥哥乘坐宇宙飛船以接近光的速度離開地球去遨游太空，經(jīng)過一段時間返回地球，哥哥驚奇地發(fā)現(xiàn)弟弟比自己要蒼老許多，則該現(xiàn)象的科學解釋是A.哥哥在太空中發(fā)生了基因突變，停止生長了B.弟弟思念哥哥而加速生長了C.由相對論可知，物體速度越大，在其上時間進程就越慢，生理過程也越慢D.這是神話，科學無法解釋1234√5解析根據(jù)相對論的時間延緩效應(yīng)，當飛船速度接近光速時，時間會變慢，時間延緩效應(yīng)對生命過程、化學反應(yīng)等也是成立的.飛船運行的速度越大，時間延緩效應(yīng)越明顯，人體新陳代謝越緩慢.63.(相對論效應(yīng))來自太陽和宇宙深處的高能粒子流，與高層大氣作用產(chǎn)生一種叫作μ子的次級宇宙射線，μ子低速運動時的壽命只有3.0μs，按常理，μ子不可能穿過高度大于100km的大氣層到達地面，但實際上在地面上可以觀測到許多μ子.則根據(jù)相對論可以確定：在地球上測量向地球高速飛行的該粒子的平均壽命______(選填“大于”“等于”或“小于”)3.0μs.如果觀察者和μ子一起以接近光速的速度飛向地面，觀察者認為大氣層厚度______(選填“大于”“等于”或“小于”)100km；如果觀察者和μ子一起以0.99c的速度飛向地面，觀察者觀察同方向向地球照射的太陽光的光速______c.(選填“大于”“等于”或“小于”)12345大于小于等于6解析μ子低速運動時的壽命只有3.0μs，根據(jù)時間延緩效應(yīng)知在地球上測量向地球高速飛行的該粒子的平均壽命大于3.0μs；根據(jù)長度收縮